152 мм фугасный снаряд

Автоматика разгрузки станции на базе УПАЭ

Необходимость применения автоматики разгрузки (АРС) электростанции обусловлена требованиями обеспечения устойчивости энергосистемы при выдаче станцией мощности. Кроме того, данная автоматика необходима, чтобы предоставить в распоряжение ЦСПА воздействия вида «отключение генерации» (ОГ) на станции, участвующей в ЦСПА.

В задачу АРС на базе УПАЭ входит контроль за состоянием блоков (гидрогенераторов) станции, в том числе получение ТИ замеров активной мощности. Доаварийными входными дискретными параметрами
для комплекса АРС являются сигналы состояния оборудования («ремонт/работа»), сигналы о возможности привлечения блока для нужд ПА.

Как правило, комплекс АРС встроен в общую систему противоаварийной автоматики энергообъекта. Пусковыми сигналами (ПО) комплекса АРС могут служить сигналы, предписывающие комплексу снизить генерацию на определенное количество МВт.

Источниками пусковых сигналов комплекса АРС могут служить смежный комплекс централизованной ПА (АПНУ), устройства локальной ПА (МКПА, МКПА-2). Пусковые сигналы со смежных объектов передаются с помощью УПАСК.

В качестве управляющих воздействий АРС могут выступать дискретные команды разгрузки турбин, команды отключения блоков или генераторов, команды отключения нагрузки и т. п.

Комплекс АРС может быть реализован как с возможностью выбора блоков под отключение вручную, так и с автоматическим выбором блоков под отключение, где критериями являются: допустимость привлечения блока, генерация блока, отсутствие запрета для персонала на отключение блока. Автоматический выбор блоков должен производиться таким образом, чтобы отключить минимальное число блоков, необходимое для реализации требуемого объема УВ. При значительном отключении генерации АРУ может формировать балансирующее УВ отключения нагрузки (ОН).

В случае использования УПАЭ на ГЭС может быть предусмотрен цифровой стык с ГРАМ, возможность пуска гидрогенераторов из резерва.

Рисунок 4.
Структурная схема комплекса АРС на базе УПАЭ

Разработки активно-реактивных снарядов под кодовым названием «специальные боеприпасы» в начале 1943 года у нас вел Наркомат авиационной промышленности, а конкретно — НИИ-1. Цель — увеличение дальности стрельбы при использовании стандартных орудий. По заданию Главного артиллерийского управления снаряды разрабатывались для дивизионной пушки ЗИС-3 (76 мм), корпусной пушки обр. 1910/34 г. (152 мм) и полкового миномета (120 см). На довольно-таки старую 152-мм пушку выбор пал, возможно, потому, что ее снаряды и заряды были унифицированы с новым корпусным орудием — пушкой-гаубицей МЛ-20.

Непослушные шашки

76-мм АРС был получен в итоге переделки штатной осколочно-фугасной гранаты массой 6,28 кг. Поскольку в снаряд необходимо было встроить двигатель, пришлось разделить его в винтной перегородкой на собственно боевую часть с разрывным зарядом и реактивную камору, куда помещалась одноканальная шашка пороха Н-40/8−150 массой 0,285 кг. Газы от сгорания пороха истекали через шесть сопел в дне снаряда, в нем же предусматривалось отверстие для воспламенителя. Что характерно для АРС, из-за введения реактивного заряда вес взрывчатого вещества в снаряде уменьшился с 760 г до 200 г. При этом дальность увеличилась всего на полтора километра — с 13,3 до 14,8 км.

128-мм немецкий АРС со средним расположением реактивного заряда

152-мм АРС массой 43,6 кг также был создан на базе штатного пушечного осколочно-фугасного снаряда. А вот 120-мм АРС представлял собой новую конструкцию массой 31,5 кг против штатной 120-мм мины массой 16 кг.

В ходе полигонных испытаний 1944−1945 годов выяснилось, что в 76-мм и 152-мм АРС пороховые шашки растрескивались при выстреле. Это приводило к неравномерности сгорания топлива, скачкам давления и в результате к взрыву. Исключением стали 120-мм минометные снаряды — видимо, сказалось то, что они конструировались заново. Однако испытать их в деле не удалось: война подошла к концу.

Тем же путем

Знаменитый ракетный конструктор Борис Черток в своих воспоминаниях о поездках в послевоенную Германию для изучения инженерного наследия Третьего рейха как-то заметил, что, несмотря на расстояния, границы и военно-политические преграды, наука и в СССР, и в Германии, и в США развивалась параллельными путями, будто бы ученых соединяла некая телепатическая связь. Изучая немецкие трофеи, представители советского оборонпрома могли убедиться, что и тема АРС была вполне близка нашим только что поверженным противникам.

76-мм советский АРС

Работы над активно-реактивными снарядами были начаты в Германии в 1934 году, и сразу перед конструкторами обозначились главные проблемы. Мало того, что необходимость размещения реактивной каморы снижала вес разрывного заряда, так еще и ухудшилась кучность стрельбы: стабилизация в полете ракеты — задача куда более сложная, чем стабилизация пушечного снаряда. Первоначально опыты шли с калибрами 75 и 100 мм, а в качестве ракетного топлива использовался черный порох. Однако тут у немцев возникли те же сложности, что и позже у отечественных конструкторов: пороховые шашки трескались, снаряды преждевременно взрывались.

Лишь в 1938 году фирма ДАГ в городе Дюнеберге смогла создать технологию прессования прочных шашек бездымного пороха и надежную схему воспламенения. Только тогда удалось добиться от снарядов надежности и увеличить их дальность на 30%.

Действительно ли пороховой ускоритель заметно повышал дальность орудийного выстрела?

Наибольший «прирост» дальности советским конструкторам удалось получить при создании АРС на базе 152-мм штатного пушечного осколочно-фугасного снаряда. Новый снаряд имел вес 43,6 кг, а его пороховой заряд состоял из шашки пороха НГВ марки 110/10−300 весом 4,35 кг. Вес взрывчатого вещества пришлось уменьшить с 6,25 кг до 4,55 кг. Зато реактивный двигатель сообщал снаряду дополнительную скорость 200 м/с, что приводило к увеличению дальности с 16,2 км до 22,45 км. Таким образом, из всей советской артиллерии дальше (до 25 км) могла стрелять только 152-мм пушка большой мощности БР-2, а их в АРГК имелось только 30 штук.

В 1939 году был разработан 150-мм активно-реактивный снаряд R.Gr.19 для тяжелых полевых гаубиц обр. 18 и 18/40. После испытаний снаряд был принят на вооружение.

Дотянуться до Британии

Несмотря на ряд удачных конструкций, немцы быстро поняли, что преимущества активно-реактивной схемы могут максимально проявиться в применении не к полевой артиллерии, а к сверхдальней стрельбе. В эпоху, когда ракетное оружие еще недостаточно показало свою эффективность, Германия делала ставку на гигантские пушки и гигантские снаряды. Одной из таких суперпушек стало железнодорожное орудие K5 (E) калибром 280 мм. Орудие длиной 32 м весило 218 т и базировалось на двух шестиосных железнодорожных платформах.

Чтобы увеличить дальность стрельбы, в ходе войны для этой пушки, прозванной «Стройной Бертой», были созданы активно-реактивные снаряды Raketen-Granate 4341 массой 245 кг. В качестве топлива в двигателе было 19,5 кг дигликолевого пороха. Дальность стрельбы Raketen-Granate 4341 составляла 87 км, то есть пушка могла из Кале или Булони обстреливать ряд южных британских городов.

