Артиллерия

Рис. 110. Наименьшее сопротивление воздуха вызывает современный дальнобойный снаряд обтекаемой формы

Донная часть такого снаряда оставалась, однако, еще цилиндрической, и позади снаряда получалась большая зона разреженного воздуха, сильно засасывавшая снаряд, отнимавшая у него значительную часть скорости (рис. 105).

В двадцатом веке резко возросли скорости транспорта всех видов, быстро развилась авиация. Во всех странах начали изучать действие сопротивления воздуха на быстро движущиеся предметы разной формы. Оказалось, что не только для самолета, но даже для быстроходного автомобиля или поезда важна такая форма, которая является удобообтекаемой. Если автомобилю придать такую форму, то при большой скорости движения он начинает экономить 10-15 процентов горючего или при том же расходе горючего начинает двигаться заметно быстрее.

Тем большее значение имеет форма снаряда: ведь снаряд движется во много раз быстрее автомобиля, он встречает огромное, сопротивление воздуха.

Взгляните на рисунки 105 и 108 – 110. Перед вами четыре снаряда разной формы. На рисунках изображены волны и завихрения воздуха, которые сопровождали бы полет каждого из этих снарядов, если бы скорость их всех была одна и та же, и притом больше, чем скорость звука. Площадь, на которую сильно давит воздух, тем меньше, чем острее головная часть снаряда. Разреженная зона за снарядом также тем меньше, чем больше скошена его донная часть; меньше в этом случае и завихрений позади летящего снаряда.

Очевидно, что при такой скорости наиболее выгодна форма снаряда, изображенная на рис. 110.

Более подробное изучение этого вопроса показало, что каждой скорости полета соответствует своя наиболее выгодная форма снаряда.

Чем больше скорость снаряда, тем острее должна быть его головная часть.

Допустим, что воздух давит на головную часть снаряда с силой в 4 атмосферы, а в разреженной зоне позади снаряда давление составляет всего лишь четверть атмосферы.

Давление на дно снаряда уменьшилось против нормального на три четверти атмосферы: это составляет примерно пятую часть того давления, которое испытывает голова снаряда.

А вот другой снаряд: скорость его значительно больше, чем у первого, а потому он испытывает и большее сопротивление воздуха, – предположим, равное давлению в 100 атмосфер. Пусть он летит так быстро, что за ним позади образуется почти полная пустота: частицы воздуха не успевают ее заполнить. Разница с нормальным давлением составляет целую атмосферу. Но это всего лишь один процент – всего сотая часть – того давления, которое испытывает голова такого снаряда!

Вот почему снарядам, летящим с очень большой скоростью, придают теперь такую форму, при которой головная часть их очень сильно заострена. А снарядам, летящим сравнительно медленно можно и не очень заострять головную часть, но зато нужно обязательно удлинить и сильно скосить их донную часть.

Двадцать лет тому назад граната 75-миллиметровой французской пушки могла пролететь около 8,5 километра.

Рис. 111. Увеличение дальности полета снаряда при улучшении его формы

Но стоило только заострить ее головную часть, удлинить и скосить донную часть, как граната такого же веса стала лететь больше чем на 11 километров; простое изменение формы снаряда увеличило почти на одну треть дальность его полета (рис. 111).

Какой снаряд летит дальше – легкий или тяжелый?

Но секрет дальнобойности – не только в форме снаряда.

Выпустим снаряды одинаковой формы из трех разных орудий.

Орудия эти подобраны так, что начальная скорость их снарядов одна и та же – 442 метра в секунду. Снаряды почти совершенно одинаковы по форме. Пусть и угол бросания у всех трех орудий будет один и тот же – 20 градусов (рис. 112).

Рис. 112. Как действует сопротивление воздуха на снаряды разного веса

Снаряд 37-миллиметровой пушки при этих условиях пролетит 4100 метров.

Снаряд 76-миллиметровой пушки– пролетит 5 700 метров.

