Артиллерия для чайников. Часть 9. Баллистика
Ну вот вы решили, что и чем будете поражать, наделали снарядов нужных, вроде ничего не сломали, пока заводили самоходку, готовили к бою и заряжали орудие. Теперь осталась главная задача — поразить цель противника. А для этого нужно знать поведение снаряда в стволе и воздухе, иначе корректировщики будут гонять дрон во всей линии фронта с криками: «Да куда они попали?!» А на это всё оказывают влияния кучи и кучи факторов. Снаряды дальнобойной артиллерии, бьющей на 30-40 км, поднимаются на высоты до 12-15 км, т.е. куда не каждый самолёт залетит.
Часть 1. Задачи артиллерии.
Часть 2. Организация артиллерии.
Часть 3. Ствольная артиллерия.
Часть 4. Миномёты, гибриды и всякая экзотика.
Часть 5. Ракетные комплексы.
Часть 6. Боеприпасы ствольной артиллерии.
Часть 7. Устройство ракет.
Часть 8. Пороха и взрывчатка.
Ахтунг! Размеры и пропорции на схемах показаны условно.
Первый период полёта снаряда, пока он разгоняется внутри канала ствола, называется внутренней баллистикой. Его можно ещё поделить на несколько этапов по разгону боеприпаса:
- предварительный (пиростатический), когда происходит воспламенение заряда, распатронивание унитара (если он есть) и начало движения снаряда;
- форсирования, при котором снаряд врезается в нарезы. Отсутствует у миномётов и танковых ГСП;
- основной (пиродинамический), пока метательный заряд горит и создаёт всё больше газов, а снаряд ускоряется;
- второй (термодинамический), когда снаряд всё ещё продолжают разгонять газы, появившиеся ранее. Этого периода может не быть, если заряд слишком мощен для артсистемы;
- и небольшой участок последействия газов, когда боеприпас уже покинул ствол — чуть-чуть, но газы продолжают давить на снаряд.
В начале давление начинает расти скачкообразно, быстро доходя до своего пика, в современных орудиях около 400 МПа (для примера, на дне Марианской впадины 11-км столб воды выдаёт чуть больше 100 МПа). Здесь же и ускорение боеприпаса максимальное. Потому в этом месте толщина ствола максимальна. По мере сгорания заряда и увеличения объёма пространства между каморой и дном снаряда, давление начинает падать и ускорение снижаться, пока на дистанции в десятки сантиметров от дула и улетающее тело не наберёт максимальную скорость (если в нём нет двигателя).
Отсюда выходит необходимость делать нарезку ствола прогрессивной, чтобы в самом начале, на этапе форсирования, не посрывало ведущие пояски, а разгон проходил более плавно. Длину ствола и калибр нужно брать не просто так, а чтобы КПД заряда, особенно на термодинамическом этапе, был максимален. При эффективном использовании, например, у современных длинноствольных гаубиц, до 40% энергии пороха идёт на разгон снаряда, около 1% используется в превращение кинетической энергии потока газов в дульном тормозе для противодействия отдаче, 0,5-1% уходит в кинетическую энергию ПОУ и автоматики, около 5% на нагрев ствола орудия, остальные 53% просто уходят в атмосферу потоком газов, вспышкой и т.п. Если же ствол слишком короток, то на ветер может улетать за 70% всей энергии заряда!
Ещё одним ограничением минимальной длины ствола является путь для придания снаряду вращения, достаточного для его стабилизации в воздухе и придания точного направления полёта. Сейчас все орудия с избытком проходят этот предел, но не так давно были проекты короткоствольных пушек (штурмовые орудия Одинцова) с дозвуковой начальной скоростью, где проблемы стабилизации думали решать вращением трубы.
Калибр орудия влияет на площадь, на которую давят газы: чем она больше, тем лучше. К тому же проще сделать короткий и широкий заряд. Снаряды имеют ограничение в отношении длины к диаметру из-за быстрого вращения и конструктивно гораздо проще сделать 152-мм ОФС длиной 500 мм, чем 100-мм метровой длины с зарядом той же мощности. Потому большой калибр в рамках внутренней баллистики несёт только пользу.
