Внутренняя баллистика: наука о путешествии пули в стволе

Наука о выстреле, вернее, о движении снаряда в стволе и в воздухе называется баллистика. Это очень важная наука в военном деле. Баллистика имеет дело с бросанием (полетом, движением) снаряда (пули). Без баллистики в военном деле не обойдешься. Без нее невозможно рассчитать и построить современные образцы огнестрельного оружия, без нее невозможно метко стрелять.

В давние времена, когда люди не знали еще, что такое порох, полководцы при осаде крепостей использовали огромные метательные машины.

Действовали такие машины с помощью тугой и толстой тетивы, сплетенной из кишок и воловьих жил.

Древние «артиллеристы» часами крутили специальный ворот, чтобы натянуть тетиву. Потом по команде начальника ее отпускали, и в осажденный город летел увесистый камень, бочонок с горящей смолой или стрела величиной с корабельную мачту.

Называли эти машины баллистами, от греческого слова «баллио», что значит «метать», «бросать». Им на смену в Средние века пришли пушки. Порох также «бросал» пули и снаряды. Однако в то время артиллеристы имели самые общие и часто наивные представления о движении пули (снаряда), например такие: «При выстреле появляется большой жар и огонь, которые с громом выбрасывают ядро из орудия» или «В пространстве ядро сначала совершает насильственное движение по наклонной прямой и по дуге окружности, а затем - свободное движение по вертикали».

В то время практические знания артиллеристов состояли из нескольких эмпирических правил, которые сохранялись в строгой тайне и обычно передавались по наследству от отца к сыну. Стрельба же артиллерии была часто более опасной для себя, чем для неприятеля из-за частых разрывов своих собственных орудий. Однако в результате многочисленных стрельб из орудий постепенно накапливались факты, которые косвенно характеризовали явление выстрела. Так, с первых шагов применения артиллерии и стрелкового оружия наблюдались случаи разрыва стволов оружия. Это говорило о том, что в оружии порох при горении выделяет вещество, которое распирает стенки ствола и толкает ядро (пулю). Наблюдая за дальностью полета ядра (пули), уже в скором времени убедились, что она не остается постоянной, а меняется в зависимости от количества пороха, от степени его уплотнения, от массы и расположения заряда. В результате отбора и обобщения устойчивых фактов складывались эмпирические правила, которые не объясняли еще явление выстрела, однако помогали создавать хорошие для того времени образцы огнестрельного оружия.

При первых же попытках объяснить наблюдаемые факты основное внимание было обращено на порох, причем систематическое изучение его свойств началось еще в XVI столетии. В это время было введено понятие силы пороха как характеристики его энергетических возможностей.

Первым результатом изучения пороха было введение в начале XVIII века вместо пороховой мякоти зерненых порохов. В дальнейшем много занимались улучшением состава дымного пороха путем отыскания наилучшей пропорции основных исходных материалов - серы, угля и селитры, а также введения различных веществ - мышьяка, нашатыря, уксуса и даже вина. Развитие в XVII столетии теории газов способствовало появлению первых механических представлений о явлении выстрела, при этом причиной движения снаряда была названа упругость пороховых газов.

Даниил Бернулли в работе «Гидродинамика», которая вышла в 1738 году, сделал одну из первых попыток описать процесс расширения газов и движение снаряда в стволе оружия. Он создал теоретическую формулу для вычисления начальной скорости снаряда.

Более подробные сведения о движении снаряда в орудии были даны в работе английского артиллериста Робинса «Новые принципы артиллерийской науки», опубликованной в 1742 году.

Первые шаги по измерению скорости снаряда и давления пороховых газов были сделаны еще в XVIII веке, однако только в середине XIX столетия были изобретены надежные приборы для их измерения. Тогда же значительное развитие получили представления о горении пороха и превращении химической энергии пороха в механическую энергию движения снаряда. Этому способствовало развитие химии и термодинамики. К этому же времени относят возникновение внутренней баллистики как самостоятельной науки, которая могла теперь опереться на прочный фундамент - эксперимент.