А снаряд 152-миллиметровой пушки залетит дальше всех – на 6 300 метров.

Рис. 114. Вот как выросли снаряды за последние 80 лет!

Рис. 115. Действие силы сопротивления воздуха на снаряд в самом начале его полета

Рис. 116. Действие силы сопротивления воздуха на снаряд в полете

Рис. 117. Действие силы сопротивления воздуха на снаряд в полете

В чем же дело? Ведь форма у всех трех снарядов одна и та же, и скорость почти одинакова, и угол бросания один и тот же.

Неодинаков только размер и вес этих снарядов: 37-миллиметровая граната весит полкилограмма; 76-миллиметровая граната – побольше, она весит шесть с половиной килограммов, то-есть она в тринадцать раз тяжелее 37-миллиметровой гранаты; а 152-миллиметровая граната всех больше и всех тяжелее – она весит около сорока одного килограмма.

Выходит так: чем тяжелее снаряд, тем меньше влияет на него сила сопротивления воздуха.

Чем же объяснить такое влияние веса снаряда?

Попробуйте проделать такой простой опыт. Подберите одинаковой величины и формы пробку и камешек. Бросьте их из окна пятого этажа. Вы увидите, что камешек долетит до земли раньше, чем пробка.

Закон свободного падения– один и тот же для всех тел. Форма и величина у камня и пробки одинаковы, – значит, в начале падения одинаково и сопротивление воздуха их движению.

Почему же его влияние на пробке сказалось сильнее, чем на камешке? Почему воздух больше затормозил полет пробки, чем полет камешка?

Плотность пробки меньше плотности камешка. В пробке меньше вещества. Стало быть, меньше и инерция пробки – ее способность сохранять то состояние, в котором она находится. Пробку поэтому легко затормозить. Камень гораздо тяжелее пробки, вещества в нем во много раз больше. Значит, и инерция камня во столько же раз больше. Его движение затормозить гораздо труднее.

Каждый железнодорожник знает, что груженый поезд труднее затормозить, чем порожний.

Тяжелый снаряд испытывает при своем полете точно такое же сопротивление воздуха, как и легкий, если их размеры, скорость и форма одинаковы.

Выгоднее всего, значит, увеличить вес снаряда, не увеличивая в то же время площади его поперечного сечения, то-есть площади, на которую давит воздух.

Для этого достаточно сделать снаряд длиннее.

Так на деле и поступают: на смену шаровым снарядам пришли продолговатые; и эти продолговатые снаряды делаются, по мере своего совершенствования, все длиннее и длиннее.

В артиллерии принято измерять длину снаряда не в линейных мерах, а в калибрах; если длина снаряда вдвое больше его диаметра, то говорят: снаряд имеет длину в два калибра (рис. 114).

Так вот, круглая граната, длина которой, разумеется, один калибр, сменилась продолговатой, в два калибра длиной. Это был снаряд начала шестидесятых годов девятнадцатого века. Десять лет спустя граната достигла длины в три калибра. Ко времени империалистической войны снаряд вытянулся еще больше и достиг четырех калибров в длину. А современная граната имеет в длину примерно уже пять калибров (рис. 114).

Заметно подросли снаряды за последние 80 лет!

Однако, если это так выгодно, почему бы не сделать снаряд еще длиннее, например, в десять калибров длиной? Почему бы не создать очень длинный снаряд – «снаряд-копье»? Оказывается, этому мешает все тот же воздух. Вглядитесь в рисунок 115, – снаряд выброшен из орудия головой вперед: сила сопротивления воздуха только тормозит движение снаряда. Но под действием силы тяжести он стал опускаться все ниже под линией бросания (рис. 116). И чем больше он опускается, тем больше подставляет сопротивлению воздуха уже не голову, а бок. Площадь, на которую давит воздух, становится больше (рис. 116), и сила сопротивления воздуха стремится уже не то лько4 тормозить, но и опрокинуть снаряд головой назад (рис. 117), снаряд начнет кувыркаться (рис. 118).

