Снаряд летит в стратосферу | 1938-03

По заявке А. ШУМСКОГО (ст. Жаворонки)

Инж. З. МУРИН

Сопротивление, которое оказывает воздушная среда движению артиллерийского снаряда или пули, ограничивает скорость полета и его дальность, устанавливая этим некоторый предел дальнобойности. С тех пор как Ньютон, а после него английский ученый Робинс определили огромную величину сопротивления воздуха, артиллеристы в своих смелых замыслах мечтали о пушке, которая выбрасывала бы свой снаряд за пределы атмосферы, в безвоздушное пространство.

Еще в XVII в. делались робкие и, по нашим современным представлениям, наивные попытки выбросить пушечное ядро не только за пределы земной атмосферы, но даже в межпланетное пространство. Монах Марсенн и военный Пти выстрелили из пушки прямо вверх, полагая, что ядро не должно вернуться на землю. Оба экспериментатора произвели этот опыт несколько раз и уверились в успехе, так как ни одно вылетевшее из пушки ядро не было найдено поблизости. Через некоторое время опыт повторили в другом месте, и ядро нашлось в нескольких метрах от стрелявшей пушки.

Прошли столетия. Людей, мечтавших о полете снаряда вне атмосферы, даже в начале XX в. считали фантастами, заглядывающими в очень отдаленное будущее. Однако ближайшее же крупное военное столкновение — империалистическая война — неожиданно придвинуло это будущее: снаряд пролетел через стратосферу.

Изощряясь в попытках терроризировать мирное население Парижа, немцы уже в 1918 г., перед своей капитуляцией, нанесли французам внешне эффектный, но очень малоэффективный удар с помощью сверхдальнобойных пушек.

23 марта 1918 г., в 7 час. 15 мин. утра, в Париже, на набережной реки Сены, упал и разорвался большой орудийный снаряд. Вслед за ним в различных частях города продолжали падать и рваться снаряды с интервалом в 15 минут. Но фронт проходил в 90 км от Парижа, и французы не могли предположить, что вражеская пушка может бросать снаряды на такую чудовищную дистанцию. Сначала парижане и даже французское командование решили, что произошло нападение с воздуха с помощью самолетов, находящихся на столь большой высоте, что их нельзя было увидеть. Но регулярность обстрела с равномерными промежутками времени между выстрелами, звукометрические записи и некоторые специальные наблюдения быстро опровергли такое предположение. Уже к вечеру парижане узнали о том, что столица Франции обстреливается из германских сверхдальнобойных орудий, расположенных за 100 км, а вскоре было определено и направление, откуда прилетали снаряды.

Как удалось осуществить обстрел Парижа?

Существует особая наука о движении снаряда, которая называется баллистикой. Еще 400 лет назад было установлено, что при угле возвышения ствола орудия в 45° снаряд пролетит наибольшую дистанцию. При увеличении или уменьшении этого угла дистанция полета уменьшается. Ученые-баллистики XVI в. не принимали во внимание сопротивления воздуха, т. е. их расчеты были действительны для стрельбы в безвоздушном пространстве. В наше время, с учетом поправки на сопротивление воздуха, наибольшая дистанция полета достигается при угле возвышения в 42°—43°.

Вернемся к описанию обстрела немцами Парижа.

Шел 1915 год. На одном из германских опытных полигонов, невдалеке от нейтральной голландской границы, люди суетились около огромной гаубицы, доставленной сюда для испытания. Конструкторы в своих расчетах предусмотрели для нового орудия полет снаряда на 20 км при угле возвышения ствола орудия больше 45°.

Закончив подготовку к выстрелу на 20 км, люди около орудия прекратили возню. Снаряд и заряд полезли в открытую пасть казенной части; за ними закрылся затвор. В группе испытателей человек в военной форме скомандовал: «Огонь!», раздался выстрел. Два человека припали к полевому телефону, ожидая сигнала о падении снаряда. Но... на другом конце полигона царила тишина. Прошла минута... молчание! Еще одна минута... Испытатели растерянно переглянулись: случилось невозможное — снаряд не упал на полигоне, исчез, испарился в воздухе. И только после тщательных розысков был найден след снаряда. Оказалось, что на голландской территории в 40 км от места выстрела упала неразорвавшаяся бомба, очень похожая на снаряд крупного орудия. Голландцы решили, что бомбу обронил чужой военный самолет, но немцы быстро опознали в «бомбе» свой исчезнувший снаряд. Еще большие растерянность и недоумение овладели артиллеристами: неужели лгут проверенные законы баллистики? Люди снова зарылись в расчеты, снова проверили их результаты: все они оказались правильными. Но как объяснить невероятный факт, что при угле возвышения больше 45° снаряд пролетел вдвое большую дистанцию? Ответ мог быть только один: в своем движении вверх по крутой траектории снаряд прорвался сквозь потолок тропосферы в стратосферу; встретив в разреженном воздухе значительно уменьшившееся сопротивление, снаряд пролетел удвоенную дистанцию и... «сбежал» от своих испытателей.