Впервые на сверхзвуке

Однако самое интересное развитие тема артиллерийского снаряда с реактивным ускорением получила в работах немецкого конструктора Вольфа Троммсдорффа. Вместо порохового ускорителя он задумал снабдить снаряд… воздушно-реактивным двигателем прямоточного типа. Свою идею Троммсдорфф предложил Управлению вооружений Третьего рейха еще в октябре 1936 года, и германские военные чиновники приняли идею неожиданно благосклонно. Ученому была выделена лаборатория для экспериментов со знаменитой «ахт-комма-ахт» — зенитной пушкой калибра 88 мм, легшей позже в основу целой линейки полевых и танковых орудий. Снаряд Е1 (по некоторым данным, подкалиберный, с поддоном) был впервые испытан в 1939 году, правда поначалу не с прямоточным двигателем, а с ускорителем в виде пороховой шашки. В 1942-м, наконец, прошли испытания снаряда с жидким топливом, в качестве которого выступала смесь сероуглерода и дизельного топлива. Окислителем был, естественно, атмосферный кислород. Снаряд полетел со скоростью 920 м/с, что составляет примерно 3 М. Так впервые в истории был продемонстрирован сверхзвуковой полет с помощью воздушно-реактивного двигателя. На достигнутом Троммсдорфф не остановился, и в ходе Второй мировой разработал снаряды для калибров 105 мм (Е2), 122 (Е3) и 150 (Е4). Последний развивал скорость до 4,5 М, используя в качестве топлива тот же сероуглерод.

В 1943 году был создан снаряд С1 для 210-мм пушки. Из 90 кг массы этого снаряда 6 кг приходилось на ракетное топливо. Благодаря работе прямоточного двигателя скорость снаряда С1 достигла 1475 м/с, а дальность — 200 км.

D-6000: проект межконтинентальной крылатой ракеты. На эскизе хорошо заметно имеющее форму веретена центральное тело диффузора — одного из главных элементов прямоточного двигателя

Насилие над воздухом

Далее Троммсдорффу предстояло выступить уже в тяжелом весе. Вдохновленный опытами с АРС, которые предназначались для суперпушки К5 (E), конструктор берется за создание дальнобойного мегаснаряда С3, в котором в роли ускорителя вместо ракетного двигателя выступит воздушно-реактивный прямоточный двигатель. При заявленной длине 1,35 м, массе 170 кг и калибре 280 мм С3 должен был развивать скорость до 5,5 М и лететь на расстояние 350 км, что вполне позволило бы с французского берега держать добрую половину Англии под обстрелом. Дульная скорость снаряда составляла бы при этом 4400 км/ч. В качестве топлива в двигателе предполагалось использовать дизельное топливо, которое поджигалось раскаленным от сжатия воздухом (как это происходит в дизельном ДВС). Кстати, именно достижение нужной плотности воздуха составляет одну из основных проблем при проектировании прямоточных двигателей. У двигателей этого типа в отличие от турбореактивных нет турбины-компрессора, и сжатие воздуха производится в ходе торможения набегающего потока в специальном входном устройстве — диффузоре. Воздух обтекает иглу (конический выступ) центрального тела диффузора, а затем устремляется в кольцевой канал. Конфигурация центрального тела такова, что в процессе обтекания вокруг него происходят скачки уплотнения — несколько косых скачков и один замыкающий прямой. Такая многоскачковая схема, позволяющая избежать потерь при торможении воздуха, была разработана словенско-австрийским исследователем в области газодинамики Клаусом Осватичем (1910 — 1993). Вольф Троммсдорфф имел возможность пообщаться лично с Осватичем и другими корифеями газодинамики вроде Людвига Прандтля, когда еще до войны был приглашен на работу в знаменитый Институт Кайзера Вильгельма (ныне — Макса Планка) в Геттингене. Позже конструктору удалось проверить и применить идеи своих консультантов на практике. Однако, судя по всему, ни одного выстрела снарядом С3 из пушки K5 (E) до окончания войны произведено так и не было.

Орудие K.5 Schlanke Berta

Проектирование 280-мм сверхдальнобойной железнодорожной пушки K5 (E) было начато фирмой Круппа в 1934 году. Первый ствол был отстрелян в 1936 году. Пушка K5 (Е) имела очень длинный ствол, в 1,5—2 раза длиннее, чем другие железнодорожные или морские 280-мм орудия. За это немецкие солдаты называли K5 (Е) «Стройной Бертой» («Schlanke Berta»). К 1 сентября 1939 года на вооружении было три пушки K5 (E) и 360 выстрелов со снарядами Gr.35. Стоимость одной установки составляла 1,25 млн. рейхсмарок. В 1939 году было изготовлено две установки K5 (Е), в 1940 году — 3, в 1941 году — 2, в 1942 году — 8, в 1943 году — 2 установки. Первые образцы стволов предназначались для стрельбы снарядами с готовыми выступами и имели 12 глубоких нарезов (глубина 6,75 мм). Ширина нарезов 15,88 мм, крутизна постоянная 5,5°.

Предвестник «Бури»

Логическим продолжением работ Троммсдорффа над АРС с прямоточным двигателем стал проект D-6000- одна из попыток нацистских инженеров дать Рейху «длинные руки» и предложить асимметричный ответ тотальному господству англо-американской бомбардировочной авиации. Речь идет о межконтинентальной крылатой ракете, которая теоретически могла бы дотянуть карающий меч с европейских берегов до Нового Света. Поначалу D-6000 виделась как двухступенчатая система. По замыслу Троммсдорффа, ракета длиной 10,2 м, диаметром 1,12 м и массой 9 т должна была подниматься с помощью бомбардировщика на высоту 8 000 м, откуда предполагалось производить запуск. На более поздней стадии разработки темы пуск было решено проводить с установленной на земле катапульты. После старта закрепленные на концах крыльев твердотопливные ускорители разгоняли бы D-6000 до 850 м/с, после чего включался прямоточный двигатель. Он должен был довести скорость снаряда до 3,55 М и отправить его в крейсерский полет на высоте 24 000 м. Потратив 5 т топлива, ракета, если бы она когда-нибудь воплотилась в металле, могла бы забросить БЧ массой 1 т на расстояние 5300 км. Есть также неподтвержденные сведения о том, что в качестве первой ступени для запуска этого снаряда рассматривалась баллистическая ракета типа V-2, однако сама V-2 в том виде, в каком мы ее знаем, не смогла бы справиться с этой задачей из-за недостаточной мощности. D-6000 так и осталась проектом, однако у нее, похоже, есть неофициальные потомки. В 1940 — 1950-х годах в СССР и США велись разработки межконтинентальных сверхзвуковых крылатых ракет с прямоточным воздушно — реактивным двигателем для доставки ядерной БЧ на территорию вероятного противника. В Америке это проект North American Navaho, а в нашей стране — Ла-350 «Буря», которую построили в КБ Лавочкина. Оба проекта привели к созданию летающих образцов, и оба были прекращены по одной и той же причине — для поставленной задачи баллистические ракеты оказались более перспективными.

Таинственное десятилетие

Важно заметить, что с идеями Троммсдорффа советским конструкторам удалось познакомиться непосредственно. После окончания войны на территории побежденной Германии советские власти в глубочайшей тайне создали два ракетных НИИ, задачей которых было активное освоение опыта немецких конструкторов, в том числе при непосредственном их участии. Один из этих НИИ был организован на базе берлинского завода «Гема» и получил название «Берлин». Перед институтом ставилась задача сбора материала о созданных в Германии зенитных управляемых ракетах и наземных реактивных снарядах и повторения этих конструкций в металле. «Берлин» подразделялся на несколько КБ. Например, КБ-2 изучало ЗУР «Вассерфаль», КБ-3 — ЗУР «Шметтерлинг» и «Рейнтохтер». А вот на долю КБ-4 под руководством Н.А. Судакова выпала работа с наследием Троммсдорффа, причем сам ученый занял в этом КБ должность ведущего конструктора. На тот момент в центре интереса советского оборонпрома оказались АРС С3 — те самые 280-мм снаряды, которые выстреливались из К5. Троммсдорффу было предложено сделать доработанный вариант АРС, который предполагалось испытать на отремонтированных трофейных орудиях. Однако по не очень понятной причине работы над АРС были некоторое время спустя свернуты. Возможно, свою роль сыграла война амбиций между советскими главными конструкторами.

