Чем дальше от канала к наружной поверхности,
тем меньше работа металла. Поэтому стенки стволов нет никакого смысла делать очень толстыми: дело не только в толщине. Дело в том, чтобы облегчить работу внутреннего слоя, перенести часть ее на внешние слои.
Каким же способом заставить наружные слои металла принять большее участие в общей работе сопротивления давлению?
Такой способ нашли и широко применяют в современной артиллерии: ствол орудия делают теперь не из одной, а из двух труб – одна в другой.
Вот как делают такой ствол. Наружную трубу берут с каналом, чуть более узким, чем внутренняя труба; обычным путем вставить внутреннюю трубу в наружную уже нельзя. Тогда наружную трубу нагревают. Она расширяется. Когда она достаточно расширится, надвигают ее на внутреннюю трубу. Получается ствол, состоящий из двух труб.
Затем стволу дают остынуть. Наружная труба, остывая, будет стремиться сжаться, вернуться к своему прежнему размеру; но сжатию ее мешает внутренняя труба. Наружной трубе не остается ничего другого, как только сжать внутреннюю трубу. Сама же она при этом останется несколько растянутой. Она будет все время напряжена и готова к сопротивлению.
Что же произойдет при выстреле?
При выстреле давление газов будет стараться раздуть сначала внутреннюю трубу. Но ведь она крепко сжата наружной трубой. Поэтому внутренняя труба не сопротивляется растяжению до тех пор, пока не будет растянута давлением до тех размеров, которые она имела перед сжатием наружной трубой. А наружная труба? Она уже и так растянута, а здесь ей еще приходится растягиваться. Ясно, что она сразу же начнет сопротивляться этому растяжению. И, как видим, раньше внутренней трубы. Так мы заставляем работать не только внутренние, но и наружные слои металла.
Ствол, сделанный таким способом из двух труб, сжимающих одна другую, оказывается гораздо прочнее простого, несоставного (нескрепленного) ствола той же толщины.
Стволы составляются не только из двух, но иногда из трех и даже четырех труб. Называют такие составные стволы скрепленными.
Скрепленный ствол хорошо сопротивляется разрыву и очень прочен. Но все же главную тяжесть работы несет на себе внутренний слой металла. Это он, несмотря на скрепление, подвергается наибольшему давлению и нагреву. Поэтому естественно, что именно здесь металл «устает» раньше, чем в других слоях: он начинает крошиться, делается хрупким.
Не нужно забывать, что внутри ствол имеет нарезы, желобки. Они отделены друг от друга узкими выступами металла – полями нарезов. Вот эти-то выступы и начинают разрушаться в первую очередь. Орудие «заболевает»; оно уже не может выполнять свою работу так хорошо, как прежде.
«Болезнь» орудия, подобно туберкулезу, имеет ряд стадий. Сначала выкрашивание незначительно и не препятствует стрельбе (рис. 46). Затем оно начинает отзываться на скорости снаряда, на меткости стрельбы. Ведь исчезновение нарезов увеличивает камору, изменяет плотность заряжания, а значит, и давление
Рис. 46. Постепенное разрушение (разгар) нарезов орудия в канале. Наконец, выкрашивание заходит так далеко, ствол оказывается настолько изъеденным внутри, что стрельбу вести уже нельзя. Это – последняя стадия. Орудие становится негодным.
Итак, «смерть» орудия наступает от «внутренней болезни» ствола. Приходит в негодность только тонкий слой металла на внутренней поверхности ствола. Весь остальной организм орудия обычно еще вполне здоров и мог бы работать дольше.
Отчего же выкрашивается металл?
Вызывается это несколькими причинами.
Горячие пороховые газы нагревают металл, затем следует охлаждение его. Это способствует увеличению его хрупкости. Хрупкость еще более увеличивается от химического действия газов.
К тому же часть раскаленных газов в начале движения снаряда все же проникает быстрыми– струйками между снарядом и стенками ствола: медный поясок снаряда в самый первый момент выстрела еще не успевает плотно прижаться к стенкам ствола. Струйки газа действуют на металл подобно тому, как действует сильная горячая струя воды на лед: они «размывают» металл. Поэтому-то разгар ствола и начинается всегда в самом начале нарезов, у каморы.
