Чтение онлайн

Проектировщики пушек должны четко определять следующие параметры:

1) вес за боевым расчетом;

2) вес орудия и тип нарезки;

3) вес снаряда;

4) дальность и скорость полета;

5) параметры заряда, обеспечивающего заданную дальность и скорость полета;

6) прочность, необходимую, чтобы выдержать удар при выстреле;

7) наиболее подходящую марку стали;

8) толщину материала в различных точках орудия, обеспечивающую достаточную прочность конструкции в этих точках при выстреле;

9) требуемые параметры безопасности.

В большинстве случаев заранее предполагают, что давление за снарядом всегда сохраняет свое поведение во время прохода снаряда по стволу, например прямолинейный график зависимости давления от пройденного расстояния. Недопонимание этой проблемы в сочетании с недостаточностью научных знаний и игнорирование технологических недоработок сдерживали развитие артиллерии в ее первые 570 лет существования. Ни одно современное орудие не изготавливается из единого куска стали. Никакой стальной цилиндр, каким бы толстым он ни был, не выдержит давления при выстреле. Необходимая прочность достигается за счет сжатия/усадки одной стальной трубы на другой, что, следуя точно рассчитанным напряжениям и сжатиям, позволяет вдвое повысить стандартную прочность разрыва материала. Таким образом, коэффициент надежности дула обеспечивается на уровне 2, а казенной части – 1,5. При изготовлении пушек используются различные марки стали, обычно никель-хромовые легированные стали.

Идея усадки одной трубы на другую для значительного повышения прочности разрыва существовала более ста лет, однако ее эффективная реализация стала возможной лишь в XX веке. Еще в 1832 году французский инженер-артиллерист капитан А. Тьери (A. Thiery) указывал на значение усиливающих колец, трубок или намоток. В Англии профессор Д. Тридвелл (D. Treadwell) пришел к тому же заключению в 1842 году. Роберт Маллет (Robert Mallet), конструктор 36-дюймовой мортиры, в своем докладе в Ирландской академии 25 июня 1855 года описывал метод изготовления стволов пушек, при котором на внутреннюю трубу усаживались шесть концентрических внешних труб, из которых три внутренних трубы насаживались в режиме сжатия, а внешние три – в состоянии напряжения. Пятью годами позже, 14 мая 1860 года, капитан А. Т. Блейкли (A. T. Blakeley), член Королевской академии, представил доклад «О практическом применении принципов, изложенных в академии мистером Маллетом», в котором он описал свои собственные эксперименты в изготовлении пушек и заявил о приоритете в развитии кольцевой структуры. Последовала горячая дискуссия, которая нас не касается. Достаточно сказать, что мортира Маллета была спроектирована в октябре 1854 года, в то время как предварительное описание изобретения патента Блейкли № 431 от августа 1855 года было заявлено 27 февраля 1855 года. Его первая публикация появилась в июле того же года. Предварительное описание изобретения Уильяма Армстронга датировано 11 февраля 1857 года, однако профессор Тридвелл, представивший план производства пушки в военном министерстве в 1855 году, был настолько удовлетворен тем, что почва под это была уже подготовлена, что в письме от 28 мая 1855 года капитану Дж. Х. Лефрою он пишет: «После того как Вы сообщили мне в нашей беседе на прошлой неделе, что правительство уже готово продолжить эксперименты по созданию пушки по плану, близкому к тому, что предложил я, я воздержался от того, чтобы занимать Ваше время множеством деталей, касающихся механики, которые могли бы, по моему мнению, усилить предложенную мной конструкцию и, в частности, элемента, являющегося предметом прилагаемого доклада».

Приведенные здесь данные показывают, что капитан Блейкли пытался «запрыгнуть в повозку пушки». Претензии профессора Тридвелла, после тщательного расследования Американской академией по искусству и науке, в 1865 году были признаны справедливыми, и он был награжден золотой медалью Румфорда.

Капитан Блейкли вскоре основал завод «Блейкли Орданс Уокс» в Гринвиче и изготовил свои пушки. Некоторые его полевые образцы использовались конфедератами в Гражданской войне в Америке 1861–1865 годов. Однако его завод в Гринвиче просуществовал недолго.

Помимо всего прочего, пушка должна удовлетворять четырем условиям. Она должна иметь:

1) достаточную продольную прочность;

2) достаточную тангенциальную (окружную) прочность;

3) достаточную устойчивость при выстреле;

4) полноценную обтюрацию, то есть предотвратить какую-либо утечку газа назад или вперед по стволу.