Вольф Троммсдорфф не самая знаменитая фигура среди ракетчиков Третьего рейха, и потому о его судьбе после работы в КБ-4 института «Берлин» известно не так уж много. В отечественных источниках приходится встречать сведения о том, что конструктор погиб в конце 1946 года в авиакатастрофе, которую потерпел советский военно-транспортный самолет. Возможно, в этих сообщениях мы слышим отголоски неких официальных версий, призванных объяснить, куда внезапно делся из Германии известный ученый. Однако, судя по всему, версия о гибели Троммсдорффа в катастрофе не соответствует действительности. В 1956 году авторитетнейший журнал об авиации Flight Global рассказал в одном из своих номеров о научном симпозиуме, прошедшем в том же году в Мюнхене. Задача симпозиума заключалась в том, чтобы обобщить опыт немецких ученых и конструкторов времен Второй мировой в области изучения реактивного движения и постройки ракетных и воздушно-реактивных двигателей. Журнал сообщает, что на симпозиуме с лекцией о своих проектах от E1 до D-6000 выступил сам Вольф Троммсдорфф, недавно вернувшийся из советского плена. Это очень похоже на правду, если учесть, что как раз накануне, в 1955-м, СССР официально освободил последних пленных Второй мировой. Кроме того, именно в 1956 году в Германии вышла небольшая книга с отчетом о работах по прямоточному двигателю, автором которой значится Троммсдорфф. В ней автор, в частности, подтверждает, что испытания снаряда типа С3 все же были проведены (вероятно, под контролем советских представителей), и он продемонстрировал характеристики, соответствовавшие проектным. Однако о том, какие еще работы вел немецкий ракетчик, почти десятилетие находясь в Советском Союзе, неизвестно. Возможно, об этом что-то знают архивы отечественных аэрокосмических предприятий.

Статья «Снаряд с ракетным сердцем» опубликована в журнале «Популярная механика» (№5, Май 2012).

Предел
скорости
артиллерийских
снарядов

Артиллерийский снаряд движется в стволе под воздействием движущихс­я пороховых газов, поэтому скорость его движения не может быть больше скорости движения пороховых газов вдоль ствола орудия. Скорость движения пороховых газов вдоль ствола является величиной также ограничен­ной. Она определяется температурой газа и степенью его расширения. Точнее, скорость движения пороховых газов вдоль ствола орудия определяется, во-пер­вых, скоростью молекул пороховых газов, которая определяется температурой газа и, во-вторых, степенью расширения газа. В данном случае необходимо от­личать скорость движения молекул от скорости движения пороховых газов вдоль ствола. Под скоростью движения газа вдоль ствола понимается скорость движения массы газа относительно ствола. Эта скорость зависит от температу­ры газа и степени его расширения. Под скоростью движения молекул понима­ется скорость их хаотического движения в постоянном объеме. Эта скорость за­висит только от температуры газа и его природы.

Итак, пределом скорости снаряда для существующих артиллерийских орудий является скорость свободного (при отсутствии снаряда) движения поро­ховых газов вдоль ствола. При отсутствии снаряда движение пороховых газов в стволе аналогично движению газов в сопле или насадке, и артиллерийский ствол в данном случае является ничем иным, как соплом или насадком из кото­рого истекает газ. При уменьшении веса снаряда истечение газа из ствола будет приближаться по своему характеру к истечению газа из сопла, и при бесконеч­но малом весе снаряда истечение газов из ствола будет совершенно аналогично истечению газов из сопла. При постоянном весе снаряда, но при увеличении веса заряда, истечение газов из ствола по своему характеру также будет прибли­жаться к истечению газов из сопла.

В первом варианте, когда в стволе находится ограниченный заряд и бес­конечно малый снаряд, давление и температура газов в стволе, достигнув мак­симальной величины в какой-то момент сгорания пороха, начнут падать. После того, как полностью сгорит весь заряд, начнётся адиабатическое расширение газа. Скорость истечения газа в данном случае будет определяться той макси­мальной температурой и максимальным давлением, которые были достигнуты в стволе, и той степенью расширения, которую обеспечивает длина ствола. Ха­рактер истечения после сгорания пороха будет аналогичен истечению из расширяющегося сопла Лаваля.

Во втором варианте, когда величина заряда и геометрическая форма по­роха таковы (идеальный случай), что смогут обеспечить постоянный приток газа, поддерживая тем самым постоянное давление в стволе в период движения в нем снаряда, адиабатического расширения в стволе происходить не будет. Скорость движения газа в стволе в данном случае будет определяться той тем­пературой и тем давлением, которые были достигнуты в стволе и постоянство которых будет поддерживаться постоянным притоком газов. Характер истече­ния будет аналогичен истечению из цилиндрического сопла или насадка.

Скорость истечения газа из расширяющегося сопла определяется соотно­шением:

(1)

и, как видно, зависит от природы газа (показатель адиабаты К), его параметри­ческого состояния (температура Т и давление P) и степени его расширения.

Скорость истечения газа из цилиндрического сопла определяется соотно­шением:

(2)

и зависит также от природы газа и параметрического состояния. Эта скорость является критической.

В первом варианте скорость движения газа в стволе, определяемая соот­ношением (1), будет являться средней величиной, относящейся ко всей массе газа. Однако мы знаем, что у дна ствола газ не движется относительно ствола, поэтому энергия молекул газа, находящихся у дна ствола будет передаваться со­седним со стороны дульного среза слоям газа, скорость которых будет увеличи­ваться. Таким образом, скорость движения газа вдоль ствола, равная нулю у дна ствола, будет все время возрастать по мере приближения к дульному срезу. Слои газа, находящиеся ближе к дульному срезу, будут иметь скорость движе­ния вдоль ствола большую, чем скорость, определенная по соотношению (1), а слои газа, находящиеся ближе ко дну ствола, будут иметь скорость меньшую скорости, определенной по соотношению (1). Общая же суммарная скорость движения газа вдоль ствола будет равна скорости, определенной по соотноше­нию (1), поскольку она определяется только запасом энергии газа.

Во втором варианте весь газ будет двигаться вдоль ствола с постоянной критической скоростью, которая определяется соотношением (2) и которая под­держивается постоянным притоком газа, обеспечивающим постоянство макси­мальной температуры и максимального давления в стволе.

1-й вариант относится ко всем существующим системам огнестрельного оружия. 2-й вариант является ничем иным, как истечением газа из цилиндри­ческого сопла.

Возьмём обыкновенный артиллерийский ствол и начнем сжи­гать в нем постоянно увеличивающийся заряд пороха, начиная от какого-то очень малого его значения, причем геометрические размеры формы пороха в каждом случае будут таковы, что при сгорании его будет обеспечено постоян­ство величины максимальной температуры и максимального давления в стволе. При той величине заряда, которая при мгновенном взрыве создаст установленное максимальное давление и темпера­туру, и при той длине ствола, которая обеспечит расширение газа до величины, близкой к атмосферному давлению, скорость движения первых слоёв газа у дульного среза будет наибольшей, поскольку вся потенциальная энергия газа будет превращаться в энергию движения газа в самом стволе. При изначальном увеличении заряда пороха скорость движения первых слоёв газа у дульного среза будет уменьшаться, поскольку будет уменьшаться степень расширения газа в стволе. Такое уменьшение скорости движения первых слоёв газа у дульного среза будет происходить до тех пор, пока заряд не обеспечит величину притока газа, равную расходу газа через ствол как цилиндрическое сопло, т.е. пока не наступит второй вариант истечения газа. Скорость движения газа в стволе в этом случае будет постоянной и равной критической скорости истечения из цилиндрического сопла. При дальнейшем увеличении заряда с этого момента скорость движения газа в стволе, равная критической скорости, не будет меняться. Увеличение заряда будет лишь увеличивать тот промежуток времени, в течение которого будет поддерживаться постоянство величины критической скорости движения газа.