Затем – трение пояска о нарезы. Оно вначале очень велико. Ведь поясок должен врезаться в нарезы, принять новую форму.
Все это, вместе взятое, приводит к тому, что орудие «умирает», вернее – «умирает» его ствол.
Сколько же лет живет орудие?
Будем говорить о деятельной, рабочей жизни орудия.
Ведь когда мы определяем, как долго служила нам только что перегоревшая, электрическая лампочка, мы, понятно, берем то время, которое она действительно горела. Например, 5-6 часов в день. Это время помножаем на число дней всей «жизни» лампочки. А остальное время мы просто не принимаем во внимание.
Рис. 47. «Туалет» артиллерийского орудия: как и чем чистят и смазывают его
Орудие работает только во время выстрела.
Какова же общая продолжительность рабочей жизни орудия? Чтобы вычислять ее, нужно знать время, в которое протекает выстрел, и число выстрелов, которое способен вынести ствол до полного своего износа.
Время, в которое протекает выстрел, обычно измеряется сотыми и даже тысячными долями секунды. Будем его считать за 0,01 секунды для обычных орудий и за 0,05 секунды для орудий сверхдальнобойных.
Число выстрелов до полного износа зависит от могущества орудия.
Чем могущественнее орудие, тем меньше это число, так как тем большее давление пороховых газов необходимо при каждом выстреле. Для средних по могуществу орудий дивизионной артиллерии это число в среднем равно 10 000 выстрелов. Для очень могущественных орудий, а в особенности для орудий сверхдальнобойных, оно уменьшается до 1 000, до 100 и даже до 50 выстрелов.
Значит, рабочая жизнь среднего по могуществу орудия равна 10 000 сотых секунды, или ста секундам: одной минуте и сорока секундам. А жизнь сверхдальнобойных орудий равна всего двум с половиной секундам!
Зато как деятельна эта жизнь!
За свой короткий «век» орудие может разрушить самые прочные укрепления неприятеля, вывести из строя тысячи его бойцов, нанести ему непоправимый урон…
Напомним, что до сих пор мы говорили только о долговечности ствола.
Долго ли живут остальные части орудия?
Жизнь их значительно дольше. Лафет и его механизмы расстраиваются и приходят в негодность не столько от стрельбы, сколько от перевозки. Особенно это стало заметно при переходе с конной тяги на механическую. Орудия, рассчитанные на малую скорость передвижения, приспособленные для перевозки лошадьми, обычно скоро изнашивались и приходили в негодность от тряски и ударов, неизбежных при больших скоростях. Пришлось вводить специальные подрессоривающие приспособления. Вместо железных шин стали применять резиновые. Эти меры продлили жизнь орудия. Сейчас можно считать, что орудие способно выдержать несколько тысяч километров пути.
Это значит, что орудие, если бы ствол его не заболевал, могло бы жить долгие годы.
«Омоложение» в артиллерии
Орудие любит заботу о себе и требует внимательного ухода (рис. 47). Если за орудием не будет тщательного ухода, жизнь его сократится в десятки раз,
Пороховые газы, особенно газы бездымного пороха, портят сталь ствола при выстреле. Поэтому совершенно необходимо производить чистку и смазку тотчас после окончания стрельбы, не давая продуктам горения пороха долго воздействовать на сталь ствола. Если не чистить и не смазывать ствол, появится ржавчина, ствол будет испорчен. Чем чаще производится чистка, чем тщательнее смазка, тем дольше сохраняется ствол.
Это – главная мера, способствующая сохранению «здоровья» ствола. Это, так сказать, «гигиена ствола».
А в помощь этому профилактическому средству есть еще иное – «хирургическое». Его применяют тогда, когда «болезнь» зашла уже очень далеко и одними «гигиеническими» мерами ничего не сделаешь.
Его применяют тогда, когда орудие находится при смерти.
Вспомним, что орудие «умирает», в сущности говоря, от «внутренней болезни» ствола: от разрушения тонкого слоя металла. Весь остальной металл ствола вполне «здоров».