В 1823 году француз Гей-Люссак впервые определил химический состав пороховых газов и порохового остатка. Другой французский ученый - Пиобер в 1830-х годах обнаружил, что плотный дымный порох способен гореть параллельными слоями; это позволило сформулировать закон об образовании пороховых газов. Реальное оформление внутренней баллистики в самостоятельную науку относится как раз  к середине XIX столетия. Это было время бурного машинного производства, расцвета физической и химической наук, великих открытий. В артиллерии и стрелковом оружии это время ознаменовалось переходом от гладкоствольного к нарезному оружию.

В России законы об образовании газов при горении пороха призматической и сферической формы были получены первым преподавателем внутренней баллистики в Артиллерийской академии полковником П. М. Альбицким. В 1869 году он был удостоен за это Большой Михайловской премии, присуждаемой артиллеристам за выдающиеся научные труды и изобретения.

Наиболее полной работой по изучению горения пороха при малых давлениях стала работа известного русского химика Л. Н. Шишкова, которую он провел за границей в лаборатории Бунзена в 1857 году. Дальнейшим шагом в изучении горения пороха стала работа полковника Н. П. Федорова, выполненная в 1868 году в химической лаборатории Михайловской артиллерийской академии. В том же году английскими учеными Ноблем и Эйблом была создана манометрическая бомба, предназначенная для изучения горения пороха. После изобретения в 1883 году французскими артиллеристами Сарро и Вьелем регистрирующего устройства для записи кривой давления в манометрической бомбе стало возможным изучение горения пороха и образования пороховых газов при больших давлениях.

Открытие в 1880-х годах бездымного пороха потребовало приведения теории внутренней баллистики в соответствие с новыми данными о горении бездымного пороха. Эту задачу с успехом выполнил капитан первого ранга А. Ф. Бринк, читавший курс внутренней баллистики в Артиллерийской академии. Первое математически точное решение системы уравнений внутренней баллистики принадлежит другому русскому артиллеристу профессору Н. Ф. Дроздову. Однако наряду с точным решением Дроздова на практике использовались эмпирические методы, более удобные в применении. Так, в 1904 году крупный русский баллистик Н. А. Забудский получил известные эмпирические формулы для определения начальной скорости и наибольшего давления.

Все это привело к тому, что уже в начале ХХ столетия в нашей стране сложилась русская школа баллистического проектирования, родоначальником которой является профессор Н. Ф. Дроздов. Выдающимися артиллерийскими oбразцами, созданными представителями этой школы, являются скорострельная 3-дюймовая полевая пушка образца 1902 года, 12-дюймовая пушка для линкора типа «Севастополь» образца 1910 года, 122-мм гаубица образца 1938 года, стоявшая на вооружении Советских Вооруженных сил вплоть до конца 1980-х годов. Все они с успехом применялись в годы Великой Отечественной войны. Наряду с этими образцами к эпохальным системам русской оружейной школы можно отнести: трехлинейную винтовку системы Мосина образца 1891 года и ее многочисленных потомков - винтовки и карабины, 7,62-мм автомат Калашникова АК и его продолжателей рода, 9-мм пистолет Макарова ПМ, 7,62-мм единый пулемет Калашникова ПК/ПКМ, 7,62-мм снайперскую винтовку Драгунова СВД.

Особенно успешно внутренняя баллистика стала развиваться в нашей стране после октября 1917-го. С 1918 по 1926 год основные проблемы внутренней баллистики разрабатывались в Комиссии особых артиллерийских опытов (Косартоп), которой руководил известный русский артиллерист В. М. Трофимов. В комиссию входили видные отечественные ученые Н. Е. Жуковский, С. А. Чаплыгин, А. Н. Крылов и ученые-артиллеристы Н. Ф. Дроздов, И. П. Граве, В. А. Пашкевич, а также многие другие. В Косартопе готовили молодых ученых-баллистиков, из которых впоследствии выросли крупные ученые - М. Е. Серебряков, Д. А. Вентцель, Б. Н. Окунев, В. Е. Слухоцкий.