При увеличении параметрического состояния газа (– силы по­роха) будет увеличиваться критическая скорость движения пороховых газов по соотношениям (1) и (2), а поэтому будет увеличиваться и предел скорости сна­ряда. Увеличение давления и температуры в стволе или, что то же самое, увели­чение силы пороха ограничивается прочностью и износоустойчивостью ствола и не может быть произведено на сколько-нибудь значительную величину. Современные артиллерийские системы рассчитаны на температуру 2300-3000оC и давление 2000-3500 кг/см2, что примерно соответствует силе пороха f = 800000-1000000 кг дм/кг. Дальнейшее повышение температуры и давления свыше этих величин становится нецелесообразным, т.к. при высоких температурах происходит сильный износ ствола, а увеличение давления требует большого увеличения прочности ствола. Далее, при высоких температурах мо­жет иметь место диссоциация молекул газа, что связано также с потерей тепло­вой энергии газа. Поэтому при современном состоянии развития артиллерии критическая скорость истечения газа, соответствующая силе пороха 800000-1000000 кг дм/кг является предельной скоростью, а скорость свобод­ного движения первых слоев газа в стволе является той предельной скоростью снаряда, к которой мы можем стремиться.

Увеличивая вес заряда при постоянном весе снаряда и постоянной длине ствола, мы будем приближать скорость снаряда к скорости свободного движе­ния первых слоёв газа в стволе и, одновременно, увеличивая вес за­ряда мы уменьшаем эту скорость свободного движения первых слоёв газа, к ко­торой стремится скорость снаряда. В предельном случае, когда величина заряда будет увеличена на столько, что вступит в силу второй вариант истечения газа, скорость снаряда и скорость течения газа примут одинаковое значение и при дальнейшем увеличении заряда пороха останутся неизменными.

Возьмем конкретный пример – 76-мм пушку образца 1902г. — и найдем для нее кривые скорости движения первых слоёв газа у дульного среза и скоро­сти снаряда в зависимости от изменения веса заряда пороха. Для этой пушки имеем:

Сила пороха= 900000 кг дм/кг.

Максимальное давление = 250000 кг/дм2.

Вес снаряда = 6,5 кг.

Вес заряда= 0,93 кг.

Скорость снаряда у дульного среза= 595 м/сек.

Давление газа у дульного среза= 63000 кг/дм2.

Длина пути снаряда= 18,44 дм.

Объем каморы сгорания= 1,654 дм3.

Путь, пройденный снарядом
при максимальном давлении в стволе = 2,24 дм.

Путь, пройденный снарядом
по окончании горения пороха= 6,093 дм.

Давление газа в конце горения пороха= 199100 кг/дм2.

Площадь сечения ствола= 0,4693 дм2.

Показатель адиабаты
(средняя величина для артиллерийских орудий)= 1,2.

По соотношению (1) найдем среднюю скорость движения газа в стволе a, для чего найдем значения и, необходимые для подстановки.

1. Расчетное давление, отличное от максимального давленияв ство­ле, найдем по соотношению из термодинамики

(3) ,

где:

– максимальное давление в стволе и является ничем иным как крити­ческим давлением при критической скорости течения газа в сопле;

– давление газа в момент сгорания, соответствующее неподвижной массе газа (в термодинамике соответствует давлению в котле или каморе сгора­ния).

Соотношение (3) применяется в термодинамике для определения крити­ческого давления в критическом сечении сопла по известному давлению в котле или камере сгорания. В нашем случае наоборот, по известному критиче­скому давлению, представляющему из себя ни что иное как максимальное дав­ление в стволе, находим значениедля подстановки в соотношения (1) и (2).

.

Для того чтобы убедиться в правильности этой выкладки возьмем артил­лерийский ствол, в котором газ имеет давление температуруи за­нимает объем. Это параметрическое состояния газа обуславливает среднюю скорость хаотического движения молекул газа ai. Поскольку молекулы газа в неизменяющемся объеме движутся равномерно по всем направлениям и с оди­наковой скоростью, то кинетическая энергия движения молекул по направле­нию осибудет составлять 1/3 общей энергии движения газа, т.е.

,

где mi – масса молекул газа.

Точно также кинетическая энергия движения молекул газа по направле­нию осейи по направлению осейбудет составлять также 1/3 общей энер­гии движения газа, т.е.

.

Такая картина будет наблюдаться только тогда, когда объем газа не изме­няется, т.е. газ не расширяется и не сжимается. Если же газу будет предоставле­на свобода движения в каком-нибудь направлении, скажем в направлении оси(в направлении оси ствола), то молекулы газа, двигающиеся в направлении осии имеющие 1/3 общего запаса энергии, будут уходить из ранее занимае­мого объема. При этом энергия движения молекул газа в направлении осейиуменьшится на соответствующую величину, поэтому и давление газа на стенки ствола также уменьшится на определённую величину. Значит, в артил­лерийском стволе, поскольку газу предоставлена свобода движения в направле­нии ствола, давление газа будет меньше, чем это было бы в случае, если бы газ не имел возможности движения в стволе. Это явление совершенно аналогично явлению течения газа в сопле или насадке, когда неподвижный газ в камере сгорания имеет давление, а движущийся с критической скоростью газ имеет критическое давление. При отсутствии снаряда в стволе газ будет двигаться также с критической скоростью, и давления газа в стволе при этом будет также критическим. Поэтому мы можем принять максимальное давление газа в ство­ле за критическое и по соотношению (3) подсчитать расчетное давление, необходимое для нахождения скорости первых слоёв газа в стволе.

2. Необходимое для подстановки в соотношение (1) значение давления P, которое является ни чем иным, как давлением газа у дульного среза –при взрыве заряда в стволе без снаряда, будет больше, чем давление газа у дульного среза при взрыве заряда с наличием снаряда в стволе, т.е. 63000 кг/дм2. Это вполне понятно, т.к. снаряд на свое движение поглощает соответствующую часть энергии заряда. Для нахождения этого давления определим минимальное значение заряда, которое обеспечит при мгновенном взрыве давление в каморе сгорания в 250000 кг/дм2, т.е. максимальное давление. Для чего по соотноше­нию для определения максимального давления в стволе при мгновенном взры­ве заряда найдём плотность заряжаниядля мгновенного взрыва.

,

где:

– максимальное давление (кг/дм2),

– сила пороха,

– вес снаряда (кг),

– площадь сечения ствола (дм2),

– приведенная длина свободного объема каморы в начале движения снаряда

,

где:

— плотность заряжания,

— коволюм.

Подставляя в соотношение для максимального движения значение, по­лучим

,

отсюда

.

Подставляя конкретные значения, получим

.

Отсюда,

но т.к ,

то величина заряда, обеспечивающая максимальное давление при мгновенном взрыве, будет равна

.

Значит 0,359 кг пороха при мгновенном взрыве создадут максимальное давление в каморе сгорания в 250000 кг/дм2 в объеме 1,654 дм3. Отсюда, при мгновенном взрыве полного заряда (0,93 кг) давление в 250000 кг/дм2 будет обеспечено при объёме 4,28 дм3. Теперь, при расширении объёма газа 4,28 дм3 с давлением 2500000 кг/дм2 до полного объёма ствола, равного 10,3 дм3, давле­ние газа в стволе будет 104000 кг/дм2. Для убедительности сделаем такую про­верку. Поскольку известно, что при вылете снаряда из ствола в 76-мм пушке давление в стволеравно 63000 кг/дм2, то при отсутствии снаряда это давле­ние у дульного среза может быть достигнуто при мгновенном взрыве 0,565 кг пороха с максимальным давлением в стволе 250000 кг/дм2. Отсюда, на движе­ние снаряда пойдет энергия 0,93 – 0,565 = 0,265 кг пороха. Энергия 0,265 кг по­роха примерно равна 119300 кгм, если принять, что энергия 1 го килограмма пороха эквивалентна или, точнее, равна 450000 кгм (среднее значение для по­рохов называется потенциалом пороха П). Энергия снаряда весом 6,5 кг, выле­тающего со скоростью 595 м/сек будет

.

Как видно, величины энергии вылетевшего снаряда и энергии заряда ве­сом 0,265 кг весьма близки. Поэтому мы можем быть уверенными, что подсчи­танное выше давление газа у дульного среза при выстреле из 76 мм пушки без снаряда будет равно 104000 кг/дм2.