Естественно возникла мысль о возможности замены не ствола в целом, а всего-навсего тонкого слоя металла внутри ствола.
Стали высверливать изношенный слой и вместо него вставлять в стволы тонкостенные трубы. Вместо замены тяжелого ствола достаточно теперь сменить легкую внутреннюю трубу, и «омоложенное» орудие снова может стрелять.
Эта тонкостенная труба носит название «лейнер» (рис. 48). «Лейнер» по-английски значит «рубашка».
Рис. 48. «Омоложение» орудия: в его ствол вставляют «лейнер»
Лейнер служит как бы рубашкой для ствола, изолируя его металл от образующихся при выстреле пороховых газов.
В некоторых современных орудиях, как наших, так и заграничных, лейнер вставляют сразу же при изготовлении ствола, не ожидая износа орудия. Поэтому лейнер – не только средство омоложения орудия. Он позволяет вместе с тем повысить могущество орудия, увеличить, например, его заряд.
Пусть поверхность канала ствола придет в негодность на две-три тысячи выстрелов раньше. Это теперь не так страшно: мы можем обновить ствол тут же на позиции. Достаточно лишь сменить лейнер. И стоимость этой операции «омоложения» орудия невелика. Зато, чем больше будет могущество орудия, тем больше будет скорость снаряда, тем дальше мы бросим снаряд.
Глава четвертая
Можно ли управлять взрывом?
Много дел в одно мгновение
Мы не раз уже говорили, что для зажигания заряда применяют капсюль. Взрыв этого капсюля дает вспышку, короткий луч огня. Учтем также, что заряды современных орудий составляются из довольно крупных зерен бездымного пороха – пороха плотного, с гладкой поверхностью.
Так вот, если мы попробуем зажечь заряд такого пороха с помощью одного только капсюля, то выстрела наверняка не последует.
Оказывается, взрывом капсюля зажечь боевой заряд трудно. Луч огня капсюля лизнет порох заряда, но в большинстве случаев не зажжет его.
Почему?
Потому же, почему нельзя зажечь спичкой крупные дрова в печке. Особенно, если поверхность у них гладкая. Недаром мы обычно разжигаем дрова лучинками. А если вместо дров взять полированные доски и бруски, то даже и лучинками разжечь их будет трудно.
Пламя капсюля слишком слабо для того, чтобы зажечь крупные, гладкие зерна заряда. Оно скользнет по их гладкой поверхности, но не зажжет их.
А сделать капсюль сильнее, положить в него больше взрывчатого вещества – нельзя. Ведь капсюль снаряжается составом,
в который входит гремучая ртуть. Это – дробящее взрывчатое вещество. Большее его количество может при взрыве повредить гильзу и причинить другие неприятности и разрушения.
Рис. 49. Капсюльная втулка артиллерийского патрона
Как же нам, все-таки, зажечь заряд?
Воспользуемся «лучинками».
Возьмем небольшое количество мелкозернистого пороха. Такой порох легко зажжется от капсюля. Лучше взять дымный порох, так как поверхность его зерен более шероховатая и пламени есть за что зацепиться. Кроме того, дымный мелкозернистый порох, даже и при нормальном давлении, горит очень быстро, гораздо быстрее бездымного; образовавшиеся при его сгорании газы быстро повысят давление в зарядной каморе ствола, благодаря чему все зерна порохового заряда воспламенятся скорее.
Лепешки такого мелкозернистого пороха располагают за капсюлем, в капсюльной втулке (рис. 49). А иногда мелкозернистый порох, кроме того, помещают на дне гильзы, в особом мешочке, как это показано, например, на рисунке 50.
Рис. 50. Как происходит выстрел из орудия
Порция этого мелкозернистого дымного пороха называется воспламенителем.
Воспламенитель, сгорая, повышает давление в каморе. При повышенном давлении скорость воспламенения основного заряда увеличивается. Пламя почти мгновенно охватит поверхность всех зерен, и начнется горение порохового заряда.
В этом основное назначение воспламенителя.
Итак, значит, выстрел слагается из целого ряда событий (рис. 50).
Боек ударяет по капсюлю,
От удара бойка взрывается ударный состав, и пламя капсюля зажигает воспламенитель (мелкозернистый дымный порох).