Со слишком длинными стволами начинаются другие проблемы — длинные тонкие трубы начинают изгибаться при выстреле и много энергии тратить на нагрев стенок, пока снаряд движется по стволу. Потому падает кучность стрельбы (отсюда для какого-нибудь CAESAR'а необходимость выпускать высокопрочные толстостенные конструкции из самых лучших сплавов) и нужно делать перерывы для охлаждения ствола. В целом, максимальную техническую скорострельность орудие показывает несколько минут, а далее она резко падает. Так, 2С3 «Акация» при непрерывном огне в первую минуту делает 3,5 выстрелов, за первые 10 мин — 30, а с 40-й по 60-ю мин стрельбы — всего 12. Интенсивность стрельбы 155-мм длинноствольных гаубиц падает ещё быстрее, но под артподготовки по 2-3 часа они и не предусмотрены.
Основным средством придания снаряду нужного направления является поворот ствола по вертикали (возвышение) или по горизонтали (по направлению). В зависимости от угла возвышения траектории бывают настильными, когда с подъёмом ствола дальность растёт, а снаряд стремится упасть плашмя, и навесными, когда с увеличением угла дальность падает, с снаряд стремится упасть отвесно. Между ними находится угол наибольшей дальности, геометрически это 45 град.
Но! Это справедливо только когда условия однородны, а снаряд является точкой. В реальности угол наибольшей дальности лёгкой артиллерии болтается в районе 42-43 град, дальнобойной же — около 50-58 град. Для стрелкового оружия — 30-35 град, а вот чтобы реализовать максимальную дальность межконтинентальных баллистических ракет, лучше пускать их вертикально вверх. Если лёгкое тело летит в плотном воздухе, то при геометрическом возвышении в 45 град на него оказывается сильное давление воздуха. Дальнобойные же орудия забрасывают снаряды в стратосферу, где плотность воздуха низкое и желательно как можно быстрее пройти приземные слои атмосферы. На траектории ракет сильно сказывается то, что на активном участке изделие летит максимально прямолинейно. Тем более, чем дальше стрельба, тем сильнее сказывается вращение Земли — они просто проворачивается под какой-нибудь МБР.
Для сравнения влияния массы и запасённой в ней кинетической энергии на дальность стрельбы: сопротивление снаряда калибра 152-155 мм массой 48-50 кг примерно в 400 раз выше, чем у винтовочной пули массой 11 г. При разгоне до 825-835 м/с и пуля, и снаряд в безвоздушной среде пролетят под 70 км, зато в атмосфере второй долетит до 22-25 км, а первая упадёт на 4 км.
Чёткая граница при угле возвышения в 45 град встречается в другой классификации. Если ствол задран выше этой цифры, то траектория снаряда называет мортирной, если в углах от 20 до 45 град — гаубичной. В совокупности эти два типа траектория можно назвать крутыми. Используются они для поражения целей на больших дистанциях и за препятствиями. Если угол возвышения ниже 20 град, то такая траектория считается отлогой. Применяется сейчас в основном по видимым целям на дальности прямого выстрела — расстояния, на котором средняя траектория не поднимается больше высоты цели.
В таких случаях используется прямая наводка — когда наведение и по горизонтали, и по вертикали даётся непосредственным наведением прицела на цель. Если же у нас миномёт или что с аналогичной траекторией, мы видим цель но при прямой наводке на неё мина довольно падает в окоп к своей пехоте, то нужно применять полупрямую наводку. Для нужного возвышения приходится уже использовать угломерные приборы (либо автоматическим введением поправок в СУО). Если же мы не видим цель, т.е. стреляем с ЗОП (закрытой огневой позиции), то наводиться приходится и по вертикали, и по горизонтали вслепую по данным разведки или наблюдателя на передке. Такая наводка называется непрямой.
Чтобы точно отрегулировать придаваемую снаряду траекторию, кроме угла возвышения ствола широко используется переменный заряд. Для раздельно-гильзового заряжания в гильзу помещается заряд не целиком, а в нескольких сгораемых мешочках, которые можно вынуть перед выстрелом, дабы понизить мощность выстрела, а следовательно и начальную скорость. Заряд, что всегда остаётся в гильзе, называется основным, а вынимаемые — дополнительными пучками. В миномётном выстреле основной заряд вделан в хвостовик, а дополнительные навешиваются сверху. В картузном заряжании проще: нужно зарядить требуемое количество одинаковых зарядов, либо взять один с нужной навеской пороха.
Пока снаряд врезается в нарезы, медь с его поясков покрывает канал ствола, что не есть хорошо. С этой бедой борются с помощью размеднителя — небольшого колечка из оловянной или свинцовой проволоки, которая при выстреле распыляется, входит в соединение с осевшей медью, образуя сплав. Последний легко плавится и вылетает из ствола с потоком газов или со следующим снарядом.