Кувыркающийся снаряд подставляет воздуху то один бок, то другой, то дно; он быстро теряет скорость и падает на землю.

Мы старались сделать снаряд подлиннее для того, чтобы он лучше преодолевал сопротивление воздуха. А оказывается: чем длиннее снаряд, тем легче его опрокинуть. Кувыркаясь же, снаряд, конечно, будет испытывать большее сопротивление воздуха.

Неужели же тут нет выхода?

Рис. 118. Так летел бы в воздухе невращающийся продолговатый снаряд

Волчок на службе в артиллерии

Жонглер в цирке держит на кончике тросточки тарелку. Чтобы тарелка не упала, жонглер заставляет ее быстро вращаться.

Рис. 119. Гироскоп

Рис. 120. Как изменится положение оси вращения гироскопа, получившего толчок

Каждый видел детскую игрушку «волчок». Пока «волчок» быстро вертится, он стоит на своей острой ножке.

Еще интереснее прибор, известный из физики – гироскоп (рис. 119 и 120).

Гироскоп состоит из маховика, который может вращаться вокруг трех осей: во-первых, вокруг своей основной оси, на которую он посажен; во-вторых, вместе с кольцом, поддерживающим основную ось, – вокруг горизонтальной оси, перпендикулярной к первой, и, в-третьих, вместе с внешним полукольцом – вокруг вертикальной оси.

У гироскопа есть замечательное свойство: когда он быстро вращается, он не только сохраняет положение своей оси в пространстве, но и сопротивляется всяким попыткам изменить ее положение.

Этой замечательной способностью вращающегося тела сохранять свою устойчивость и воспользовались артиллеристы: они заставили снаряд быстро вращаться в полете.

Ствол орудия не оставляют теперь гладким внутри, а растачивают в нем пологие винтообразные желобки-нарезы. Благодаря этому внутри ствола оказываются углубления и выступы. Едва снаряд двинется с места, его медный поясок врезается в эти выступы.

На мягкой меди пояска образуются тогда свои выступы и углубления.

Все вперед и вперед скользит снаряд в стволе по его нарезам, точно по рельсам.

Но нарезы идут винтообразно, как винтовая лестница. Поэтому снаряд, следуя по ходу нарезов, начинает быстро вращаться.

Вылетев из ствола, он сохраняет вращение и в воздухе. Вращается он в наших орудиях слева вверх направо, то-есть, если смотреть сзади, – по направлению движения часовой стрелки.

Снаряды различных орудий делают от 200 до 500 оборотов в секунду.

Колесо автомобиля на полном ходу делает в секунду около 16 оборотов, винт самолета – от 35 до 75. Снаряд вращается в тридцать раз быстрее автомобильного колеса и в пять-семь раз быстрее, чем воздушный винт самолета.

Эта огромная скорость достаточна, чтобы обеспечить устойчивость современного продолговатого снаряда в полете.

Летящий гироскоп

Но если бы снаряд был в полете вполне устойчив, он летел бы, как изображено на рисунке 121, и падал бы на землю не головой, а дном.

На самом же деле снаряд летит не так.

Еще один опыт с гироскопом поможет нам лучше понять особенности полета снаряда.

Поставим на гироскоп фигуру. В ее вытянутую руку вложим груз, как изображено на рисунке 119.

Вы думаете, вращающийся гироскоп наклонится вниз, в сторону груза? Ничуть не бывало: гироскоп повернется вокруг своей вертикальной оси слева направо.

Попробуйте теперь толкнуть гироскоп, ударить по одному из концов горизонтальной оси (рис. 120). Казалось бы, гироскоп должен от такого толчка повернуться на своей вертикальной оси.

Не тут-то было: на самом деле гироскоп начнет поворачиваться вокруг горизонтальной оси так, что фигура упадет с него.

