Физика как она есть
- Автор(ы): Анатолий Сорокин
- Источник: БронеСайт, 2010
- В БТЭ добавил: LostArtilleryMan
Неисчислимое количество копий было сломано по поводу бронепробиваемости и немало обидных слов было высказано в адрес того или иного артиллерийского орудия из-за его низкого, согласно некоторым мнениям, бронебойного действия. Однако, артиллерийская система состоит из двух равно важных компонентов — собственно артиллерийского орудия и боеприпасов к нему. Как только снаряд покинул ствол орудия, роль последнего в драме «Процесс пробития брони» сыграна полностью и её первый акт закончен. Во втором акте этой драмы действующими лицами будут являться снаряд и состояние атмосферы, а в заключительном третьем — снаряд и бронепреграда. Тем не менее, без орудия самый-самый лучший снаряд — бесполезные в боевом отношении килограммы чёрного и цветных металлов и взрывчатых веществ. Даже для использования его в качестве мины требуются разного рода ухищрения, а боеприпасы в инертном снаряжении негодны даже и для такого применения. Поэтому конструктивное совершенство артиллерийского орудия играет очень важную роль в достижении оконечного результата — нужной бронепробиваемости и зачастую ею же и оценивается. А бронепробиваемость зависит только от взаимного расположения, конструктивных и физико-химических свойств снаряда и бронепреграды, скорости соударения. Ни один из этих факторов к орудию не относится. Если конструкция снаряда неудачна или качество его изготовления невысоки, то сколь бы ни было совершенно орудие, оно не сможет поразить вражескую цель, дурная слава и ему, и его создателям обеспечена. Даже если потом недостатки будут устранены, первое впечатление может надолго (если не навсегда) лечь пятном на репутацию того или иного образца артиллерийского вооружения. А поскольку объективное сравнение возможности бронебойного действия орудий действительно нужно, то необходима некая мера, показатель их такого рода способностей независимо от свойств снарядов и бронепреграды. Его наличие сразу позволит сказать, исчерпаны ли возможности орудия и боеприпасов к нему или нет и что следует совершенствовать в первую очередь. Естественно, что улучшение боеприпасов путём замены их на новые версии для уже существующих орудий на практике является гораздо более предпочтительным, чем замена самих орудий. Однако по вполне понятным причинам теоретические изыскания на этот счёт в широком доступе отсутствуют.
Тем не менее, знания физики на уровне студента-первокурсника будет вполне достаточно, чтобы сделать такой анализ самому. Представим себе позицию для тестируемого артиллерийского орудия на весьма незначительном удалении от бронепреграды, в которую его снаряд попадает со своей дульной скоростью строго под прямым углом. На эту позицию устанавливается тестируемый образец и производит выстрел всеми видами своих калиберных бронебойных боеприпасов для оценки их пробивных качеств. Этот мысленный эксперимент можно даже сделать натурным, но он будет очень дорогостоящим и не даст ответа на вопрос о свойствах орудий — ибо боеприпасы у каждого из тестируемых образцов свои, да и бронепреграду надо будет менять после каждого выстрела, вряд ли её свойства при этом останутся строго неизменными. Но нам это и не нужно, поскольку простые физические соображения позволят привести всё к определённому общему знаменателю.