И вот подарок в воздухе и пороховые газы перестали на него действовать. Теперь это область внешней баллистики. Чтобы боеприпас оставался на заданной траектории, нужно как-то стабилизировать летящий снаряд в воздухе. Во-первых, из-за вытянутой формы набегающим потоком воздуха оказывается такое усилие, что снаряд начинает кувыркаться и летит куда-то туда, по закону Мёрфи на головы своей пехоты. Во-вторых, у ракет тяга неравномерна относительно геометрической оси боеприпаса, потому её начинает постепенно уводить в сторону. Чтобы такой пакости избежать, снарядам либо придают вращение, либо ставят оперение, либо делают всё вместе. Ну или можно сделать ядро, которое не требует стабилизации.
В первом случае вращение задаётся либо нарезкой в канале ствола, либо повёрнуты вбок соплами у турбореактивных снарядов. Чем снаряд тяжелее, тем его сложнее опрокинуть и потому частота оборотов ниже. Например, 100-мм отечественный снаряд танковой пушки требует около 300 об/с, тогда как 152-мм для Д-20 — около 150 об/с. В целом такой способ наиболее эффективен при стрельбе на большие дистанции и позволяет делать снаряды, максимально удовлетворяющие требованиям аэродинамики. Но полёт вращающегося с большой частотой тела не так прост. Из-за стремления опрокинуться оживальная часть снаряда начинает описывать круг, а сам снаряд рисует песочные часы с центром в центре тяжести. Это называется медленным коническим (прецессионным) движением. Ось его не совсем совпадает с касательной к гипотетической траектории, нарисованной в воображении наводчика. А ещё к этому добавляется нутация — колебания оси вращения снаряда из-за неидеальности ствола и метаемого тела.
Стабилизация вращением способствует отклонению снаряда за счёт деривации — повороту боеприпаса в горизонтальной плоскости в сторону закрутки. При упомянутом выше прецессионном движении нос крутящегося тела постоянно норовит уйти в сторону вращения и за ним постепенно стремится весь снаряд. Деривация нелинейно увеличивается от проведённого в полёте времени, так что сильнее всего сказывается при стрельбе с большими углами возвышения. Также она сильнее сказывается на лёгких боеприпасах, при встречном ветре и низкой температуре. Техническими мерами с деривацией не побороться и потому остаётся только учитывать её при подготовке к стрельбе.
Но! Если нам нужно стрелять по зенитным целям, т.е. снаряд не должен возвращаться на землю, то деривация постепенно снижается и при угле возвышения пропадает вообще, потому что исчезает опрокидывающий момент. У мортир и гаубиц при мортирной стрельбе много отклонения набегает на этапе замедления и постепенного перехода к возращению на матушку-землю.
Оперением удобно стабилизировать медленно летящие тела и для чего быстрое вращение противопоказано, т.е. ракеты и кумулятивные снаряды. Оно может работать по трём принципам. Первый работает аля воздушный тормоз: задняя часть начинает равномерно тормозить перед, не давая ему сильно колебаться. Такой эффект применяется отчасти у старых БОПСов, давая им хорошую стабильность, но потери скорости велики (в 5-6 и более раз выше, чем у современных западных ломов). Второй способ — это использование эффекта подъёмной силы крыла, что активно применяется в ракетостроении вплоть до того, что делают полноценные плоскости, способные не просто стабилизировать, но и нести нагрузку, повышаю дальность полёта. Ну и третий — создание эффекта турбины за счёт несколько наклонённых плоскостей, закручивающей тело от набегающего потока, но это уже другой метод стабилизации.
Вариант с оперением максимально прост, дёшев в производстве и не создаёт в полёте процессов со всякими заумными словами. Но за это надо платить большой разницей между траекториями выпущенных ракет: нельзя изготовить полностью идентичные боеприпасы и одинаково снарядить РДТТ относительно оси снаряда. Если у тебя ПТУР, то такая разница несущественна, но если у тебя РСЗО или танк, то можно по итогу только пожечь боекомплект и немного напугать противника.
Потому сейчас применяется зачастую стабилизация оперением и медленным вращением. Боеприпас могут закрутить уже в стволе или направляющей, а на вылете из ствола поддерживать вращение наклонными плоскостями оперения. Чтобы снаряд на большой скорости был ещё устойчивее, то пушечные КС делают со ступенчатой головкой (см. часть 6), где аэродинамические выступы пропускают уплотнённый воздушный поток, а вынесенное вперёд остриё предварительно делает конус разреженного воздуха. Есть варианты гранат, где обходятся без аэродинамических выступов.