В Артиллерийской академии долгие годы внутренней баллистикой занимался профессор И. П. Граве, создавший баллистическую лабораторию и написавший «Курс внутренней баллистики». Большое внимание Граве уделял разработке вопросов горения пороха в полузамкнутом объеме, что имело впоследствии прямое отношение к теории пороховых реактивных снарядов. В 1920-х годах Н. Ф. Дроздов на основании своего точного метода составил первые таблицы внутренней баллистики. Большой вклад сделал инженер Н. А. Упорников, под руководством которого в 1934 году были составлены полные таблицы пиродинамических элементов (таблицы АНИИ). На их базе были созданы таблицы внутренней баллистики ГАУ под редакцией С. И. Ермолаева и В. Е. Слухоцкого.

В 1935 году профессор Б. Н. Окунев предложил относительные переменные, которые позволили ему разработать более универсальные таблицы.

Внутренняя баллистика изучает движение снаряда (пули) внутри канала ствола орудия. Дальнейшее движение снаряда (пули) в пространстве (вне орудия) изучается внешней баллистикой.

Артиллерист, не знающий баллистики, подобен землемеру, не знающему геометрии. Он действует наугад и только зря тратит порох. Баллистика нужна и стрелку. Зная законы полета своей пули, он будет уверенно направлять ее в цель.

Теперь законы движения пули (снаряда) в канале ствола и в пространстве достаточно хорошо изучены артиллерийскими науками - внутренней и внешней баллистикой. На месте свода эмпирических правил стрельбы выросла важнейшая артиллерийская наука - теория стрельбы.

Овладение основами этих фундаментальных наук формирует артиллерийское мышление, обеспечивает ясность и твердость действий стрелка, позволяет добиваться наивысших результатов в стрельбе.

Знание законов баллистики дает возможность установить, как будет двигаться данная пуля (снаряд) в данных конкретных условиях, и, следовательно, понять, какие необходимо принять меры, чтобы эта пуля (снаряд) попала в цель и произвела наибольшее разрушительное действие.

Ярким примером использования баллистики в практических целях является баллистическая подготовка стрельбы, основное назначение которой состоит в учете особенностей полета пули (снаряда) при данных технических условиях (метеоусловия учитываются отдельно при подготовке стрельбы).

Успехи в разработке содержания, методов и технических средств баллистической подготовки стрельбы и в организации баллистической службы в стрелковом деле и артиллерии в основном зависят от уровня развития баллистики и уровня баллистических знаний стрелков и артиллеристов.

Сложно количественно оценить те многообразные положительные результаты, которые даст дальнейшее развитие баллистики, овладение баллистическими знаниями, внедрение достижений баллистики в стрелковую и артиллерийскую практику. Ясно одно: все это благотворно скажется на боевых, эксплуатационных, производственных и экономических показателях стрелкового и артиллерийского вооружения.

Изучить движение снаряда (пули) - значит узнать путь, пройденный снарядом, его скорость и ускорение в любой момент времени. При движении на снаряд (пулю) воздействуют силы, которые в конечном счете определяют характер изменения перечисленных элементов движения. Поэтому выявлению и изучению действующих сил уделяется особое внимание.

В орудии движущей силой является сила давления пороховых газов, образующихся в результате сгорания порохового заряда. Давление пороховых газов в канале ствола орудия зависит от многих факторов, и в первую очередь от процесса горения пороха. Горение пороха в постоянном замкнутом объеме изучается в одном из основных разделов внутренней баллистики - пиростатике.

Давление пороховых газов зависит также от характера движения снаряда по каналу ствола, поскольку при этом изменяется занимаемый газами объем и происходит процесс расширения пороховых газов. Совместное изучение движения снаряда и расширения пороховых газов производится в центральном разделе внутренней баллистики - пиродинамике. (Пиро - огонь, горение; динамика - динамические, изменяющиеся условия.) Пиродинамика связывает химический процесс горения пороха, механический процесс поступательного движения снаряда и термодинамический процесс расширения пороховых газов, т. е. описывает, как говорят, пиродинамический процесс.