Итак, начнём — чем с точки зрения физики вызывается пробитие брони? Ответ прост — давлением P со стороны снаряда на участок бронепреграды перед ним. Это давление по определению есть не что иное, как отношение силы F к площади S, на которую она действует. В качестве нулевого приближения можно сказать, что S есть площадь поперечного сечения снаряда, т. е. с незначительной погрешностью 0.25×π×D², где D — калибр орудия и снаряда (на самом деле максимальные диаметры канала ствола и снаряда слегка отличны от величины калибра, но здесь эта разница роли не играет). Сила F распределяется по площади S в процессе пробития неравномерно, но опять же её вполне можно заменить неким средним, полученным путём интегрирования по площади, значением, которое тем ближе к истине, чем тупоголовее в артиллерийском смысле снаряд. С методологической точки зрения такая операция вообще не влияет ни на что. По третьему закону Ньютона снаряд воздействует на бронепреграду с силой, равной по модулю и противоположно направленной силе, с которой бронепреграда воздействует на снаряд. Последняя заставляет снаряд тормозиться и терять скорость. Записав это в виде формулы, получим:
- P = F/S = 4×dp/dt×π-1×D-2
где p = m×V — импульс (количество движения) снаряда, равное произведению его массы и скорости по модулю в некоторый момент времени. Соответственно dp/dt — его первая производная по времени, скорость изменения (в нашем случае убывания). Как уж импульс будет изменяться — зависит от бронепреграды и от снаряда и никоим образом не зависит от орудия. Но его изначальный запас p0, разделённый на площадь поперечного сечения снаряда S (т. н. удельный дульный импульс; импульс, приходящийся на единицу площади поперечного сечения снаряда) напрямую определяет бронебойный потенциал уже именно орудия. Как он и будет ли вообще реализован — совершенно другое дело, а чем бо́льше эта величина у орудия, тем однозначно выше шанс у его снаряда пробить бронепреграду при прочих равных условиях. Что нам, собственно говоря, и нужно. Можно брать справочники и садиться считать, включив в рассмотрение те образцы вооружения, которые могли использовать против бронеобъектов калиберные бронебойные или бетонобойные снаряды.
Прежде чем перейти к обсуждению результатов, стоит заметить, что хотя приведённые расчёты и абстрагированы от свойств снаряда и бронепреграды, бронебойный потенциал собственно орудия они раскрывают только частично. Дело в том, что масса m и начальная скорость V0 взяты из таблиц стрельбы штатными боеприпасами, а само орудие может оказаться способным на гораздо большее. В качестве примера можно взять 76-мм дивизионную пушку обр. 1936 г. (Ф-22), которая была способна стрелять с использованием гораздо более мощного метательного заряда, чем штатный. Это было замечено и использовано захватившими определённое количество таких орудий немцами. В результате Вермахт ещё до выхода на поле боя «своей» Pak 40 получил приблизительно равное ей по мощности противотанковое орудие 7,62-cm-Pak 36. Для полного раскрытия бронебойного потенциала орудия желательно знать крешерное давление, калибр и длину ствола орудия. Но расчёт здесь будет более сложен, да и табличные данные крешерного давления найти вовсе не так легко, в отличие от прочих параметров. Тем не менее, рассчитанный в таблице удельный дульный импульс имеет практический смысл - это оценка бронебойных возможностей связки орудия и его штатного артиллерийского выстрела из метательного заряда, который обеспечивает заданную начальную скорость, и калиберного бронебойного (или бетонобойного) снаряда заданной массы. Кроме значения массы никаких условий на конструкцию и устройство этих типов снарядов не накладывается.
А теперь можно обратить более пристальное внимание на сами цифры. И, как видно из таблицы, советские орудия и артиллерийские выстрелы к ним вполне на мировом уровне, а в ряде случаев и превосходят их. В частности, по своему удельному дульному импульсу 85-мм зенитные и танковые пушки даже незначительно превосходят 88-мм немецкие аналоги с длиной ствола 56 калибров. Близкие по классу 88-мм немецкие противотанковые пушки с длиной ствола в 71 калибр уже значительно уступают по этому параметру советским "соткам". А если можно было бы собрать всё сказанное по поводу их сравнительной бронепробиваемости и запечатлеть это на бумаге, то даже Оноре де Бальзак вряд ли бы превзошёл этот труд, как по объёму, так и по бушующему в нём накалу страстей. А причиной всему разница конструкции и качества изготовления немецких и советских бронебойных снарядов. Собственная артиллерийская конструкторская школа составляет законную гордость СССР, то же можно сказать и о химиках, разрабатывавшими пороха для метательных зарядов. Что же касается снарядов — старались изо всех сил, но в иных странах были достигнуты и лучшие (а кое-где и много лучшие) результаты. Впрочем, это вовсе не открытие Америки, достаточно вспомнить, как мучились оружейники с 45-мм калибром после шокирующих результатов обстрела немецкой «трёшки» в 1939—40 гг., какие метаморфозы претерпевал по ходу Великой Отечественной войны 76-мм бронебойный боеприпас, как уже после неё работали над новым 100-мм бронебойным снарядом взамен спешно запущенного в серийное производство БР-412, дальше раскрывая возможности танковых, самоходных и противотанковых "соток".