В этом и заключается основное свойство гироскопа: он изменяет положение своей оси, двигаясь всегда под прямым углом к направлению действия внешней силы и в сторону своего вращения.

Быстро вращающийся в полете снаряд напоминает маховик гироскопа. Как и гироскоп, снаряд стремится сохранить положение своей оси в пространстве. Но при этом снаряд, конечно, опускается под линией бросания: траектория изгибается. Пока ось снаряда совпадала с касательной к траектории, сопротивление воздуха распределялось равномерно по всем точкам головной части снаряда и только замедляло его полет (рис. 115).

Рис. 121. Так летел бы вращающийся снаряд в безвоздушном пространстве

Но едва лишь ось снаряда начала отходить от касательной к траектории (это произошло в самом начале движения), как снаряд подставил сопротивлению воздуха свой бок (рис. 116).

Рис. 122. Как отражается на вращающемся снаряде полученный им толчок

Рис. 123. Одно из действий сопротивления воздуха на снаряд

Рис. 124. Коническое вращение головной части снаряда

Невращающийся снаряд опрокинулся бы при этом.

Но снаряд вращается. Как и маховик гироскопа, он стремится сохранить устойчивость; на действие внешней силы он отвечает поворотом в направлении, перпендикулярном тому, по которому действует сила. При этом он подчиняется такому правилу: если какая-то точка снаряда получила толчок, направленный перпендикулярно (по нормали) к оси снаряда, то от толчка голова снаряда отклонится в ту сторону, куда должна притти через три четверти оборота точка, получившая толчок (рис. 122).

Сопротивление воздуха толкает голову снаряда снизу вверх; снаряд отвечает на это тем, что поворачивает голову вправо, под прямым углом к направлению действия внешней силы и в сторону своего вращения (рис. 123).

В этом новом положении воздух сильнее давит на снаряд слева, стремится повернуть его голову вправо. Упрямый снаряд-гироскоп повернет ее вниз. Тогда воздух, действуя на снаряд сверху, начнет загибать его голову вниз. А снаряд-гироскоп сделает опять по-своему – и повернет ее влево. Как только воздух попробует свернуть голову снаряда влево, снаряд поднимет ее вверх. И такая борьба снаряда-гироскопа с силой сопротивления воздуха продолжается во все время полета: Голова снаряда перемещается то вправо, то вниз, то влево, то вверх, то-есть описывает около траектории круг, а ось снаряда описывает коническую поверхность (рис. 124).

Рис. 125. Так летит в воздухе «послушный» вращающийся снаряд

В результате, вращающийся снаряд летит все время головой вперед и в таком же положении падает на землю (рис. 125).

И получается, что та же самая сила сопротивления воздуха, которая мешала, опрокидывала невращающийся снаряд, начинает помогать, как только снаряд приобретает вращательное движение: сила сопротивления воздуха теперь уже «привязывает» голову снаряда к траектории, делает его послушным.

Теперь, когда мы уже узнали все силы, действующие на снаряд во время полета, мы должны понять разницу в очертаниях траекторий, показанных на рисунке 109

Рис. 126. Элементы траектории

На самом деле траектория всегда несимметрична: дальняя – нисходящая – ветвь у нее круче и короче восходящей, и снаряд падает круче, чем вылетает из орудия, то-есть угол падения снаряда всегда больше угла бросания (рис. 126).

Рис. 127. Полигональный снаряд Витворта

Рис. 128. Нарезной снаряд Шарбонье

Снаряд-копье

Вернемся теперь к вопросу – почему же не сделать очень длинный снаряд, так сказать, снаряд-копье?

Оказывается, такой снаряд был бы все же недостаточно устойчив в полете.

Чтобы обеспечить ему устойчивость, надо было бы вращать его еще раза в два-три быстрее, чем вращается современный снаряд.