Величины, с помощью которых описывается пиродинамический процесс, называются пиродинамическим элементами.

Основными пиродинамическими элементами являются: время движения снаряда; путь, пройденный снарядом в канале ствола; скорость поступательного движения снаряда; давление пороховых газов в канале ствола.

Ускорение поступательного движения снаряда пpoпорционально давлению пороховых газов и поэтому рассматривается как самостоятельный элемент. Кроме указанных имеются и другие пиродинамические элементы.

За начало отсчета времени во внутренней баллистике принимается момент начала движения снаряда, а за начало отсчета пути снаряда принимается положение дна снаряда в момент начала движения. Скорость снаряда берется относительно ствола, т. е. в относительном движении снаряда. За величину давления во внутренней баллистике принимается некоторое среднее баллистическое давление пороховых газов, одинаковое в данный момент времени во всех точках заснарядного пространства. В действительности давление не одинаково в различных точках объема канала ствола. У дна канала ствола давление будет больше давления у дна снаряда. Разница между величинами давления пороховых газов возрастает с ростом веса заряда и уменьшением веса снаряда.

Графические или аналитические зависимости пиродинамических элементов в функции одного из них называются пиродинамическими кривыми. Внутренняя баллистика занимается построением и изучением пиродинамических кривых.

Из всех значений пиродинамических элементов важнейшими являются: дульная скорость снаряда и наибольшее давление пороховых газов. Эти величины наряду с массой снаряда (пули) и калибром оружия определяют основные его боевые свойства. В артиллерийской практике чаще употребляется вместо дульной скорости понятие «начальная скорость снаряда», величина которой близка к величине дульной скорости.

Дульная скорость - эта относительная скорость снаряда (относительно ствола), которую он имеет, покидая ствол, а начальная скорость - это абсолютная скорость снаряда (относительно земли), которую вводят во внешней баллистике.

Внутренняя баллистика наряду с другими артиллерийскими науками призвана решать задачи, выдвигаемые артиллерийской практикой.

Во внутренней баллистике различают прямые и обратные задачи. Прямая задача состоит в отыскании пиродинамических элементов по заданным конструктивным элементам и условиям заряжания оружия. Обратная задача, наоборот, состоит в отыскании конструктивных элементов и условий заряжания по заданным пиродинамическим элементам. Обратные задачи решаются при проектировании или модернизации артиллерийского и стрелкового вооружения. Задачу расчета пиродинамических кривых называют основной задачей пиродинамики.

Одной из важнейших практических задач является задача создания новых образцов артиллерийского и стрелкового вооружения: орудия (ствола и лафета), самоходной части или тягача, пули, снаряда, взрывателя, боевого заряда, гильзы и других элементов. Внутренняя баллистика (поскольку именно она изучает основные процессы, происходящие при выстреле) может указать пути отыскания оптимальных решений и рекомендаций по обеспечению требуемых боевых свойств - могущества, дальнобойности, меткости и кучности, скорострельности, маневренности при допустимых материальных затратах.

На вопрос, что такое артиллерийско-стрелковое вооружение, большинство, как правило, отвечает: это то, из чего стреляют, или то, что служит для стрельбы. Это распространенное популярное определение связывает оружие со стрельбой.

Стрельба - понятие очень широкое. В него вмещается почти вся боевая деятельность артиллерии, бронетанковых войск, пехоты и т. д., которая в конечном итоге направлена на решение одной задачи - поражение целей на поле боя - живой силы противника, его боевой техники и оборонительных сооружений.

Стрельба связана не только с огнестрельным оружием. Для поражения цели существуют артиллерийские боеприпасы и боеприпасы к стрелковому оружию. При встрече с целью пуля (снаряд) действует, проникая в цель и создавая поражающие факторы - ударную волну, осколки оболочки, продукты взрыва.