Также стоит отметить несколько резко выделяющихся на общем фоне орудий — в первую очередь творение сумрачного тевтонского гения Pak 44. Превзойти его по удельному дульному импульсу из серийных орудий Второй Мировой войны не смог ни один образец артиллерийского вооружения всех иных воевавших стран. Единичные и недоведённые 152-мм длинноствольные советские самоходные пушки БЛ-8 и БЛ-10, предназначавшиеся для борьбы со сверхтяжёлой бронетехникой противника, так и не вышли за стадию опытных образцов, а потому ни в коей мере не могут служить «симметричным ответом» серийно выпускавшимся немецким 128-мм орудиям. Близко к Pak 44 подошёл только американский 155-мм «Длинный Том», да и то, будучи классом выше по калибру и не предназначаясь для противотанковых целей. Близкая к «Длинному Тому» по калибру и начальной скорости 152-мм советская пушка Бр-2 и вовсе классифицировалась как орудие большой мощности. А немцы ухитрились разместить ствольную группу 128-мм противотанковой пушки на трофейном лафете от дуплекса А-19/МЛ-20 или французской 155-мм пушки обр. 1918 г., что ещё раз подчёркивает превосходство Pak 44 по массе (10 т) над гораздо более тяжёлым «Длинным Томом» (13,8 т) и тем более Бр-2 (18,2 т). Но и советские конструкторы показали, что не лыком шиты — 57-мм противотанковая пушка обр. 1943 г. (ЗиС-2) вчистую превосходит всех своих соперников в своём классе и по удельному дульному импульсу сравнялась с куда более тяжёлой Pak 40, немного не дотянув до показателей 85-мм или 88-мм L/56 пушек. Интересно, что рассчитанная в 1943 году бронепробиваемость калиберным бронебойным снарядом для Pak 40 по советской методике оказалась даже ниже аналогичного показателя ЗиС-2, что в свете чисто баллистических данных уже не выглядит столь невероятным. Но тут уже, как говорится в известном фильме: «хотите верьте, хотите — нет». Из английских образцов стоит отметить Royal Ordnance Quick Firing 17 pounder Gun — при меньшем калибре оружейники Его Величества создали орудие, способное бросить вызов «великой и ужасной» 88-мм пушке Pak 43, даже без подкалиберного снаряда с отделяющимся поддоном.
Но не одним пробивным действием снаряда может быть поражён вражеский бронеобъект. Вспомним известный случай, когда 122-мм бронебойный снаряд, выпущенный из танковой пушки Д-25, пролетев более 2,5 км, попал в верхнюю лобовую деталь «Пантеры» и срикошетировал от неё. Тем не менее, немецкий танк с чистой совестью можно было заносить в список безвозвратных потерь — верхняя бронеплита корпуса раскололась, агрегаты трансмиссии вышли из строя. В качестве ещё одной иллюстрации представим две идентичных «бронепреграды» в виде нескольких отрезков дощечек, лежащих стопкой друг на друге. Пуля, выстреленная в первую стопку из мелкокалиберной спортивной винтовки, перфорирует все дощечки с образованием пробивного отверстия в каждой из них. А теперь ко второй стопке, закреплённой своими концами таким образом, чтобы под ней было свободное пространство, пусть подойдёт мастер восточных единоборств. Выверенным движением руки он своей ладонью проломит эту стопку. В обоих случаях пуля и ладонь мастера окажутся в «заброневом пространстве», хотя характер их взаимодействия с преградой совершенно различен. Применительно к снаряду такое действие называется проламывающим и шансы на успешный результат тем выше, чем больше отношение калибра атакующего бронепреграду снаряда к толщине этой бронепреграды.