Воспламенитель вспыхивает и превращается в газы.
Раскаленные газы проникают во все промежутки между зернами основного порохового заряда и воспламеняют его.
Воспламенившиеся зерна порохового заряда начинают гореть и в свою очередь превращаются в сильно нагретые газы.
Давление пороховых газов с огромной силой толкает снаряд.
Снаряд двигается по каналу ствола и вылетает из него.
Вот сколько событий происходит меньше чем за сотую долю секунды!
Как горят зерна пороха в орудии
Почему же нельзя сделать весь пороховой заряд из самого мелкого пороха?
Казалось бы, в этом случае ненужно было бы никакого специального воспламенителя.
Почему основной заряд составляется всегда из более или менее крупных зерен?
Потому, что мелкие зерна пороха – точно так же, как мелкие поленья, – сгорают быстрее, чем крупные.
Они сгорают чересчур быстро.
В самом деле, что получится, если весь заряд составить из очень мелких зерен?
Он мгновенно сгорит и превратится в газы.
Сразу же получится очень большое количество газов, и, значит, в каморе создастся очень высокое давление. Оно стремительно двинет снаряд по каналу ствола.
Но чем дальше будет двигаться снаряд в стволе, тем больше места будет освобождаться газам, тем слабее будет их давление: порох-то уже весь сгорел, и притока новых газов нет.
В начале движения мы получим очень большое давление, а к концу оно резко упадет (рис. 51).
Очень сильное, резкое давление газов, которое создается в начале выстрела, нанесет большой вред металлу ствола, сильно сократит жизнь орудия, а может быть, и разорвет его. А в то же время прирост скорости снаряда в конце движения его по стволу будет ничтожным.
Рис. 51. Слишком мелкий порох: заряд сгорел, и приток газов, толкающих снаряд, прекратился задолго до вылета снаряда из дула
Рис. 52. Слишком крупный порох: снаряд уже вылетел, а заряд еще не весь сгорел
Поэтому-то для заряда и не берут очень мелких зерен.
Но и слишком крупные зерна тоже не годятся для заряда: они не успеют сгореть за время выстрела. Снаряд вылетит из дула, а вслед за ним вылетят несгоревшие зерна (рис. 52).
Порох не будет использован полностью.
Размер зерен, вообще говоря, нужно подобрать так, чтобы пороховой заряд сгорел целиком незадолго до вылета снаряда из дула.
Тогда мы получим приток газов почти в течение всего времени движения снаряда по стволу и избегнем резкого скачка давления в начале движения снаряда.
Но орудия бывают разной длины – одни длиннее, другие короче.
Чем длиннее ствол орудия, тем дольше, при прочих одинаковых условиях, будет двигаться снаряд по стволу и тем, значит, дольше должен гореть порох.
Поэтому нельзя заряжать все орудия одинаковым порохом: в более длинных орудиях заряд нужно составлять из более крупных зерен, брать их большей толщины, так как продолжительность горения зависит, как мы скоро увидим, именно от толщины зерна.
Итак, оказывается, до некоторой степени можно управлять горением пороха в стволе. Изменяя толщину зерен, мы тем самым меняем и продолжительность их горения. Мы можем добиться притока газов в течение почти всего времени движения снаряда в стволе.
Что лучше: трубка или лента!?
Нам нужно не только, чтобы газы давили на снаряд в стволе все время; нужно еще, чтобы газы давили все время, по возможности, с одинаковой силой.
Казалось бы, для этого достаточно получить равномерный приток газов: тогда и давление будет держаться все время на одном уровне.
На самом деле это неверно.
Чтобы давление оставалось постоянным или, по крайней мере, не резко изменялось по величине, пока снаряд не вылетел еще из ствола, должны прибывать – вовсе не одинаковые, а, наоборот, все большие и большие порции пороховых газов.
Каждую следующую тысячную долю секунды приток газов должен возрастать.
Ведь снаряд движется в стволе все скорее и скорее. И свободное место в стволе – заснарядное пространство, где образуются газы, – растет все быстрее и быстрее. И, значит, чтобы заполнить это растущее пространство, порох должен давать с каждой долей секунды все больше и больше газов.