Простая случайность открыла немецким артиллеристам новую поправку к законам баллистики. Поправка заключалась в том, что очень мощный заряд способен сообщить снаряду, летящему по крутой траектории, настолько сильный толчок, что значительную часть пути снаряд пролетит в стратосфере. Благодаря этому сильно возрастает дистанция выстрела. Было ясно, что, чем больше вес заряда и относительно меньше вес снаряда, чем длиннее ствол орудия (т. е. полнее использован большой заряд), тем дальше будет лететь снаряд. Это открывало возможность стрельбы на сверхдальние дистанции из специальных гигантских пушек.

Для этой цели немцы использовали три больших, 38-сантиметровых морских орудия длиной в 17 м. В каналы этих пушек были вставлены длинные трубы, благодаря чему общая длина каждого орудия увеличилась до 34 м, но калибр уменьшился до 21 см. Получилось, что длина ствола превысила 160 калибров, в то время как обычно в наиболее длинных орудиях длина ствола равна 50 калибрам. Чтобы ствол этой пушки не прогибался, его поддерживали металлическими канатами, укрепленными на специальной опорной конструкции. Отношение веса заряда к весу снаряда получалось от 3:2 до 3:2,3 вместо обычных от 1:3 до 1:6. Как следствие начальная скорость снаряда выросла до 2 тыс. м/сек вместо обычных 500—600 м/сек; дистанция полета достигла 120 км при угле возвышения в 50°. При таком угле возвышения снаряд входил в стратосферу под углом в 45° и, следовательно, пролетал затем в разреженной среде наибольшую дистанцию. Высота подъема снаряда достигла 40 км. На эту высоту снаряд добирался через 1,5 минуты после выстрела, а всю дистанцию пролетал за 3—3,5 минуты. Общее время полета в стратосфере — около 2 минут.

Каждая такая установка весила 750 т. Эта невероятная тяжесть опиралась на основание площадью 12 кв. м, т. е. на каждый квадратный метр приходилась нагрузка в 62,5 т. Но когда орудие откатывалось после выстрела, к этой нагрузке прибавлялся удар от давления пороховых газов, равного 5 тыс. атмосфер. Из этого следует, что опора для орудия, должна была представлять собой весьма прочное строительное сооружение. Действительно, опоры строились в земле из бетона и металла, на каждую из них расходовалось 100 т цемента, 200 т гравия и 2,5 т металлической арматуры.

Так появилась «Длинная Берта», она же «Парижанка» или «Колоссаль», как ее называли немцы. Всего таких пушек было три. Каждая из них представляла собой громоздкое сооружение, трудно снабжаемое и обслуживаемое, трудно поддающееся маскировке. Через десять выстрелов канал ствола изнашивался настолько, что резко падала меткость. Приходилось рассверливать внутреннюю трубу и увеличивать калибр, что вызывало необходимость различия в весах и размерах снарядов.

Траектория снаряда «Длинной Берты».

За полгода своего существования пушки стреляли 44 дня. Из них выпустили около 320 снарядов: 183 попали в Париж, остальные в предместья Парижа. В среднем на каждый выстрел пришлось по одному убитому и по два раненых. Было повреждено всего лишь несколько зданий. Таким образом, действительный эффект стрельбы из сверхдальнобойных пушек оказался очень незначительным; «Длинные Берты» 1918 г. оказались артиллерийским кунстштюком (фокусом) — не больше.

Огромные размеры, невероятная тяжесть, громоздкость, длительность изготовления, быстрый износ орудия и, наконец, относительно малая мощность снаряда заранее исключали всякую стратегическую ценность этих гигантских пушек, что и было доказано незначительными результатами обстрела.

Значит ли это, что сверхдальнобойные пушки не могут получить стратегически оправданное применение? Конечно, могут!