Теперь, подставляя найденные величиныидля 76 мм пушки по со­отношению (1), найдем среднюю скорость движения газа в стволе а

.

По соотношению (2) найдём критическую скорость течения газа в стволе

.

Полученная нами средняя скорость а движения массы газа в стволе име­ет две составляющие величины: критическую скорость, равную 980 м/сек, и скорость, которую газ приобрел в процессе расширения, равную 1503 – 980 = 523 м/сек ( обозначим её через).

Критическая скорость обусловлена параметрическим состоянием газа и при постоянном максимальном давлении и постоянной максимальной темпе­ратуре в стволе является величиной постоянной. Скорость расширения обу­словлена степенью расширения газа в стволе и увеличивается с увеличением последней. Поэтому для определения скорости первых слоёв газа у дульного среза воспользуемся исследованием перемещения и скорости слоёв газа при расширении его в стволе, проведенном в работах по внутренней балистике.

Согласно этому исследованию, мы имеем такую схему распределения скорости и пути слоёв газа по длине ствола и такую зависимость из­менения скорости слоёв газа в зависимости от расстояния, пройденного газом.

В данном случае, поскольку среднюю скорость расширения будут иметь средние слои газа, находящиеся на середине пути, пройденного газом в стволе, то согласно этой схеме скорость расширения первых слоёв газа ( обозначим ее ) будет равна

(4)

Отсюда, скорость движения первых слоёв газа у дульного среза (обозна­чим ее через) будет состоять из суммы критической скорости движения газа в стволе и скорости, которую приобретут первые слои газа в процессе расшире­ния газа в стволе, т.е.

.

Для 76 мм пушки скорость свободного движения первых слоёв газа у дульного среза будет

.

Учитывая потери на теплоотдачу, на трение газа о стенки ствола и другие потери, можно принять приближенно= 1900-2000 м/сек. Эта скорость яв­ляется, как уже говорилось выше, предельной скоростью снаряда для данной пушки. Если мы будем уменьшать вес снаряда, сохраняя постоянным вес заря­да, то дульная скорость снаряда будет увеличиваться и, при бесконечно малом весе снаряда, достигнет скорости, равной скорости свободного движения пер­вых слоев газа, т.е. 1900 м/сек. Если же мы будем увеличивать вес заряда, сохраняя постоянство максимальной температуры и максимального давления и оставляя неизменным вес снаряда, то скорость снаряда будет также увеличи­ваться и приближаться к критической скорости движения газа в стволе, т.е. к 980 м/сек, при достижении которой дальнейшее увеличение заряда совершен­но не будет изменять скорость снаряда.

Для нас, конечно, очень важно установить величину этого критического заряда, при котором скорость снаряда будет равна критической скорости тече­ния газа. Согласно уже решенной основной задачи внутренней балистики для этой пушки имеем следующее. Максимальное давление в 250000 кг/дм2 дости­гается при величине сгоревшей части заряда равной= 0,63 от всего заряда, т.е. при весе сгоревшего пороха, равного:

и при объёме

где:

– площадь сечения ствола;

– путь снаряда, соответствующий максимальному давлению.

,

но, т.к. полный объём ствола пушки равен:

,

то для того, чтобы обеспечивать постоянство максимального давления на всей длине ствола, мы должны сжечь очевиднокилограмм пороха:

К этой величине мы еще должны прибавить количество пороха, энер­гия которого равна энергии вылетевшего с критической скоростью снаряда, т.к. энергия заряда весом 2,23 кг будет поглощена самими газами. Кинетическая энергия снаряда весом 6,5 кг, вылетевшего со скоростью 980 м/сек будет равна:

Этим запасом энергии будет обладать примерно 0,71 кг пороха. Отсюда, критический вес заряда, при котором скорость снаряда достигает критической скорости будет:

Учитывая потери на трение, теплоотдачу и другие потери, которых мы в расчет не принимали, величину критического заряда можно принять равной приблизительно 3 кг. Здесь необходимо учесть, что этот заряд должен сжигать­ся таким образом, чтобы было обеспечено постоянство давления в стволе.

Итак, для 76 мм пушки образца 1902г. мы нашли:

  1. Скорость свободного движения первых слоёв газа, с учетом потерь, у дульного среза = 1900 м/сек;

  2. Критическая скорость течения газа в стволе= 980 м/сек;

  3. Вес заряда, при котором достигается критическая скорость течения газа (точка ‘б’)= 2,23 кг;

  4. Вес заряда, при котором снаряд достигает критической скорости (точка ‘в’) = 2,84 кг.

Для нахождения кривой скорости свободного движения первых слоёв газа у дульного среза будем задавать различные значения веса заряда, начиная от 0,359 кг, обеспечивающих при мгновенном взрыве максимальное давление в 250000 кг/дм2 и подсчитаем для них указанную скорость по вышеприведенно­му примеру.

Для того чтобы иметь ориентировочное представление о характере изме­нения скорости снаряда при изменении веса заряда от величины 0,359 кг, обес­печивающей максимальное давление при мгновенном взрыве, до величины критического заряда, равной 2,84 кг, воспользуемся уже решённой основной задачей внутренней балистики для данной пушки (см. Оппоков, Г.В., “Основные проблемы внутренней балистики”, М., 1940.) и на основании теории балистиче­ского подобия найдем приблизительные величины дульной скорости снаряда для различных значений заряда.

Для 76 мм пушки обр.1902г. имеем, что при весе заряда равном 0,93 кг дульная скорость снаряда равна 595 м/сек. Теория балистического подобия даёт такое равенство:

.

На основании этого равенства, задавая различные значения веса заряда, можно ориентировочно подсчитать соответствующие им величины дульной скорости снаряда.

Для сравнения возьмем второй конкретный пример – немецкую сверх­дальнобойную пушку, стрелявшую по Парижу в 1918г. Для этой пушки имеем:

На основании этих данных по соотношению (3) найдем расчетное давление:

.

Для нахождения расчетного значения давления P для подстановки в формулу (1) (см. расчёт для 76 мм пушки) по соотношению

найдем плотность заряжания, при которой мгновенный взрыв заряда со­здаст в каморе сгорания максимальное давление в 300000 кг/дм2.

,

отсюда,

но т.к.,

то величина заряда, обеспечивающая максимальное давление в каморе сгора­ния при мгновенном взрыве будет равна

Значит 86 кг пороха при мгновенном взрыве создадут максимальное дав­ление в 300000 кг/дм2 в объёме 358 дм3. Отсюда, при мгновенном взрыве пол­ного заряда (215 кг), давление в 300000 кг/дм2 будет обеспечено при объёме 895 дм3. Теперь, при расширении этого объёма (895 дм3 с давлением 300000 кг/дм2) до полного объёма ствола пушки, равного

давление газа в стволе будет 175000 кг/дм2. Следовательно, при выстреле из не­мецкой сверхдальнобойной пушки без снаряда давление газа у дульного среза будет 175000 кг/дм2.

Подставляя найденные значения Po и P в соотношение (1), найдем сред­нюю скорость движения газа в стволе

По соотношению (2) найдем значение критической скорости

Средняя скорость расширения газа в стволебудет

Отсюда, скорость движения первых слоёв газа у дульного срезабудет

Расчёт показывает, что достигнутая скорость снаряда 1600 м/сек в немец­кой сверхдальнобойной пушке очень близка к своему пределу 1750 м/сек.

Также как и для 76 мм пушки обр.1902 г. найдём величину критического заряда. Для создания максимального давления в каморе сгорания объёмом 358 дм3 в 300000 кг/дм2 при мгновенном взрыве потребовался заряд весом 86 кг. пороха. Значит для создания этого давления в полном объёме ствола пушки равном 1538 дм3 потребуется 370 кг пороха. Далее, снаряд весом 104 кг при кри­тической скорости 1010 м/сек будет обладать кинетической энергией, равной

Этой энергией будут обладать 12 кг пороха. Значит вес заряда, при кото­ром скорость движения газа в стволе достигнет критического значения, будет равен 370 кг, а критический вес заряда, при котором скорость снаряда достиг­нет критической скорости движения газа в стволе будет равна 370 + 12 = 382 кг. Аналогично приведенному примеру с 76 мм пушкой обр.1902 г., задавая различные значения веса заряда найдем кривые скорости снаряда и скорости движения первых слоёв газа у дульного среза.