Но получить непрерывно возрастающий приток газов совсем не легко.
В чем тут трудность, поймет каждый, кто взглянет на рисунок 53.
Здесь изображено цилиндрическое зерно пороха: слева – в начале горения, в середине – спустя несколько тысячных секунды, справа – в конце горения.
Вы видите: горит только поверхностный слой зерна, и именно он превращается в газы.
В начале зерно – большое, поверхность его велика, и, значит, сразу выделяется много пороховых газов.
Но вот зерно наполовину сгорело: оно стало меньше, поверхность его уменьшилась, а значит, и газов выделяется теперь уже меньше.
А в конце горения поверхность совсем мала, и образование газов ничтожно.
То, что происходит с этим пороховым зерном, произойдет и со всеми остальными зернами заряда.
Выходит так, что чем дольше будет гореть пороховой заряд из таких зерен, тем меньше будет прибывать газов. А значит, и давление на снаряд будет ослабевать.
Но такое горение нас, конечно, совсем не устраивает.
Нам нужно, чтобы приток газов не убывал, а возрастал. Для этого поверхность горения зерен должна не уменьшаться, а увеличиваться.
Это зависит от формы зерен заряда.
На рисунках 53, 54, 55 и 56 представлены различные зерна пороха, применяемые в артиллерии.
Рис. 53. Цилиндрическое зерно пороха: поверхность его горения резко уменьшается
Рис. 54. Лента пороха: поверхность ее горения уменьшается незначительно
Рис. 55. «Макаронный» порох: поверхность его горения почти не уменьшается
Рис. 56. Зерно пороха с семью каналами: поверхность его горения увеличивается до момента распада верна
Рис. 57. Трубчатый «бронированный» порох: поверхность его горения непрерывно увеличивается
Все эти зерна сделаны из однородного плотного бездымного пороха; разница только в размерах и форме зерен.
Какая же форма самая лучшая? При какой форме зерна мы получим не убывающий, а наоборот, возрастающий приток газов?
Цилиндрическое зерно, как мы только что видели, удовлетворить нас не может.
Оказывается, далеко не удовлетворительно и зерно ленточной формы: как видно из рисунка 54, его поверхность будет тоже уменьшаться при горении, хотя и не так быстро, как поверхность цилиндрического зерна.
Значительно лучше трубчатая форма. – «макаронный порох» (рис. 55).
При горении зерен такого пороха их общая поверхность почти не будет изменяться, так как трубка будет гореть одновременно изнутри и снаружи. Насколько уменьшится поверхность трубки снаружи, настолько же за это время она увеличится изнутри.
Правда, трубка будет гореть еще с концов, и длина трубки будет уменьшаться. Но этим уменьшением вполне можно пренебречь, так как длина макаронного пороха во много раз больше его толщины.
Значит, можно считать, что изменения величины горящей поверхности здесь почти не произойдет. Это будет тем ближе к истине, чем длиннее зерно. Это уже лучше, чем убывающий приток газов. Новее же этого еще не достаточно: нужен возрастающий приток.
Возьмем цилиндрический порох с несколькими продольными каналами внутри каждого зерна (рис. 56).
Снаружи поверхность цилиндрика будет при горении уменьшаться.
А так как каналов несколько, то внутренняя поверхность будет увеличиваться быстрее, чем уменьшается наружная.
Стало быть, общая поверхность горения будет возрастать. А это значит, что приток газов будет увеличиваться. Давление, как будто, не должно падать.
На самом деле это не так. И этот порох не дает увеличивающихся порций газа до конца своего горения.
Посмотрим на рисунок 56. Когда стенка зерна прогорит, оно непременно распадется на несколько кусков. А поверхность этих кусков по мере горения неизбежно будет уменьшаться, и давление резко упадет.
Выходит, что и при этой форме нам не получить постоянного увеличения притока газов по мере горения.
Приток газов будет увеличиваться только до распада зерен.
Возьмем опять макаронный порох. Но на этот раз покроем наружную поверхность каждого зерна таким составом, который сделал бы ее негорючей (рис. 57).