Чтобы пуля (снаряд) попала в цель, удаленную от орудия, она должен пролететь в пространстве определенное расстояние, преодолевая сопротивление воздуха и поле земного тяготения. Для этого пуля (снаряд) получает начальный импульс движения за счет химической энергии, заключенной в боевом заряде. Боевой заряд состоит в основном из пороха, являющегося метательным взрывчатым веществом.

Если заглянуть в учебники по артиллерии, то можно найти научное определение огнестрельного оружия как предмета вооружения, предназначенного для сообщения пуле (снаряду) начальной скорости и начального направления поступательного движения. В этом определении подчеркиваются два основных свойства огнестрельного оружия: способность достигать удаленные цели (дальнобойность) и способность попадать в цель (прицельность огня). Однако этим не исчерпываются свойства оружия.

Задача баллистического проектирования артиллерийского и стрелкового вооружения состоит в отыскании таких конструктивных параметров и параметров заряжания, при которых спроектированное оружие будет сообщать пуле (снаряду) данного калибра и массы требуемую начальную скорость и при этом наилучшим образом удовлетворять тактико-техническим требования. С баллистического проектирования оружия и расчета ствола на прочность начинается общее проектирование образца артиллерийского или стрелкового вооружения.

На базе теоретических разделов внутренней баллистики с учетом тактических, технических и экономических достижений на данном этапе науки и техники разрабатываются методы баллистического проектирования, которые указывают пути поисков и пpизнаки наивыгоднейшего варианта баллистического решения.

Основными этапами баллистического проектирования являются: выбор исходных данных; выбор и расчет отдельных вариантов; оценка вариантов и выбор окончательного варианта; построение пиродинамических кривых (для окончательного варианта), отвечающих paзнообразным условиям эксплуатации оружия. Кроме того, внутренняя баллистика широко используется при модернизации существующих артиллерийских систем и систем стрелкового оружия.

Основные механизмы и устройства артиллерийских взрывателей рассчитываются на основе данных внутренней баллистики о характере движения снаряда и силах инерции, действующих на детали взрывателя в канале ствола и в струе вытекающих из ствола пороховых газов.

Проектирование порохового заряда опирается на законы горения пороха, которые также изучаются внутренней баллистикой. Только внутренняя баллистика может дать указания о выборе сорта пороха, формы размеров пороховых элементов, массы порохового заряда.

Внутренняя баллистика играет большую роль не только при проектировании и расчете артиллерийского и стрелкового вооружения, но и при испытании образцов вооружения. Она дает теоретические основы для методики испытаний порохов и зарядов, для создания нужных условий испытаний орудия и боеприпасов, для учета отклонений условий стрельбы от заданных условий, для объяснения опытных данных и ненормальностей в работе артиллерийского и стрелкового вооружения в период его отработки и т. п.

Внутренняя баллистика самым тесным образом связана с эксплуатацией артиллерии и стрелкового оружия. Она способствует, в частности, повышению меткости и кучности стрельбы. Знание военнослужащими основ внутренней баллистики помогает правильно выбрать режим стрельбы, организовать хранение и уход за оружием и боеприпасами, избежать тяжелых аварий при стрельбе. Внутренняя баллистика связана с другими aртиллерийскими науками - теорией и проектированием артиллерийских орудий, стрелкового оружия и боеприпасов к ним, теорией порохов и взрывчатых веществ, внешней баллистикой, теорией стрельбы. Занимая одно из ведущих мест среди артиллерийских наук, внутренняя баллистика служит для них источником знаний о процессах, происходящих в оружии при выстреле.

По своему содержанию внутренняя баллистика является экспериментально-теоретической наукой. В ней велика роль эксперимента ввиду большой сложности изучаемых процессов, и вместе с этим широко применяется самый совершенный математический аппарат.

Сергей Монетчиков
Иллюстрации из архива автора
Братишка 06-2009