Если с ракетами и боеприпасами в РПГ подобные схемы стабилизации оптимальны, то у снарядов гладкоствольных танковых пушек возникают проблемы. Здесь преграду строит атмосфера и аэродинамика. На скоростях выше 450-500 м/с снаряды начинают испытывать такое же сопротивление, словно их человек руками бросил в воду. Среда перед ними начинает быстро уплотняться, а вот сзади образуется зона разрежения, которая мало того, что засасывает снаряд назад, так ещё и может сделать короткое оперение малополезным.
Полёт снаряда в воздухе можно представить как продирание через кучу слоёв какого-то материала. На нужных нам скоростях воздух начинает сопротивляться и проявлять вязкость, ещё и создаются микроскопические уплотнения воздуха, что позволяет его делить на части. Первый слой, куда попадает снаряд, как носок надевается на него и за счёт трения удерживается на корпусе (пограничный слой). Следующий слой уже рвётся и нехотя слезает с первого. Третий сваливается с ещё легче, а 100500-й лишь слегка колыхнётся. Если снаряд заострён с обоих сторон и движется медленно, то слои как раздвинулись, так и смыкаются сзади. Это называется ламинарным обтеканием воздуха и из-за формы боеприпаса встречается разве что на оперении и воздушных рулях.
Обычно за снарядом создаётся разрежение и воздушные вихри, т.к. прилегающие к снаряду и медленно сползающие с него «носки» воздуха не успевают быстро схлопнуться. Эта пакость как пылесос пытается засосать наш снаряд обратно, причём на дозвуке она тормозит сильнее, чем пробиваемые оживальной частью слои. Попробуйте взять большой лист картона, пластика или ещё чего-то малогнущегося и плашмя помахать. Чувствуете, как вибрируют края? Вот это как раз из-за турбулентностей с тыльной стороны листа. Чтобы этого избежать, эффективнее использовать снаряд в форме капли, т.е. какой делают для гладкоствольных миномётов.
Если снаряд разогнали быстрее скорости звука, то образуется баллистическая волна. Вызвана она микроскопическими волнами-уплотнениями, которые просто в виде звуковых колебаний разносились по окрестностям. Теперь скоростной снаряд нагоняет, ещё сильнее сжимает и с грохотом разрывает эти уплотнения. Такие же образования создаются от любых неровностей на корпусе, в т.ч. и от ведущих поясков, за которыми находятся конусовидные зоны разреженного воздуха. За счёт этого ступенчатая головная часть тормозит снаряд не так сильно, как вроде бы должна. Баллистическая волна становится главным тормозом боеприпаса и потому нужно делать его с максимально острой оживальной частью, гладкой поверхностью и большой массой при малом диаметре.
Если ж решили стрелять калиберным боеприпасом, то лучшая форма — это вытянутая, с заострённой частью длиной около 3,5 клб и выше. С донной части нужен конус, даже пустотелый, чтобы создавалось меньше вредной турбулентности. А лучше — сделать донный газогенератор, который выдаст поток газа, сравнимый со скоростью срыва слоёв воздуха со снаряда.
Выходит дилемма: чтобы лучше разгонять снаряд в стволе нужен большой калибр, а для аэродинамики что-то иглоподобное. Потому тут на помощь приходят подкалиберные боеприпасы. Но не всё так просто. На больших скоростях (у БОПС до 1500-1800 м/с и выше) баллистические волны, а следовательно и дополнительные тормозящие силы, создаются от любой неровности, а ведь вся боковая часть подкалибера имеет нарезку. Кроме того, на определённых скоростях конус разреженного воздуха становится шире оперения и оно фактически не работает. Сделаешь оперение большим — оно начнёт сильно тормозить. Потому надо оптимизировать форму баллистического наконечника на определённые скорости работы, на других точность стрельбы начнёт заметно падать, что некритично для БОПС, работающим по целям в прямой видимости.
Кроме этой радости, БОПС из-за их высокой скорости и несимметричности конструкции начинает вибрировать с высокой частотой (до десятков кГц). Эти колебания передаются либо на корпус лома, либо сразу на его сердечник в зависимости от конструкции. Поэтому на больших дистанциях в длинных тонких БОПС возникает усталость металла, которая может привести к поломке при встрече с бронёй. Производство таких снарядов требует крайне высокой точности производства, качества материала, а отсюда и высокие цены.