Обстрел и расстройство стратегического тыла противника входят в тактику современного артиллерийского боя, и чем дальше бьют тяжелые орудия АРГК (артиллерийский резерв главного командования), тем больше возможностей осуществления такой тактики. Бомбардировочная авиация, встречающая на своем пути такие препятствия, как современная усовершенствованная зенитная артиллерия и истребители противника, действует эпизодически. Снаряды же сверхдальнобойного орудия могут разрушать объект своего обстрела методически, без помех. Но для этого они должны быть не такими громоздкими и сложными в обслуживании, более подвижными, износоупорными, скорострельными, и, наконец, их производство должно быть менее дорогим.

*

Одним из путей к устранению дефектов гигантских орудий является постройка пушки, работающей по принципу турбины — турбопушки. В 1917 г. такую пушку изготовили во Франции. Передняя часть зарядной камеры орудия представляет собой сопло, откуда в канал ствола врываются газы со скоростью порядка 2 тыс. м/сек. Газовая струя ударяет в дно снаряда и сообщает ядру огромную скорость. Для того чтобы отразившаяся от дна снаряда струя не уменьшила скорость новой, встречной струи газа, по длине ствола прорезаются «окна», через которые отводятся отработанные газы.

Схема турбопушки.

В таких газодинамических орудиях давление газов на стенки ствола очень незначительно, что позволяет сделать стенки менее толстыми. Благодаря тому что газы выходят через «окна» в стволе, уменьшается отдача, и орудие меньше изнашивается. Дальнейшие опыты с турбопушкой позволили в 1922 г. довести начальную скорость, т. е. скорость ядра в момент вылета из дула, до 850 м/сек, что значительно увеличило дальность полета снаряда.

Другим путем повышения эффективности сверхдальнобойных орудий является постройка усовершенствованной многозарядной пушки. В обычном артиллерийском орудии давление пороховых газов почти мгновенно достигает своей максимальной величины, а затем падает. В момент вылета снаряда из дула давление газов в несколько раз ниже своей наибольшей величины, поэтому и коэффициент полезного действия заряда очень невелик, и тем меньше, чем больше орудие. На каждый килограмм веса снаряда 306-миллиметровой пушки приходится 135 тыс. кг энергии, развиваемой зарядом, а энергия, которой обладает 1 кг веса вылетающего снаряда, равна только 31500 кгм. Нетрудно подсчитать, что коэффициент полезного действия такой пушки равен всего 23%. В немецких сверхдальнобойных пушках этот коэффициент был еще в два раза меньше. Можно было бы увеличить коэффициент полезного действия сверхдальнобойного орудия, если бы удалось кратковременный взрыв заменить действием постепенно и по определенному закону возрастающей или хотя бы сохраняющей свою величину силы. В этом случае лучше использовалось бы время прохождения снаряда по каналу.

Схема «многозарядной» пушки.

Эту задачу пытались решить еще в 80-х годах прошлого столетия путем изготовления «многозарядной» пушки. В зарядной каморе такого орудия помещали небольшой заряд, рассчитанный только на первый толчок в дно снаряда для сообщения ему движения. По длине ствола снизу располагались добавочные каморы с зарядами. Когда снаряд пролетал мимо отверстия такой каморы, пороховые газы предыдущего заряда взрывали новый заряд, благодаря чему величина давления не только восстанавливалась, но даже увеличивалась. Скорость снаряда в момент вылета из дула, его начальная скорость, значительно превышала нормальную. Однако многозарядная пушка не имела успеха. Появившийся в 80-х годах бездымный порох увеличил эффективность старых орудий, и не было смысла предпринимать дорогую и длительную переделку всей артиллерии. Но в наше время, когда понадобились большие скорость и дальность полета ядра, идея многозарядной пушки может быть снова использована. Есть сведения, что была испытана такая пушка калибром в 152,4 мм и длиной в 50 калибров. Снаряд весом в 61,4 кг был выброшен со скоростью в 1220 м/сек. При этом применялся не мощный бездымный порох, а обыкновенный черный весом в 53,5 кг. Если учесть, что в «Длинной Берте» был применен новейший бездымный порох, который весил 150 кг, т. е. почти в три раза больше при значительно увеличенной длине ствола, легко можно себе представить «стратосферные» возможности многозарядной пушки.