Итак, для каждой артиллерийской системы существует свой предел ско­рости снаряда, который зависит от силы пороха и степени расширения газа, но не зависит от величины заряда. Мы брали две артиллерийские системы: 76 мм пушку обр.1902г. с отношением= 0,143 и немецкую сверхдальнобой­ную пушку с отношением= 2,06 и нашли, что предел скорости снаряда для первой системы равен 2026 м/сек, а для второй системы – 1750 м/сек.

Далее мы установили, что предел скорости снаряда с уменьшением степе­ни расширения газа в стволе стремиться к критической скорости течения газа в стволе, значение которого для существующих артиллерийских систем находит­ся в интервале 800-1000 м/сек. Скорость снаряда мы можем приближать к свое­му пределу, увеличивая отношение. При достижении крити­ческого отношенияскорость снаряда и предел скорости снаряда сравня­ются и примут постоянное значение критической скорости течения газа. Даль­нейшее увеличение отношениясверх критического значения никакого влияния на скорость снаряда и предел скорости снаряда оказывать не будет, поэтому бесполезно. В каждой артиллерийской системе с уменьшением веса снаряда при постоянном весе заряда скорость снаряда у дульного среза будет увеличиваться, приближаясь к пределу скорости снаряда. Функции этих кривых имеют максимум. Величина, соответ­ствующая максимуму функции скорости снаряда, является наивыгоднейшей. При отклонении отношенияв ту или другую сторону от наивыгоднейшей величины скорость снаряда будет уменьшаться.

В заключение этого раздела необходимо отметить, что метод увеличения скорости снаряда за счет увеличения веса заряда и длины ствола, необходимой для обеспечения полного сгорания в стволе этого заряда, ведет к значительно­му снижению полезного использования энергии заряда. Так, в 76 мм пушке обр.1902г. при отношении веса заряда к весу снаряда= 0,143 была до­стигнута скорость снаряда 595 м/сек, а в немецкой сверхдальнобойной пушке при= 2,06 была достигнута скорость снаряда только 1600 м/сек. Значит, увеличив отношениев немецкой сверхдальнобойной пушке в 14,4 раза по сравнению с 76 мм пушкой обр.1902г. Мы увеличили скорость снаряда не в 14,4 раза (8500 м/сек), а только в 2,7 раза (1600 м/сек). Поэтому один и тот же порох в 76 мм пушке совершил одну полезную работу, а в немецкой сверхдальнобой­ной пушке в 5,4 раза меньшую.

Все вышеизложенное неизбежно приводит к единственному выводу. Су­ществующий метод увеличения скорости пуль и снарядов в современном огне­стрельном оружии за счет увеличения веса заряда ( точнее за счет увеличения отношения) не может дать сколько-нибудь значительного увеличения скорости последних. Поэтому дальнейшие возможности увеличения скорости снарядов необходимо искать в принципиально новом методе использования энергии взрывчатых веществ.

Кинетические снаряды и ракеты


Основу современных сухопутных сил составляет бронетехника, представленная танками и боевыми машинами пехоты, вес которых уже перевалил соответственно за 70 тонн («Абрамс» М1А2 SEP v2, «Челленджер-2», «Меркава-Mk.4») и 40 тонн («Пума», «Намер»). В связи с этим преодоление броневой защиты указанных машин представляет серьезную проблему для противотанковых боеприпасов, которые включают в себя бронебойные и кумулятивные снаряды, ракеты и реактивные гранаты с кинетической и кумулятивной боевыми частями, а также поражающие элементы с ударным ядром.
Среди них наибольшей эффективностью обладают бронебойные подкалиберные снаряды и ракеты с кинетической боевой частью. Обладая высокой бронепробиваемостью, они отличаются от других противотанковых боеприпасов своей высокой подлетной скоростью, малой чувствительностью к воздействию динамической защиты, относительной независимостью системы наведения оружия от естественных/искусственных помех и небольшой стоимостью. Более того, эти виды противотанковых боеприпасов могут гарантировано преодолевать систему активной защиты бронетехники, все в большей степени получающей распространение в качестве передового рубежа перехвата поражающих элементов.
В настоящее время на вооружение приняты только бронебойные подкалиберные снаряды. Стрельба ими ведется преимущественно из гладкоствольных орудий малого (30-57 мм), среднего (76-125 мм) и крупного (140-152 мм) калибров. Снаряд состоит из двухопорного ведущего устройства, диаметр которого совпадает с диаметром канала ствола, состоящего из разделяемых после вылета из ствола секций, и поражающего элемента – бронебойного стержня, в носовой части которого устанавливается баллистический наконечник, в хвостовой части – аэродинамический стабилизатор и трассирующий заряд.
В качестве материала бронебойного стержня используются керамика на основе карбида вольфрама (плотность 15,77 г/куб.см), а также металлические сплавы на основе урана (плотность 19,04 г/куб.см) или вольфрама (плотность 19,1 г/куб.см). Диаметр бронебойного стержня составляет от 30 мм (устаревшие модели) до 20 мм (современные модели). Чем выше плотность материала стержня и меньше диаметр, тем большее удельное давление оказывает снаряд на броню в точке её контакта с передним торцом стержня.