Первое условие требуется, чтобы предотвратить поперечное разрушение орудия при выстреле. Это достигается вырезами в трубах, образующих стыкуемые плечи отдачи ствола. При выстреле они сжимаются в единое целое. Второе условие гарантирует, что орудие не взорвется при выстреле. Это обеспечивается усадкой достаточного количества металла или намотанной проволоки на части, подверженные наибольшему давлению. Максимальное давление в средней части орудия может достигать 18–20 т на квадратный дюйм. Такое давление создается на первых нескольких футах пролета снаряда, после чего давление постепенно падает, пока снаряд не достигнет дульной части, где давление снова поднимается. В дульной части давление поднимается до 6 т на квадратный дюйм. Такое распределение давления по стволу объясняет, почему самая толстая (усиленная) часть пушки расположена в казенной ее части и каморы (зарядной камеры) и почему у дульного среза делается утолщение. Третье требование связано с гарантией того, что дуло при выстреле не «толкнется» вниз, сбивая прицельную настройку. Реально пушка всегда устанавливается с этим припуском, называемым «поправка на провисание ствола» (droop) и предусмотренным в таблице дальностей и прицелов. И последнее. Есть две причины предотвращения утечки газов. Первая – температура горения при выстреле достигает порядка 2000 °C, при такой температуре сталь «смывается» из ствола, этот эффект известен как эрозия. Вторая – чтобы орудие всегда стреляло в соответствии с таблицей дальностей и прицелов, необходимо обеспечить постоянство «выбрасывающего» давления за снарядом. Проволока имеет существенное преимущество – обеспечение высокой тангенциальной прочности, но не может обеспечить ни продольную прочность, ни устойчивость при выстреле. Устойчивость при выстреле может быть обеспечена только с применением стальных труб.

Изготовление типового тяжелого орудия с использованием проволочной намотки выглядит следующим образом.

Заготовки делаются в сталелитейном цехе путем разлива расплавленного в печи металла в соответствующие формы. Затем заготовки куют в гидравлическом прессе или паровым молотом. После поковки более 8 дюймов диаметром трепанируется центральное отверстие. Трепанирование отличается от высверливания тем, что первое означает удаление твердого осевого наполнителя отливки, в то время как высверливание означает удаление металла малыми порциями. Следующая операция – ковка. Для этого заготовка разогревается до температуры порядка 1050 °С и помещается на специальную оправку. Ковка заканчивается при температуре около 650 °С, в противном случае, если продолжить ковку при более низкой температуре, металл приобретает свойства наклепанности с формированием внутренних напряжений. Таким образом выковываются трубы приблизительно требуемой формы и диаметра. После ковки от заготовки отрезаются образцы для контроля ее механических свойств и химического состава, чтобы убедиться, что они соответствуют техническим условиям. Если ТУ выдержаны, заготовка подвергается закалке в масле и отпуску для снятия внутренних напряжений, возникающих в процессе ковки и закалки, и стабилизации твердости. После этого проводятся дополнительные контрольные анализы/испытания. Затем трубка А подлежит «чистовому сверлению», и в местах плеч отдачи ствола вырезаются щели. Манжета с выточками усаживается (в горячем состоянии) на задний конец трубки А. Она усиливает запальную втулку казенника и формирует соединение между трубкой А и обкладкой посредством кольца казенника. Затем на трубку А усаживается (в горячем состоянии) дульное стопорное кольцо. Это ступенчатое кольцо, служащее еще и передним фиксатором проволоки, формирует продольное соединение между трубками А и В, то есть между внутренней и внешней частью ствола. Следующая операция – намотка проволоки. Проволока представляет собой стальные полоски порядка 1/2 дюйма шириной и 1/4 дюйма толщиной, прочностью на разрыв порядка 150 т на квадратный дюйм. Процесс сложный и выполняется на специальном оборудовании, позволяющем изменять натяжение намотки от слоя к слою таким образом, чтобы каждая навивка несла свою полную нагрузку. Например, на 15-дюймовой пушке количество слоев насчитывает от 79 на казеннике до 20 на дульном конце, а натяжение варьируется от 40 т в начале до 28,5 т на квадратный дюйм в конце. Расходуется 185 миль такой проволоки. Затем трубка В, после аналогичной обработки, усаживается поверх проволоки. Эта операция проводится путем ее нагрева до температуры порядка 550 °F (288 °С), после чего она опускается на ствол, устанавливаемый вертикально в глубокой яме казенной частью вниз, и охлаждается разбрызгиванием воды на горячий металл. Затем на трубку В усаживается подогретый для вставки кольца казенника задний конец обкладки. И в завершение кольцо казенника, подогретое до температуры не выше 550 °F (288 °С), ввинчивается и усаживается в обшивку. На этом построение пушки заканчивается, проводятся отделочные операции, такие как окончательная внутренняя и внешняя обработка и нарезка ствола. Нарезка наносится на специальном станке, на нарезочной головке которого крепятся три резца. Резцы «выхватывают» металл на обратном ходу. Для завершения нарезки требуется многократный ввод/ вывод головки. Нарезка большого орудия может занимать три недели. После нанесения нарезов орудие оснащается затворным механизмом.

