Чем же объяснить такую разницу во времени горения?
Оказывается, что все дело в условиях, при которых происходит горение. Разберем случай горения пороха в закрытом сосуде. В этом случае газы, выделяющиеся при горении пороха, заполняют весь объем, Давление резко повышается. Под действием этого давления скорость горения пороха увеличивается, вследствие чего давление продолжает расти; происходит взрыв. При горении же пороха на открытом воздухе газы быстро рассеиваются и давление остается постоянным. Вместе с этим остается постоянной и скорость горения.
Таким образом, увеличивая давление, мы можем увеличить и скорость горения пороха. Следовательно, при желании мы можем получить скорость горения в сотни раз большую, чем при обыкновенном взрыве. Взрывчатое превращение, протекающее со скоростью, измеряемой тысячами метров в секунду, называется детонацией.
Может возникнуть вопрос; что лучше для стрельбы — обычный взрыв или детонация?
Попробуем создать условия, при которых в орудии произойдет детонация. Для этого все пространство каморы, оставшееся за дном снаряда, заполним порохом. Зажжем порох. С началом горения пороха в каморе создается повышенное давление. Под действием этого давления скорость горения остального заряда быстро возрастет. Вследствие этого давление еще больше увеличится. Весь порох сразу превратится в газ. Давление возрастет в несколько раз. Все это произойдет за неизмеримо короткий промежуток времени. При такой кратковременности действия снаряд не успеет еще тронуться с места, как огромное давление разорвет казенную часть ствола на куски. Значит, детонация не годится для стрельбы из орудий.
Нельзя заполнять все заснарядное пространство каморы порохом. Поэтому при составлении зарядов для орудия обращают внимание на объем каморы и на вес необходимого заряда.
Отношение веса заряда в килограммах к объему каморы в литрах называют плотностью заряжания. Обычно плотность заряжания не превышает 0,5–0,7 килограмма пороха на 1 литр объема каморы.
Мы упомянули о детонации обычного пороха. Но есть вещества, которые специально предназначены для получения детонации. Эти вещества называются бризантными. Они могут детонировать от удара, от укола или от трения.
В артиллерии бризантные вещества, чувствительные к уколу, используются для воспламенения заряда пороха и для снаряжения снарядов.
До зажжения порох обладает только скрытой энергией. После воспламенения заряда в каморе происходит взрывчатое превращение. Порох превращается в сильно нагретый газ. Резкое повышение температуры заставляет молекулы газа двигаться быстрее — давление увеличивается. Тем самым химическая энергия пороха превращается в тепловую— то есть в энергию движения молекул газа. Под действием давления начинает двигаться снаряд — энергия пороха превращается в энергию движения снаряда.
Какое количество энергии заключается в заряде пороха?
Простые подсчеты показывают, что снаряд весом 6,5 килограмма, вылетающий из орудия со скоростью 800 метров в секунду, приобретает в канале ствола энергию, равную 212 000 килограммометров.
Но не вся энергия пороха уходит на выталкивание снаряда из орудия. Около двух третей энергии заряда расходуется на различные потери. В нашем примере количество энергии, которое заключено в пороховом заряде, будет равно приблизительно 636 000 килограммометров.
Вся энергия заряда выделяется всего лишь за шесть тысячных долей секунды, при этом мощность получается равной 470 000 лошадиных сил. Вот какова мощность выстрела небольшой пушки.
При выстреле в орудий происходят сложные химические процессы газообразования, в результате чего развивается очень высокая температура, равная 2500–3000 градусов. При этом производится огромная работа по сообщению движения снаряду.
Таким образом, артиллерийское орудие представляет собой тепловую машину, основанную на использовании энергии сильно нагретых газов, которые образуются при взрывчатом превращении заряда. Эта машина является весьма оригинальной по условиям и характеру работы.
Несмотря на все свои преимущества, порох обладает и целым рядом существенных недостатков.
Прежде всего, температура взрывчатого превращения почти в три раза превышает температуру пламени обыкновенной газовой горелки и в два раза температуру плавления стали, из которой изготовляется ствол орудия. Может даже возникнуть вопрос: почему же ствол не расплавляется при первом же выстреле? Однако найти объяснение этому очень легко, если вспомнить, что время взрывчатого превращения равно только шести тысячным долям секунды. За такой короткий промежуток времени ствол не успевает нагреться до температуры плавления. Но все же от этой температуры и от трения снаряда ствол сильно нагревается, и при интенсивной стрельбе приходится делать перерывы для его охлаждения. В результате высокой температуры и действия газов металл со временем портится, «выгорает», и ствол приходит в негодность.