*

Некоторые изобретатели. пытаются решить задачу сверхдальнобойной стрельбы третьим путем, используя для этого электрическую энергию.

Простая медная трубка, обмотанная изолированным проводом, — вот и вся модель-схема электропушки. К трубке подводится снаряд — небольшой стерженек, сделанный из намагничивающегося металла, а по обмотке пропускается мгновенный сильный ток. Образующиеся при этом магнитные силы втянут «снаряд» в «ствол». Втягивающий толчок будет настолько силен, что снаряд пролетит всю длину трубки, вылетит из нее и упадет в нескольких метрах от своей «пушки».

Рассмотрим в общем виде один из фантастических проектов сверхдальнобойной электропушки.

Пушка эта — гигантских размеров. Снаряд ее весом в 2 т, диаметром 0,5 м и длиной 2 м вылетает с начальной скоростью в 5 тыс. м/сек. Дальность полета снаряда — 3 тыс. км. Для снабжения такой электропушки энергией нужна большая электростанция мощностью 40 тыс. квт. Сила метания при этом достигает 10 тыс. кг, а мощность, развиваемая орудием, составляет 2500 тыс. кгм/сек. Снаряд выбрасывается в течение 1/20 секунды.

Траектория полета снаряда на 3 тыс. км.

После вылета из канала снаряд за 10 секунд пролетает через 15-километровый слой атмосферы, врывается в стратосферу и через 5,5 минуты достигает высоты 500 км. Общая длительность полета — 10 минут.

Однако на пути развития электропушек встречается очень много препятствий. Главное препятствие — огромный расход энергии, идущей для питания единичных орудий. Для обслуживания одного даже небольшого орудия понадобится внушительная электростанция, в то время как порох заключает в себе в скрытом виде заранее накопленную энергию выстрела, что является главным его достоинством. Вторым недостатком является трудность изготовления ствола, длина которого достигает сотни и больше метров.

Эти и другие недостатки делают подобную пушку не столько неосуществимой, сколько нерациональной. Поэтому все чаще появляется мысль, нельзя ли использовать энергию взрывчатых веществ в реактивном снаряде-ракете.

Ракета старше пушечного снаряда. Китайцы, индусы, арабы применяли зажигательные ракеты уже тогда, когда еще не умели изготовлять пушки.

В Западную Европу боевая ракета проникла вместе с порохом и пушкой, где применялась в XIV—XVI вв., но вслед за тем была совершенно вытеснена успехами порохострельной артиллерии.

В 1803 г. англичане, воюя в Индии, убедились в успешном действии ракетных снарядов индусов и занялись их исследованием. Затем они вооружили свою армию усовершенствованными ракетными снарядами (конструкции генерала Конгрева), а в 1807 г., бомбардируя Копенгаген, выпустили 40 тыс. боевых ракет. Эта операция так и названа: «сожжение Копенгагена ракетами».

Вслед за англичанами ракета была принята на вооружение и применена во всех европейских армиях. Появление нарезных пушек, стреляющих с высокой меткостью, снова вытеснило ракету, которая отличалась большим рассеиванием в полете (отклонялась от заданного направления).

В ракетах, так же, как и в порохострельных пушках, источником метательной энергии служит давление пороховых газов, но используется оно иначе. В орудиях пороховые газы, расширяясь, выбрасывают снаряд и одновременно откатывают пушку назад, в ракетах же струя пороховых газов вырывается с большой скоростью из заднего конца ракеты. Благодаря этому получается противоположно направленная сила реакции, которая толкает ракету вперед.

Поэтому снаряд-ракета продолжает испытывать толчки и получать ускорение, пока не сгорит весь заряд. В конце горения скорость полета наибольшая. Применив, в качестве заряда специальные вещества и приспособив соответствующим образом устройство ракеты, можно регулировать время горения заряда и ускорение полета. Это дает возможность значительно увеличить дальнобойность ракеты, которая соединяет в себе действие и орудия, и снаряда.

В качестве «горючего» в ракетах применяются и пороха, и жидкое топливо. Коэффициент полезного действия ракеты зависит от скорости ее движения. Эта скорость в свою очередь зависит от скорости истечения образующихся при горении заряда газов. Так как при современном состоянии ракетной техники можно получить скорость истечения газов, достигающую 4 тыс. м/сек и выше, то, по-видимому, именно снаряду-ракете принадлежит будущее в сверхдальнобойных стрельбах.