В последние 30 лет в некоторых случаях появилась тенденция возврата к полностью стальным орудиям. В некоторых последних моделях полностью отказались от проволоки. Примером такого полностью стального современного орудия может служить казнозарядное 6-дюймовое орудие «Марк XXIII», используемое ВМС во время Второй мировой войны. Приблизительно в это время был разработан новый метод изготовления орудий. Этот метод известен как auto-frettage (самоскрепление ствола) и основан на том, что каждый последующий слой стальных трубок упруго воздействует на слой под ним. В пушках малого калибра это имеет некоторое преимущество, например, орудие может отливаться целиком и затем получить эффект самоскрепления давлением жидкости. Таким образом, можно увеличить выпуск орудий и понизить их стоимость. Однако этот метод имеет свои недостатки.

Скорость снаряда на вылете (дульная, начальная) современного орудия варьируется в пределах 2500–2900 футов (762–884 м)/с [56] , в зависимости от назначения. С целью сокращения износа орудия дульную скорость стараются снизить, компенсировав баллистику и дальность полета улучшением аэродинамических свойств снаряда. Самое тяжелое орудие Британии было изготовлено в конце Первой мировой войны – 18-дюймовое казнозарядное, весом 150 т. Оно выстреливало снаряд весом более тонны на расстояние 25–30 миль (40–48 км). Максимальная высота траектории при выстреле на максимальную длину достигала 12 миль (19,3 км). По решению Вашингтонской конвенции 1922 года это орудие было утилизировано.

Параллельно с развитием пушек развивались и гаубицы, как продолжение своего предшественника – мортиры. С самого зарождения артиллерии мортиры занимали свое особое место. Вплоть до начала XIX века такие орудия изготовлялись из бронзы, и многие типы мортир устанавливались в фиксированном положении под 45°, что с XVI века считается углом максимальной дальности полета. Джон Мюллер сетовал на глупость английских артиллеристов, продолжающих крепить минометы под фиксированным углом. Еще в 1788 году испанцы сделали mortero de plancha, или «плиту» – мортиру на подставке, отливаемую единым целым. Расстояние выстрела регулировалось подбором заряда, а не углом наклона. Мортира устанавливалась на подставке между двумя боковыми стойками, стянутыми поперечиной. Поскольку подставка не имела колес, мортира перевозилась на специальных повозках. В батарее мортира обычно устанавливалась ровной на деревянной платформе, а на борту корабля – на вращающейся подставке. Вес мортиры в сочетании с углом наведения удерживали ее на месте во время выстрела, хотя иногда ее приходилось привязывать для надежности. В мортирах не использовались пыжи, поскольку они препятствовали возгоранию запала. В былые времена снаряды мортиры всегда заряжались запалом к вылету. Канонир, выстреливая, делал двойной поджог: он поджигал запал одной рукой и взрыватель другой – рискованная операция. Большинство мортир имели долфины (ручки для поднятия орудия). Некоторые образцы имели поддоны для предотвращения рассыпания пороха запала при почти вертикальном расположении казенника.

Около 1750 года длина ствола французской мортиры равнялась полутора диаметрам снаряда; в Англии длина ствола мортиры равнялась двум диаметрам снаряда для малых калибров и трем для мортир больших чем 10—13-дюймовые чугунные мортиры. Дополнительная длина британских мортир утяжеляла их, например, 13-дюймовая английская мортира весила 25 cwt, а такая же французская – почти вполовину меньше. Джон Мюллер возмущался, что английские изготовители рабски следовали критериям пушечников. Он считал, что «упрочнение мортиры абсолютно излишне, поскольку оно лишь утяжеляет орудие совершенно бесполезным металлом там, где этого не требуется, и, как будто им мало этого лишнего металла, они еще и удлинили дуло, делая ее сверхтяжелой. Литейные формы также представляют собой помесь без системы и вкуса» {83} .

Я уже описал маленькую мортиру кохорн. Прежде чем ее признали в Англии, она с большим успехом применялась бароном ван Кохорном в 1673 году в войне против французов. Генерал Оглеторп (Oglethorpe) использовал их в довольно значительном количестве при бомбардировке Сент-Августина в 1740 году. Испанцы перевели кохорн как «cuernos de vaca» – «рога коровы». Много мортир применялось и в Гражданской войне в Америке.

Гаубица – название, заимствованное из немецкого haubitze, – была изобретена в Дании в XVII веке, когда потребовалось стрелять из полевых орудий снарядами большими, чем они могли, при том же калибре, по высокой, как у мортир, траектории, но более легких и мобильных. Значение этих орудий вскоре нашло всеобщее признание, и они заняли свое место в артиллерии всех европейских стран. В XVIII веке мобильность гаубицы обеспечивалась двухколесной прочной телегой. Относительно короткий хобот лафета позволял регулировать угол выстрела в широких пределах. Гаубица была орудием с большим углом и невысокой скоростью выстрела. Гаубицу отличала высокая траектория снаряда и отличная точность попадания. Ее назначение – это поиск узких целей, скрытых высокой стеной. Благодаря ее низким баллистическим свойствам гаубица стреляла более тяжелыми снарядами, чем пушки того же калибра. Благодаря широкому подбору подстраиваемых зарядов гаубица – оружие большой точности, дальности и угла поражения.