Для этого и нарезы в орудии надо было бы сделать раза в два-три круче, чем их делают теперь.

Но тогда мягкий медный ведущий поясок снаряда не выдержал бы громадного давления, какое пришлось бы на его долю при такой крутой нарезке и при большом весе длинного снаряда.

Нужны, значит, какие-то новые технические приемы, чтобы обеспечить такому длинному и тяжелому снаряду достаточно быстрое вращение.

Что можно сделать в этом направлении?

Еще в шестидесятых годах девятнадцатого века англичанин Витворт предложил многоугольный (или, как говорят, полигональный) снаряд (рис. 127). Разумеется, и канал орудия Витворта представлял собой в сечении многоугольную призму, несколько скрученную, – вроде того, как скручивается веревка, – чтобы придать вращение этому снаряду.

В свое время это предложение не нашло широкого применения, а вскоре и вовсе было заброшено. Однако в наши дни его извлекли из архивов и проводят опыты со снарядами Витворта.

Есть и другие предложения. Уже после империалистической войны француз Шарбонье предложил и сумел изготовить снаряд с готовыми выступами, или, иначе, «нарезной снаряд» в десять калибров длиной (рис. 128). Снаряд этот имеет большие преимущества перед старыми: поперечная нагрузка у снаряда Шарбонье вдвое больше, чем у обычного, а поэтому и летит он заметно дальше. Вес снаряда Шарбонье примерно вдвое больше, чем вес старого снаряда, а потому в нем помещается значительно: больше взрывчатого вещества, чем в старом.

Во время своих опытов Шарбонье стрелял из 155-миллиметровой пушки снарядом в 90 килограммов весом вместо обычных 43. Снаряд этот пролетал 19 километров вместо обычных 16.

Но изготовлять такие снаряды с готовыми нарезами трудно и дорого, а заряжать орудие таким снарядом долго и неудобно: уже во время заряжания снаряд должен двигаться своими выступами по нарезам орудия.

Вот почему снаряды Шарбонье пока еще не нашли широкого применения.

В стратосферу

Как видите, много хлопот причинило артиллеристам сопротивление воздуха. Кое с чем удалось справиться, и притом с успехом: заставив снаряд вращаться, добились того, что он стал устойчив на полете, а головой начал следить за траекторией.

Но главное заключается в том, что сопротивление воздуха все же резко сокращает дальность полета снаряда.

Нельзя ли избавиться и от этого действия воздуха? Но для этого надо избавиться от сопротивления воздуха. А как же это сделать? Ведь воздухом окутана вся земля!

Да, вся земля окутана воздухом. Но зато плотность его различна на разных высотах. На большой высоте, в стратосфере, воздух сильно разрежен, сопротивление его ничтожно. Пусть хотя бы часть пути снаряд пролетит без воздействия воздуха!

Во время мировой войны немцы, испытывая одно из дальнобойных орудий, случайно установили, что дальность стрельбы из орудий резко увеличивается в том случае, если траектория снаряда поднимается выше 20 километров. Этот принцип они и использовали для создания специальных сверхдальнобойных орудий. Орудия эти были предназначены для варварского обстрела мирной столицы Франции-Парижа – с расстояния более 100 километров.

Снаряд этого орудия быстро пробивал нижний плотный слой воздуха и вырывался на простор стратосферы, входя в нее под углом в 45 градусов, то-есть как раз под углом наибольшей дальности полета в безвоздушном пространстве (рис. 129).

К этому времени снаряд сохранял еще скорость около 1000 метров в секунду. Такая скорость позволяла ему пролететь в безвоздушном пространстве около 100 километров, после чего он спускался на землю с заоблачных высот.

Рис. 129. Траектория снаряда сверхдальнобойной пушки, стрелявшей по Парижу

Какое же орудие необходимо для стрельбы на такое громадное расстояние?