Сопротивление от встречного потока и турбулентность сзади ещё не все приколы, как может атмосфера влиять на наш снаряд. Сильно, особенно на дистанции, влияет боковой снос ветра, который постоянно давит на самую большую поверхность — боковую. Тут снова возникают проблемы у оперения — работает как парус. От этого сильно страдают РПГ/СПГ/НУРС с их огромными плоскостями, большой площадью боковой поверхности боеприпаса и медленным неуправляемым полётом. Для учёта такого сноса те же танки используют датчики ветра, вносящие в СУО поправки. Но т.к. ветер может на дистанции меняться и не раз, немцы на своих Leopard 2 отказались от учёта ветра.
Ядра, к слову, тоже не без греха. Из-за неточности при изготовлении они получают небольшую закрутку и начинают в полёте отклоняться за счёт силы Магнуса. Не того, который не предавал, а того, кто открыл счёт влияние пограничного слоя любого тела в жидкости или газе. Наше ядро как бы уплотняет среду с одной стороны, а при набегающем потоке воздуха возникает перпендикулярная ему сила, которая сдвигает боеприпас в сторону. Самый простой пример — это изменение траектории «кручёного» футбольного мяча. В артиллерии силу Магнуса сейчас можно встретить при рассыпании круглых суббоеприпасов из кассет.
Отклонения по массе боеприпасов могут играть злую шутку, потому после производства выстрелы взвешивают и наносят маркировку по этим косякам. Если всё нормально, то просто ставят буковку Н, т.е. масса нормальная, отклоняется от табличной не более чем на 1/3%. Если масса ниже табличной на 1/3 — 1%, то ставят знак «-», если на 1 — 1 2/3% — «- -» и т.д. до «- - - -» с шагом 2/3%. Аналогично поступают, когда боеприпас тяжелее нормы, но тогда вместо «-» рисуют «+».
Сложно? Тут ещё просто, ведь реальный снаряд, особенно дальнобойной артиллерии, при полёте выходит в стратосферу, а самые дальнобойные баллистические ракеты — до термосферы (это где сейчас летает МКС). Это означает резкие перепады давления, скорости и направления ветра, попадания в осадки и т.п., что так или иначе влияет на скорость звука, плотность среды и тем самых волн-уплотнений, меняется сама скорость снаряда. Кроме этого влияет вращение Земли, изменение гравитации за счёт наличия или отсутствия полезных ископаемых, восходящие потоки воздуха в зависимости от рельефа и т.п. и т.д. Поэтому ещё в 60-е — 70-е пришли к мысли, что дальше 30-40 км неуправляемыми снарядами и ракетами лучше не стрелять, слишком много факторов будут мешать точной стрельбе.
Все эти и ещё ряд не названных факторов в итоге выливают в такие характеристики, как точность и кучность. Первое — это то, как близко к точке прицеливания можно попасть. Здесь очень много зависит от верного прицела/СУО, хорошего расчёта и нормального . Второе — какое расстояние между попаданиями. Здесь больше сказываются возможности самого орудия. Чем объяснять на словах, тут проще нарисовать:
Реальный пример стрельбы, когда всё плохо: в 1942 г. немцы притащили свою 800-мм пушку Дору (она же Kanone-E) под Севастополь. По 30-й батарее выпустили 4 снаряда. 1 и 2 упали в море более чем в километре за батареей, 3 дал недолёт в 120 м, 4 не долетел на 400 м, почти попав в позиции своей пехоты.
Кучность орудия лучше оценить по срединным отклонениям: это радиусы эллипса, куда попадает половина выпущенных снарядов. Если стреляем прямой наводкой, то встречаем отклонения по высоте и боковые, если же по крутой траектории — то боковые и по длине. Чтобы получить полный размер эллипса, куда могут улететь снаряды, нужно эти табличные отклонения умножить на 8. Для ракетного вооружения и высокоточного в частности применяется понятие КВО — кругового вероятного отклонения (на английском CEP — Circular Error Probable). Это радиус круга, в который попадут 50% боеприпасов.
Высотокочку нельзя считать светом с небес над Мордором неуправляемых снарядов. Там тоже есть свои проблемы, связанные с ценой систем, помехозащищённостью, работой по площадным целям, метеозависимостью некоторых системы наведения и т.п. Точно в миллиметр в миллиметр никакое ВТО не выдаст КВО и от него это не требуется. Главное, чтобы снаряд попадал в типовую для себя цель (для оружия против небольших защищённых целей это что-то типа танка или ДОТа) или же вражина оказывалась в зоне поражения (для фугасных, осколочных, кассетных боеприпасов и оружия массового поражения).
Как видим, чтобы нормально стрелять, нужна хорошо работающая голова, надёжная и качественная техника и хорошая электроника.
Историческая группа коллектива авторов
Моя группа про артиллерийское и ракетное вооружение: https://vk.com/artillery333