Физические процессы, протекающие при проламывании брони, отличаются от тех, что имеют место при её пробитии. В последнем случае они локализованы в области попадания (отверстия при успешном перфорировании или кратера при непробитии). Когда броня проламывается и трескается, механические напряжения в ней распределяются очень сложным образом, причём характер этого распределения зависит от множества факторов — переменного во времени и пространстве воздействия снаряда, геометрии удара, формы бронепреграды, её физической и химической неоднородности. Возбуждённые ударом упругие волны (как поперечные, так и продольные) распространяются в теле бронепреграды, отражаются от её краёв и интерферируют между собой. Как следствие этой интерференции в одних местах нагрузка ослабляется, в других — растёт, если она превысит предел прочности материала бронепреграды на излом, он треснет. Во всём этом важен тот факт, что процесс проламывания не локален, он затрагивает всю бронепреграду в целом. Поэтому проламывающее действие удельным импульсом снаряда уже не оценить, хотя бы из полной неопределённости, на какую же площадь распространяется воздействие и вследствие полного отсутствия внешнего давления со стороны снаряда на далёкие от точки попадания области бронепреграды. Но знание природы вещей поможет нам найти физическую величину, которую можно использовать как меру проламывающей возможности орудий при использовании штатных бронебойных или бетонобойных выстрелов.
Что значит, что изначально целая бронепреграда треснула, а то и разлетелась на куски после попадания? Ответ достаточно прост — между её частями оказались разорванными электронные межатомные или межмолекулярные связи, до того удерживавшими эти части в составе единого целого. Как известно из физики и химии, для разрыва электронной межатомной связи нужна энергия. Понятно, откуда она поступает — единственным её источником является прилетевший снаряд. Величина квадратичного относительно его скорости интеграла движения, известного из школьного курса физики под названием кинетическая энергия, определяет возможные последствия (пролом брони, срыв элементов конструкции со своих креплений, в т. ч. башни с погона, поломка внутренних механизмов, травмирование экипажа и детонация боекомплекта от удара). Вовсе не факт, что это произойдёт, если кинетическая энергия снаряда превосходит некоторый порог (необходимо, чтобы она эффективно передалась цели и локализовалась в отдалённых от точки попадания критических элементах конструкции, что зависит от целого сонма практически неучитываемых факторов). Но если кинетическая энергия снаряда ниже этого порога, то даже при самом удачном стечении обстоятельств желаемый результат в виде сорванной башни или проломанной брони так и останется только желаемым. Теперь можно вновь заняться подсчётами.
Хорошо известны факты полного разрушения вражеской техники при попадании в неё тяжёлых снарядов. Прославились в этом качестве советские орудия МЛ-20 и А-19, но, как и в случае с пробивным действием, Pak 44 доминирует однозначно и по всё тем же причинам Бр-2 и «Длинный Том» ей не соперники. Также на общем фоне ещё раз выделяется творение В. Г. Грабина — 57-мм противотанковая пушка ЗиС-2, которая по сообщаемой дульной энергии снаряду резко превосходит 57-мм орудия союзников, 76-мм советские пушки с баллистикой ЗиС-3 и не сильно отстаёт от немецкой 75-мм пушки с длиной ствола 43 калибра.
Автор выражает свою глубокую благодарность полковнику В. И. Мураховскому за ценные замечания касательно предмета этой статьи.