Глава седьмая

Пушка Жюль Верна и «Царь-пушка»

Сверхдальнобойная пушка

Сверхдальнобойные пушки, стрелявшие по Парижу в 1918 году, значительно отличались по своему виду от обычных орудий (рис. 130). Прежде всего бросается в глаза необычайная длина их стволов, достигавшая 34 метров.

Рис. 130. Сверхдальнобойная пушка, стрелявшая по Парижу в 1918 году

Стволы имели в середине стойки, связанные стальными тягами с дульной и казенной частями орудий. Иначе при такой длине они грозили прогнуться под действием собственного веса. Да и так после каждого выстрела стволы колебались в течение двух-трех минут, как тонкие удочки.

Заряжание и наводка орудий выполнялись особыми механизмами с помощью электрических моторов.

Снаряды с готовыми выступами, калибром от 210 до 232 миллиметров, весили от 104 до 126 килограммов каждый.

А заряд, по слухам, весил почти вдвое больше: около 215 килограммов (рис.131). Это особенно резко отличает сверхдальнобойную пушку от обычных орудий, в которых вес заряда в несколько раз меньше веса снаряда. Например, в близкой по калибру 220-миллиметровой пушке заряд весит 26,3 килограмма, а снаряд – 103 килограмма, то-есть заряд почти в 4 раза легче снаряда.

Необычайной длине ствола и такому огромному весу заряда соответствовал, конечно, и огромный вес орудия. Орудие с установкой весило 750 тысяч килограммов, то-есть 750 тонн!

Вес этой пушки почти в 750 раз превышал вес 76-миллиметровой пушки и больше чем в 30 раз – вес обыкновенной пушки того же калибра.

Для перевозки такой пушки в разобранном виде вместе с установкой понадобился бы товарный поезд в 50 вагонов.

Вот какой огромный вес влечет за собой большое увеличение длины ствола и веса заряда!

Конечно, о подвижности такого орудия не может быть и речи.

Зато скорость снаряда получилась тоже огромная.

Именно увеличение длины ствола и веса заряда в сверхдальнобойной пушке дало начальную скорость снаряда, доходящую до 1700, а по некоторым сведениям, даже до 2000 метров в секунду! Примерно втрое-вчетверо больше скорости снаряда обычной 70-миллиметровой пушки!

А ведь и эта скорость, как мы знаем, очень велика.

Такая большая начальная скорость и позволила забросить снаряд в стратосферу.

Сверхдальнобойные пушки стреляли при угле возвышения около 50 градусов. При этом снаряд входил в стратосферу под углом в 45 градусов, то-есть под углом наибольшей дальности в пустоте.

Имеются ли сейчас сверхдальнобойные пушки?

После поражения в империалистической войне немцы заявили, что они взорвали и уничтожили свои сверхдальнобойные пушки. Но другие государства еще до окончания войны успели изготовить подобные же орудия.

Вот, например, французская 210-миллиметровая пушка (рис. 132). Она имеет ствол длиною в 110 калибров (24,1 метра) и стреляет на 120 километров снарядом весом в 108 килограммов. Вес этой пушки тоже не мал – она весит 320 тонн.

Можно ли стрелять еще дальше?

Конечно. Но это повлечет еще большее увеличение веса орудия. Кроме того, не будем забывать, что чем могущественнее орудие, чём оно дальнобойнее, тем короче его «жизнь». Ствол сверхдальнобойной пушки приходил в негодность после 50-70 выстрелов. И уже после первых десятков выстрелов значительно уменьшалась меткость орудия.

Рис. 131. Снаряд и заряд сверхдальнобойной пушки по сравнению со снарядом и зарядом обыкновенной пушки того же калибра

Рис. 132. Французская 210-миллиметровая сверхдальнобойная пушка

Можно построить и такую пушку, которая стреляла бы не на 100, а, скажем, на 200 километров. Но такая пушка была бы очень невыгодна: постройка ее стоила бы огромных денег, а выстрелить она могла бы всего лишь несколько раз.