Очень трудно при стрельбе дальнобойными ракетами осуществить правильное направление и стабилизацию их в полете, т. е. меткость. Пиротехники начала XIX в. изготовляли ракеты, летевшие на расстояние 4 км с большим отклонением от цели. Пиротехники во второй половине XIX в. увеличили дальнобойность до 7 км, но одновременно возросло и отклонение от цели. В наше время могут быть осуществлены свободно летящие ракеты с дальнобойностью 50 км, но при этом отклонение от цели доходит до 15 км. Современная техника жироскопической стабилизации и телеуправления может позволить значительно повысить меткость ракеты или даже (теоретически) сделать ее абсолютной.

Артиллерийское орудие, приспособленное для сообщения начального метания почтовой ракете (по одному из французских проектов). По такому же принципу возможно и осуществление сверхдальнобойной тяжелой артиллерийской ракеты.

Примерная схема снаряда-ракеты, выбрасываемого пушкой.«Ракета» заряжена газовой смесью (двуокись азота и сероуглерод), которая, разлагаясь под влиянием жара горелки, будет поддерживать горение газа бутана. К концу полета снаряда газовая смесь образует сильное взрывчатое вещество (панкластит Тюрпена), и движущий заряд превращается во взрывчатый.

*

Возможна стрельба ракетами из орудия, снаряд которого имеет свой собственный реактивный заряд. Заряд должен взрываться при движении снаряда по каналу ствола в момент падения давления в канале, благодаря этому увеличивается начальная скорость снаряда.

Интересна идея снаряда-ракеты, который выбрасывался бы в стратосферу таким же способом, как снаряды «Длинной Берты», а там начинал бы действовать его ракетный заряд. Таким образом, снаряд-ракета стабилизовался бы собственным вращением, как и все прочие снаряды нарезного огнестрельного оружия, а ракетный заряд увеличивал бы дальность его полета.

Не менее интересна идея летающего снаряда-ракеты, который, попадая в стратосферу, превращался бы уже не в баллистическую ракету, а в летающую, наподобие самолета. Такое превращение могло бы осуществиться при помощи «несущих плоскостей», напоминающих крылья самолета, которые раскрывались бы в стратосфере. Тем самым была бы значительно увеличена дальность полета. Во внутренний механизм такого снаряда должен быть встроен стабилизатор. Раскрытие несущих плоскостей, пуск стабилизатора, зажигание ракеты должны были бы осуществляться либо путем автоматической регулировки, приводимой в действие при выстреле, либо телемеханическим путем. Все это очень сложно, но отнюдь не утопично.

Наконец, возможна ракета, которая на протяжении всего пути летела бы, как реактивный самолет с заранее отрегулированными стабилизатором и органами управления и представляла бы собой настоящую воздушную торпеду.

Три траектории пути снаряда ракеты: 1. Траектория свободно летящей ракеты. 2. Траектория ракеты, выброшенной пушкой; до тонки А ракета не зажигается и летит, как обычный артиллерийский снаряд; в точке А начинает действовать (до точки В) собственный реактивный заряд ракеты; на участке от точки В до мишени —  падение ракеты. 3. Траектория ракеты, выброшенной пушкой и снабженной раскрывающимися несущими плоскостями; до точки А ракета летит, как обычный снаряд; в точке А начинает действовать реактивный заряд и раскрываются несущие плоскости; на участке А—В полет на несущих плоскостях; в точке В прекращается полет на несущих плоскостях и начинается падение к мишени.

Большей дальности полета в стратосфере можно достигнуть с помощью составных реактивных снарядов (ракет). Такой снаряд выбрасывается пушкой, и на определенной высоте взрывается заряд одной из составных частей снаряда, происходит как бы новый выстрел, часть оболочки снаряда отстает, и дальше летит уже уменьшившийся снаряд, получающий большую скорость. Взрывы и деление снаряда продолжаются до использования последнего заряда, благодаря чему все время происходит увеличение скорости и дальности полета. Такому снаряду можно сообщить нужное направление и толчок в воздух с помощью модернизированной в своем устройстве стародавней метательной машины — катапульты.

Снаряд-ракета — наиболее вероятный «преемник» сверхдальнобойных орудий. Его техника поэтому приобретает большое значение для дела обороны страны. Труды покойного советского ученого К. Э. Циолковского и его учеников, получившие неоднократную высокую оценку ученых всего мира, служат залогом успехов СССР и в этой области оборонной техники.