Металлические стержни обладают гораздо большей прочностью на изгиб, чем керамические, что очень существенно при взаимодействии снаряда со шрапнельными элементами активной защиты или метаемыми пластинами динамической защиты. При этом урановый сплав, несмотря на несколько меньшую плотность, имеет преимущество над вольфрамовым – бронепробиваемость первого больше на 15-20 процентов из-за абляционной самозатачиваемости стержня в процессе пробития брони, начиная со скорости соударения 1600 м/с, обеспечиваемой современными пушечными выстрелами.
Вольфрамовый сплав начинает проявлять абляционную самозатачиваемость, начиная со скорости 2000 м/с, что требует новых способов ускорения снарядов. При меньшей скорости передний торец стержня расплющивается, увеличивая канал пробития и уменьшая глубину проникновения стержня в броню.
Наряду с указанным преимуществом, урановый сплав обладает одним недостатком – в случае ядерного конфликта нейтронное облучение, проникающее в танк, наводит в уране вторичную радиацию, поражающую экипаж. Поэтому в арсенале бронебойных снарядов необходимо иметь модели со стержнями, изготовленными как из уранового, так и из вольфрамового сплавов, предназначенные для двух видов военных действий.
Урановый и вольфрамовые сплавы обладают также пирофорностью – возгоранием на воздухе нагретых частиц металлической пыли после пробития брони, что служит дополнительным поражающим фактором. Указанное свойство проявляется у них, начиная с тех же скоростей, что и абляционная самозатачиваемость. Ещё одним поражающим фактором является пыль тяжелых металлов, которая оказывает отрицательное биологическое воздействие на экипаж танков противника.
Ведущее устройство изготавливается из алюминиевого сплава или углепластика, баллистический наконечник и аэродинамический стабилизатор – из стали. Ведущее устройство служит для разгона снаряда в канале ствола, после чего оно отбрасывается, поэтому его вес должен быть минимизирован путем использования композитных материалов взамен алюминиевого сплава. Аэродинамический стабилизатор подвергается термическому воздействию со стороны пороховых газов, образующихся в процессе сгорания порохового заряда, что может повлиять на точность стрельбы, в связи с чем его выполняют из жаростойкой стали.
Бронепробиваемость кинетических снарядов и ракет определяется в виде толщины плиты гомогенной стали, установленной перпендикулярно к оси полета поражающего элемента, или под определенным углом. В последнем случае приведенная пробиваемость эквивалентной толщины плиты опережает пробиваемость плиты, установленной по нормали, за счет больших удельных нагрузок при входе и выходе бронебойного стержня в/из наклонной брони.
При входе в наклонную броню снаряд образует характерный валик над каналом пробития. Лопасти аэродинамического стабилизатора, разрушаясь, оставляют характерную «звездочку» на броне, по числу лучей которой можно определить принадлежность снаряда (российский – пять лучей). В процессе пробития брони стержень интенсивно стачивается и существенно сокращает свою длину. При выходе из брони он упруго изгибается и меняет направление своего движения.
Характерным представителем предпоследнего поколения бронебойных артиллерийских боеприпасов является российский 125-мм выстрел раздельного заряжания 3БМ19, в состав которого входит гильза 4Ж63 с основным метательным зарядом и гильза 3БМ44М, содержащая дополнительный метательный заряд и собственно подкалиберный снаряд 3БМ42М «Лекало». Предназначен для использования в пушке 2А46М1 и более новых модификациях. Габариты выстрела позволяют разместить его только в доработанных версиях автомата заряжания танков Т-90.
Керамический сердечник снаряда изготовлен из карбида вольфрама, помещенного в стальной защитный корпус. Ведущее устройство выполнено из углепластика. В качестве материала гильз (кроме стального поддона основного метательного заряда) использован картон, пропитанный тринитротолуолом. Длина гильзы со снарядом равна 740 мм, длина снаряда 730 мм, длина бронебойного стержня 570 мм, диаметр 22 мм. Вес выстрела равен 20,3 кг, гильзы со снарядом 10,7 кг, бронебойного стержня 4,75 кг. Начальная скорость снаряда составляет 1750 м/с, бронепробиваемость на дистанции 2000 метров по нормали 650 мм гомогенной стали.
Последнее поколение российских бронебойных артиллерийских боеприпасов представлено 125-мм выстрелами раздельного заряжания 3ВБМ22 и 3ВБМ23, снаряжаемыми двумя типами подкалиберных снарядов – соответственно 3ВБМ59 «Свинец-1» с бронебойным стержнем из вольфрамового сплава и 3ВБМ60 с бронебойным стержнем из уранового сплава. Основной метательный заряд снаряжается в гильзу 4Ж96 «Озон-Т».
Габариты новых снарядов совпадают с габаритами снаряда «Лекало». Вес их увеличен до 5 кг за счет большей плотности материала стержня. Для разгона тяжелых снарядов в стволе используется более объемный основной метательный заряд, что ограничивает применение выстрелов, включающих снаряды «Свинец-1» и «Свинец-2», только новой пушкой 2А82, обладающей увеличенной зарядной камерой. Бронепробиваемость на дистанции 2000 метров по нормали можно оценить соответственно как 700 и 800 мм гомогенной стали.
К сожалению, в снарядах «Лекало», «Свинец-1» и «Свинец-2» имеется существенный конструкционный недостаток в виде центрирующих винтов, расположенных по периметру опорных поверхностей ведущих устройств (видные на рисунке выступы на передней опорной поверхности и точки на поверхности гильзы). Центрирующие винты служат для стабильного ведения снаряда в канале ствола, но их головки при этом оказывают разрушающее действие на поверхность канала. В зарубежных конструкциях последнего поколения вместо винтов применяют прецизионные обтюраторные кольца, что в пять раз снижает износ ствола при выстреле бронебойным подкалиберным снарядом.
Предыдущее поколение зарубежных бронебойных подкалиберных снарядов представлено немецким DM63, входящим в состав унитарного выстрела к стандартной 120-мм гладкоствольной пушке НАТО. Бронебойный стержень изготовлен из вольфрамового сплава. Вес выстрела равен 21,4 кг, вес снаряда 8,35 кг, вес бронебойного стержня 5 кг. Длина выстрела составляет 982 мм, длина снаряда 745 мм, длина сердечника 570 мм, диаметр 22 мм. При стрельбе из пушки с длиной ствола в 55 калибров начальная скорость составляет 1730 м/с, падение скорости на трассе полета заявлено на уровне 55 м/с на каждые 1000 метров. Бронепробиваемость на дистанции 2000 метров по нормали оценивается в 700 мм гомогенной стали.
К последнему поколению зарубежных бронебойных подкалиберных снарядов относится американский М829А3, также входящий в состав унитарного выстрела к стандартной 120-мм гладкоствольной пушке НАТО. В отличие от снаряда D63 бронебойный стержень снаряда М829А3 изготовлен из уранового сплава. Вес выстрела равен 22,3 кг, вес снаряда 10 кг, вес бронебойного стержня 6 кг. Длина выстрела составляет 982 мм, длина снаряда 924 мм, длина сердечника 800 мм. При стрельбе из пушки с длиной ствола 55 калибров начальная скорость составляет 1640 м/с, падение скорости заявлено на уровне 59,5 м/с на каждые 1000 метров. Бронепробиваемость на дистанции 2000 метров оценивается в 850 мм гомогенной стали.
При сравнении российского и американского подкалиберных снарядов последнего поколения, оснащенных бронебойными сердечниками из уранового сплава, видна разница в уровне бронепробиваемости, в большей степени обусловленная степенью удлинения их поражающих элементов – 26-кратная у стержня снаряда «Свинец-2» и 37-кратная у стержня снаряда М829А3. В последнем случае обеспечивается на четверть большая удельная нагрузка в точке контакта стержня и брони. В целом зависимость величины бронепробиваемости снарядов от скорости, веса и удлинения их поражающих элементов представлена на следующей диаграмме.
Препятствием к увеличению степени удлинения поражающего элемента и, следовательно, бронепробиваемости российских снарядов служит устройство автомата заряжания, впервые реализованное в 1964 году в советском танке Т-64 и повторенное во всех последующих моделях отечественных танков, которое предусматривает горизонтальное расположение снарядов в транспортере, диаметр которого не может превышать внутренней ширины корпуса, равной двум метрам. С учетом диаметра гильзы российских снарядов их длина при этом ограничивается величиной 740 мм, что на 182 мм меньше длины американских снарядов.
В целях достижения паритета с пушечным вооружением потенциального противника для нашего танкостроения первоочередной задачей на перспективу является переход к унитарным выстрелам, располагаемым вертикально в автомате заряжания, снаряды которых имеют длину не менее 924 мм.
Другие способы повышения эффективности традиционных бронебойных снарядов без увеличения калибра пушек практически исчерпали себя в связи с ограничениями на давление в зарядной каморе ствола, развиваемое при сгорании порохового заряда, обусловленное прочностью оружейной стали. При переходе к более крупному калибру размеры выстрелов становятся сопоставимы с шириной корпуса танка, вынуждая располагать снаряды в кормовой нише башни увеличенных габаритов и низкой степени защищенности. Для сравнения на фото представлены выстрел калибра 140 мм и длиной 1485 мм рядом с макетом выстрела калибра 120 мм и длиной 982 мм.
В связи с этим в США в рамках программы MRM (Mid Range Munition) разработаны активно-реактивные снаряды MRM-KE с кинетической боевой частью и MRM-CE с кумулятивной боевой частью. Они снаряжаются в гильзу стандартного выстрела 120-мм пушки с метательным зарядом пороха. В калиберном корпусе снарядов расположены радиолокационная головка самонаведения (ГСН), поражающий элемент (бронебойный стержень или кумулятивный заряд), импульсные двигатели коррекции траектории, разгонный ракетный двигатель и хвостовое оперение. Вес одного снаряда составляет 18 кг, вес бронебойного стержня 3,7 кг. Начальная скорость на уровне дульного среза составляет 1100 м/с, после завершения работы разгонного двигателя она увеличивается до 1650 м/с.
Еще более впечатляющие показатели достигнуты в рамках создания противотанковой кинетической ракеты CKEM (Compact Kinetic Energy Missile), длина которой равна 1500 мм, вес 45 кг. Старт ракеты осуществляется из транспортно-пускового контейнера с помощью порохового заряда, после чего ракета ускоряется разгонным твердотопливным двигателем до скорости почти 2000 м/с (6,5 Маха) за время 0,5 секунды. Последующий баллистический полет ракеты осуществляется под управлением радиолокационной ГСН и аэродинамических рулей со стабилизацией в воздухе при помощи хвостового оперения. Минимальная эффективная дальность стрельбы составляет 400 метров. Кинетическая энергия поражающего элемента – бронебойного стержня в конце реактивного ускорения достигает 10 мДж.
В ходе испытаний снарядов MRM-KE и ракеты CKEM был выявлен основной недостаток их конструкции – в отличие от подкалиберных бронебойных снарядов с отделяющимся ведущим устройством полет по инерции поражающих элементов калиберного снаряда и кинетической ракеты осуществляется в сборе с корпусом большого поперечного сечения и повышенного аэродинамического сопротивления, что обуславливает значительное падение скорости на траектории и снижение эффективной дальности стрельбы. Кроме того, радиолокационная ГСН, импульсные двигатели коррекции и аэродинамические рули обладают низким весовым совершенством, что вынуждает уменьшать вес бронебойного стержня, что отрицательно влияет на его пробиваемость.
Выход из этой ситуации видится в переходе к разделению в полете калиберного корпуса снаряда/ракеты и бронебойного стержня после завершения работы ракетного двигателя по аналогии с разделением ведущего устройства и бронебойного стержня, входящих в состав подкалиберных снарядов, после вылета их из ствола. Разделение может производиться с помощью вышибного порохового заряда, срабатывающего в конце разгонного участка полета. ГСН уменьшенного размера должна располагаться непосредственно в баллистическом наконечнике стержня, при этом управление вектором полета необходимо реализовывать на новых принципах.
Подобная техническая задача была решена в рамках проекта BLAM (Barrel Launched Adaptive Munition) по созданию управляемых артиллерийских снарядов малого калибра, выполненного в лаборатории адаптивных аэроструктур AAL (Adaptive Aerostructures Laboratory) университета Auburn по заказу ВВС США. Целью проекта было создать компактную систему самонаведения, совмещающую в одном объеме детектор цели, управляемую аэродинамическую поверхность и её привод.
Разработчики решили изменять направление полета путем отклонения на малый угол головной оконечности снаряда. На сверхзвуковой скорости отклонения в доли градуса вполне достаточно для создания силы, способной осуществить управляющее воздействие. Техническое решение было предложено простое – баллистический наконечник снаряда опирается на сферическую поверхность, играющий роль шаровой опоры, для привода наконечника применяются несколько пьезокерамических стержней, расположенных по кругу под углом к продольной оси. Меняя свою длину в зависимости от подаваемого напряжения, стержни отклоняют наконечник снаряда на нужный угол и с нужной частотой.