Тогда все зерна будут гореть только изнутри, по внутренней поверхности, которая при горении увеличивается.
Это означает, что мы будем иметь все увеличивающуюся и увеличивающуюся поверхность. Значит, с самого начала горения и до самого конца приток газов будет увеличиваться.
Здесь никакого распада быть не может.
Этот порох называется «бронированным». Его наружная поверхность как бы забронирована от воспламенения.
До некоторой степени это может быть осуществлено, например, с помощью камфары, понижающей горючесть пороха. Вообще же бронирование пороха – дело очень не легкое, и полного успеха здесь еще не достигнуто.
При горении бронированного пороха уже можно добиться постоянного давления.
Такое горение, при котором приток газов увеличивается, называется прогрессивным, а горящие так пороха – прогрессивными.
Из приведенных нами порохов до конца прогрессивным является лишь бронированный порох.
Однако это отнюдь не умаляет достоинств применяемых ныне цилиндрических порохов с несколькими каналами. Нужно лишь * умело подбирать их состав и размеры зерен.
Можно добиться прогрессивного горения и другим способом.
Если мы какими-нибудь путями сможем по мере горения получить увеличение его скорости, то и тогда мы тоже получим прогрессивное горение.
Таким образом, имеет значение не только форма, но и состав и скорость горения зерен пороха.
Подбор их – один из основных рычагов нашего управления процессом горения и распределения давления в канале ствола артиллерийского орудия.
Выбор зерен соответствующего размера, состава и формы позволяет избежать резкого скачка давления, более равномерна распределить его в стволе, позволяет нам выбросить снаряд с наибольшей скоростью и с наименьшим вредом для орудия.
Глава пятая
От снаряда с фитилем к снаряду с секундомером
Ядро и граната
«Мы пошли на вал – возвышение, образованное природой и укрепленное частоколом. Там уже толпились все жители крепости. Гарнизон стоял в ружье. Пушку туда перетащили накануне. Комендант расхаживал перед своим малочисленным строем. Близость опасности одушевляла старого воина бодростью необыкновенной. По степи, не в дальнем расстоянии от крепости, разъезжали человек двадцать верхами…
Люди, разъезжающие в степи, заметя движение в крепости, съехались в кучку и стали между собою толковать. Комендант велел Ивану Игнатьичу навести пушку на их толпу, и сам приставил фитиль. Ядро зажужжало и пролетело над ними, не сделав никакого вреда. Наездники, рассеясь, тотчас ускакали из виду, и степь опустела».
Так описывает Пушкин в «Капитанской дочке» работу артиллерии Белогорской крепости. Работа эта, как видите, не была особо плодотворной.
Ядро, выпущенное комендантом Белогорской крепости, перелетело. Но если бы даже Иван Игнатьич не промахнулся, все равно его ядро сделало бы немного. Мало чем отличалось оно от старинных каменных ядер. Это был просто-напросто чугунный шар чуть-чуть побольше крупного яблока. Конечно, такой снаряд мог вывести из строя неприятельского солдата только в том случае, если попадал прямо в него. Но стоило ядру пролететь хотя бы за полметра от человека, – и тот оставался жив и невредим. Только попадая в густую толпу, ядро могло вывести из строя несколько человек.
Надо, впрочем, сказать, что артиллерия Белогорской крепости не была последним словом техники даже для своего времени. В том же самом восемнадцатом веке существовали уже разрывные снаряды. Такие снаряды – их называли гранатами и бомбами, – разрываясь, покрывали своими осколками площадь радиусом в десять-пятнадцать шагов.
Рис. 58. Разрывная граната начала восемнадцатого века
Чугунный шар отливали полым и наполняли его порохом (рис. 58).
В оставленное отверстие вставляли короткий фитиль. Этот фитиль загорался от раскаленных пороховых газов при выстреле и горел несколько секунд. Когда фитиль догорал до конца и огонь доходил до пороха, происходил взрыв. Граната (бомба) разрывалась на части и осколками поражала людей, находившихся поблизости.
Вскоре вместо фитиля стали вставлять в отверстие – «очко» – гранаты деревянную трубку, наполненную пороховым составом.