Мы с вами уже видели, что давление в канале ствола при выстреле достигает 2500–3000 килограммов на один квадратный сантиметр. Для того, чтобы ствол мог выдержать такое большое давление, его стенки делают толстыми. Это увеличивает вес артиллерийского орудия, уменьшает его подвижность и тем самым снижает боевые качества.
Большим недостатком является также звук выстрела. Он демаскирует орудие. Попытки заглушить звук выстрела пока желательных результатов не дали.
Кроме этого, серьезным недостатком применения пороха является пламя, образующееся у дула в момент выстрела. Так называемый блеск выстрелов нередко позволяет противнику обнаруживать стреляющую батарею.
Все эти недостатки пороха заставили артиллерийских инженеров призадуматься над вопросом о возможности замены пороха другим источником энергии. Но об этом мы расскажем в конце книги.
Для того, чтобы зажечь пороховой заряд, применяют капсюль. Но взрывом одного капсюля зажечь боевой заряд трудно. Поэтому за капсюлем в капсюльной втулке располагают лепешки более шероховатого черного пороха. Вследствие шероховатости и мелкозернистости воспламенение черного пороха происходит очень быстро. Кроме того, черный порох при нормальном давлении горит быстрее бездымного. Газы, образующиеся в результате горения воспламенителя, повышают давление, что облегчает зажжение боевого заряда.
Встает вопрос: что произойдет, если изготовить пороховой заряд из очень мелкого пороха? Такой заряд быстро сгорит и превратится в газы. Сразу же получится очень высокое давление. Снаряд быстро начнет двигаться по каналу ствола. Но по мере продвижения снаряда заснарядное пространство будет увеличиваться. Так как притока новых газов не будет, то давление на снаряд начнет быстро падать, вследствие чего скорость движения снаряда будет увеличиваться незначительно. Работа пороховых газов в канале ствола будет крайне неравномерна. Что же произойдет, если взять очень крупный порох? Крупнозернистый порох не успеет сгореть за время выстрела. Снаряд вылетит из канала ствола, а вслед за ним вылетят и остатки несгоревшего пороха. Порох не будет использован полностью.
Размер зерен пороха должен подбираться таким образом, чтобы пороховой заряд сгорел целиком незадолго до вылета снаряда из дула. В этом случае приток газов будет происходить почти в течение всего времени движения снаряда по стволу и не будет резкого скачка давления в начале движения снаряда.
Вы помните, что различные орудия имеют различную длину ствола, поэтому нельзя изготовлять заряды для всех орудий из одного и того же пороха. Для орудий с более длинными стволами заряд должен изготовляться из более крупного пороха; для орудий с малой длиной ствола — из более мелкого пороха. Итак, изменяя величину зерен пороха, мы можем регулировать время горения заряда, можем добиться притока газов в течение почти всего времени движения снаряда в стволе. Следовательно, мы можем управлять горением пороха в стволе.
КАК УСТРОЕНО ОРУДИЕ
Для того, чтобы понять, как действует такая сложная тепловая машина, какой является современное артиллерийское орудие, нужно знать устройство и назначение его важнейших частей.
Всякое артиллерийское орудие независимо от его типа, системы, калибра и веса состоит из ствола с затвором и лафета с механизмами. Познакомимся с каждой из этих частей настолько подробно, насколько нам позволяет объем этой книги.
Часть орудия, которая при выстреле придает снаряду направление полета, поступательную скорость и вращательное движение, называется стволом (рис. 12).
Рис. 12. Ствол.
Ствол представляет собой трубу, закрытую с одного конца затвором. Передняя часть ствола называется дульной, задняя — казенной. На казенную часть навинчивается казенник. Канал ствола разделяется на камору (патронник) и нарезную часть, соединяемые между собой коническим скатом.
На дульном и казенном срезах трубы имеется по две пары взаимно перпендикулярных рисок. Если аккуратно наклеить по ним нити, то образуется два перекрестия. Центры перекрестий соответственно называются центром дульного и казенного срезов. Прямая линия, соединяющая центры дульного и казенного срезов, определяет положение оси канала ствола.
Основным недостатком гладкоствольных орудий, как вы помните, являлось то, что они обладали незначительной дальнобойностью и малой меткостью. Шаровые снаряды — бомбы, вкладываемые с дула, должны были свободно входить в ствол. При этом образовывался зазор между снарядом и стенками канала ствола; в этот зазор при выстреле прорывались пороховые газы, в результате чего начальная скорость шаровых снарядов была мала. Кроме того, эти снаряды быстро теряли скорость при полете в воздухе, ввиду того, что они встречали большое сопротивление воздуха. Все это приводило к тому, что дальность стрельбы была невелика. Поэтому артиллеристы давно стремились заменить шаровые снаряды продолговатыми с заостренной головной частью для уменьшения силы сопротивления возе духа.