Расчеты определили прочностные требования к системе управления:
— разгонное ускорение до 20 000 g;
— ускорение на траектории до 5,000 g;
— скорость снаряда до 5000 м/с;
— угол отклонения наконечника до 0,12 градусов;
— частота срабатывания привода до 200 Гц;
— мощность привода 0,028 Ватт.
Последние достижения в области миниатюризации датчиков инфракрасного излучения, лазерных акселерометров, вычислительных процессоров и литий-ионных источников электропитания, устойчивых к высоким ускорениям (типа электронных устройств управляемых снарядов — американского Excalibur и российского «Краснополь»), делают возможным в период до 2020 года создание и принятие на вооружение кинетических снарядов и ракет с начальной скоростью полета свыше двух километров в секунду, что существенным образом повысит эффективность противотанковых боеприпасов, а также позволит отказаться от использования урана в составе их поражающих элементов.

Типы и назначение артиллерийских снарядов

Существует довольно большое разнообразие артиллерийских снарядов (никак не меньше, чем у авиабомб), каждый из которых предназначен для выполнения своих задач. Не претендуя на полному, привожу здесь описания наиболее часто встречающихся разновидностей.

Осколочные снаряды.
1. артиллерия малого калибра, 2 — среднего калибра, 3 — малого калибра зенитной артиллерии, 4 — среднего и крупного калибра зенитной артиллерии

Осколочные снаряды наземной артиллерии – предназначены для поражения открыто расположенных, или расположенных за слабыми укреплениями живой силы противника, подавления артиллерийских батарей и уничтожения легких полевых укрытий. Главная характеристика – как можно больше осколков, на возможно большей площади. Обычно бывают малого (недальнобойной – то есть с закругленным «носом») и среднего (дальнобойные – с острым «носом») калибров.

Осколочные снаряды зенитной артиллерии – предназначены для стрельбы по воздушным целям. Высотобойны, с высокой кучностью и дающие много осколков. Обычно бывают малого, среднего и крупного калибра.

Фугасные снаряды.
1 — Недальнобойный, 2 — дальнобойный

Фугасные снаряды — предназначены для разрушения полевых укреплений (блиндажей, наблюдательных пунктов), каменных зданий, живой силы и бронетехники противника. Дальнобойны, обладают высокой кучностью. Имеют прочный корпус, обеспечивающий целостность при пробитии препятствия, могут иметь взрыватель мгновенного, инерционного и замедленного действия.

Осколочно-фугасный снаряд

Осколочно-фугасные снаряды – объединяют черты фугасных и осколочных снарядов, при этом несколько уступая и тому и другому по типу действия. Снаряды имеют дальнобойную форму, калибром ниже 100 мм больше соответствуют по типу осколочным, выше 100 мм – фугасным снарядам. Могут иметь взрыватель мгновенного, инерционного и замедленного или дистанционного действия.

Бронебойные снаряды. Предназначены для стрельбы прямой наводкой по бронированным целям. Основные характеристики – мощь бронебойного действия снаряда, поражающее действие ЗА броней, высокая кучность боя.

Подкалиберный снаряд.
1 — бронебойный сердечник, 2 — поддон, 3- головка, 4 — баллистический наконечник, 5 — обтекатель, 6 — трассирующее устройство, 7 — обтекатель

Подкалиберные бронебойные снаряды. Предназначены для стрельбы прямой наводкой по тяжело бронированным целям. За счет уменьшенного веса и соответственно повышения начальной скорости, их бронебойный эффект существенно выше калиберных снарядов.

Кумулятивные снаряды.
1 — корпус, 2 — головка, 3 — разрывной заряд, 4 — металлическая воронка, 5 — центральная трубка, 6 — капсюль детонатор, 7 — предохранительный конус, 8 — трассирующее устройство, 9 — стабилизатор

Кумулятивные снаряды. Предназначены для стрельбы прямой наводкой по бронированным целям, прочным оборонительным сооружениям. Особенностью этих снарядов является то, что за счет большой кинетической энергии удара снаряда о броню, и высокой прочности снаряда, энергия снаряда имеет строго определенное направленное действие, обеспечивающее громадные повреждения цели. Основные характеристики – мощь бронебойного действия снаряда, высокая кучность боя.

Бетонобойный снаряд

Бетонобойные снаряды. Предназначены для разрушения железобетонных и бетонных, особо прочных сооружений, зданий и т.п. разумеется, могут применяться и против бронированных целей. Требования, предъявляемые к снарядам: мощное ударное и фугасное действие, высокая кучность боя и дальнобойность. Имеет очень прочный корпус и большое количество взрывчатого вещества.

Зажигательные снаряды. Предназначены для стрельбы по легко воспламеняющимся целям. Характеризуются количеством и составом зажигательной смеси, дальнобойностью и кучностью боя. Применяются для стрельбы из орудий среднего калибра.

Дымовые снаряды.
1 — Оболочка, 2 — запальный стакан, 3 — разрывной заряд

Дымовые снаряды. Предназначены для ослепления наблюдательных пунктов, огневых позиций и участков фронта противника. Могут применятся для целеуказания, сигнализации, пристрелки и даже определения направления и скорости ветра в районе цели. Имеют дальнобойную форму, предназначены для стрельбы из орудий среднего калибра. Разумеется, для них важна кучность, и состав вещества, используемого для дымообразования, обеспечивающий устойчивое, непроницаемое, долго не оседающее облако дыма.

Есть чем дополнить список? Присылайте свои варианты!

Источник: компиляция по учебнику «боеприпасы наземной артиллерии»

Теги: