Как и на любое тело, движущееся в воздухе, на снаряд действуют две силы: сила притяжения земли (сила тяжести) и сила сопротивления воздуха. Сила тяжести равна весу снаряда; она стремится заставить снаряд во время его полета опускаться вниз по вертикали. Сила сопротивления воздуха замедляет скорость полета снаряда. Совместное действие этих двух сил приводит к тому, что снаряд, вылетевший из канала ствола оружия, не летит бесконечно, а падает на землю, описав в пространстве кривую, называемую траекторией (рис. 17).
Различают ряд элементов траектории снаряда. Основные из них следующие. Прямая, соединяющая начало траектории или точку вылета О с целью Ц, называется линией цели. Расстояние между точкой вылета и целью — дальность стрельбы. Прямая ОА, являющаяся продолжением оси канала ствола оружия в момент выстрела, называется линией бросания. Расстояние от линии бросания до траектории, измеренное по вертикали, носит название понижения снаряда. Угол между линией цели и горизонтом оружия называется углом места цели, а угол между линией цели и линией бросания — углом прицеливания. Кроме перечисленных геометрических элементов траектории, в теории воздушной стрельбы различают еще величины, характеризующие движение снаряда по траектории. К этим величинам относятся время полета снаряда, его средняя скорость на траектории и скорость у цели.
Линия бросания ОА, понижение снаряда АЦ и линия цели ОЦ образуют треугольник ОАЦ, называющийся баллистическим. Он имеет важное значение для ведения воздушной стрельбы. Если известны элементы этого треугольника — размеры его сторон и углы, то можно, построив треугольник, подобный баллистическому, правильно навести ствол оружия на цель с учетом влияния сопротивления воздуха и действия силы тяжести на летящий снаряд.
Как уже говорилось, при стрельбе в воздухе нужно учитывать, что воздушные цели движутся с большой скоростью. Эта особенность не позволяет вести прицельный огонь прямо по цели и заставляет выносить точку прицеливания (точку, в которую должно быть направлено оружие в момент выстрела) вперед по движению цели. Такое упреждение цели необходимо потому, что за время полета снаряда до цели последняя успеет пройти некоторое расстояние.
Возьмем, например, случай, когда нужно стрелять с самолета-истребителя по бомбардировщику. Скорость современного бомбардировщика достигает 900 км/час, т. е. 250 м/сек. Если дальность равна 400 м, а снаряд пролетает это расстояние за 0,5 секунды, то за время полета снаряда самолет переместится от точки, в которой он находился в момент выстрела, на расстояние 250×0,5 = 125 м. Поэтому для точного попадания необходимо расположить оружие так, чтобы траектория снаряда прошла через некоторую точку на пути движения цели, в которой цель окажется через промежуток времени, равный времени полета снаряда до нее. Эта точка называется точкой встречи или упрежденной точкой. Воображаемый угол между линией, соединяющей точку вылета снаряда с начальным (в момент выстрела) положением цели, и линией, соединяющей ту же точку с конечным (в момент встречи со снарядом) положением цели, называется углом упреждения (рис. 18).
Зная движение цели и характеристики своего оружия, вычислить положение упрежденной точки несложно, если на это имеется некоторое время. Но в воздушном бою, когда цель, а также стрелок на своем самолете перемещаются с большими скоростями, на подобный расчет остаются считанные доли секунды. Ученые и инженеры в течение длительного времени стремились создать прицельное устройство, которое мгновенно определяло бы углы упреждения и сводило действия стрелка к чисто механическому управлению прицелом, освобождая его по возможности от определения исходных данных для прицеливания и совершенно освобождая от необходимости производить какие бы то ни было расчеты. Эта задача была решена путем создания ряда образцов полуавтоматических и автоматических прицелов, получивших широкое распространение в военно-воздушных силах как в нашей стране, так и за рубежом.
Начиная с первых прицельных приспособлений, появившихся в период первой мировой войны, и кончая авиационными прицелами, с которыми авиация всех стран вступила во вторую мировую войну, основная задача воздушной стрельбы — определение упрежденной точки — решалась исходя из того, что скорость движения цели исчислялась по отношению к воздуху, который считался неподвижным. Вычисленная таким способом скорость называлась абсолютной. Стрелок определял угол упреждения на глаз, пользуясь специальным кольцом сетки, как масштабом. Ясно, что подобные прицелы не могут отвечать требованиям современного воздушного боя. Возникла необходимость создать прицел-автомат, способный быстро решать основную задачу воздушной стрельбы.
Но создать прицел-автомат, вычисляющий угол упреждения, исходя из абсолютной скорости цели, не удалось. Такие прицелы были созданы на основе иных принципов и только после того, как были теоретически разработаны вопросы стрельбы, учитывающие, что скорость цели измеряется не по отношению к воздуху, а по отношению к стрелку, который считается неподвижным. При этом принцип решения основной задачи воздушной стрельбы остается прежним: чтобы найти упрежденную точку, нужно знать угол упреждения. Однако само понятие угла упреждения в этом случае несколько видоизменяется.
Скорость, с которой цель перемещается относительно стрелка, называется относительной скоростью цели. Чтобы уяснить это понятие, разберем следующий пример. Представим себя в качестве пассажира, сидящего в вагоне поезда, движущегося с определенной скоростью. Мы можем рассматривать движение поезда и свое движение двояко: считая Землю и окружающие нас предметы неподвижными или себя неподвижными, а Землю и окружающие предметы движущимися со скоростью поезда нам навстречу. В первом случае скорость поезда и, следовательно, наша скорость будет абсолютной скоростью. Во втором случае скорость окружающих предметов относительно пассажира будет относительной скоростью, равной по величине скорости движения поезда, но направленной в обратную сторону.
Переходя к условиям воздушной стрельбы, можно сказать, что относительной скоростью самолета-цели будет скорость, с которой он движется относительно самолета, который производит стрельбу и который мы считаем неподвижным. Но так как наш самолет все же движется, то истинное значение относительной скорости будет равно ее абсолютной скорости минус скорость нашего самолета, если цель движется параллельно нам и в ту же сторону, и плюс эта скорость, если цель движется параллельно, но в противоположную сторону.
А как быть в том случае, если самолет движется не параллельно курсу стреляющего самолета? Правило остается прежним, однако вычисление относительной скорости будет сложнее. Следует отметить, что указанным выше способом относительную скорость определяют лишь при теоретических рассуждениях. Находить таким способом относительную скорость цели, а также угол упреждения неудобно при стрельбе в воздухе, поэтому на практике пользуются иными, более удобными методами.
При стрельбе с учетом относительной скорости движения упрежденная точка находится также путем построения упредительного треугольника, при этом стрелок считает, что он все время находится в точке О (рис. 19) и видит, как воздушная цель движется с какой-то относительной скоростью по стороне АоАу. Встреча цели со снарядом происходит в кажущейся относительной точке встречи Ау. Прицеливаясь, стрелок, чтобы попасть в цель, должен отклонить ствол оружия от начальной линии цели ОАо на угол, равный относительному углу упреждения АоОАу, в сторону относительного движения цели. Линия цели за время полета снаряда переместится на угол упреждения.
Чтобы узнать время полета снаряда, нужно определить дальность до относительной точки встречи Ау и разделить ее на среднюю скорость полета снаряда. Такая скорость для каждого типа оружия, установленного на самолете, может быть определена в зависимости от условий стрельбы.
Для вычисления угла упреждения нужно время полета снаряда умножить на угол поворота линии цели в единицу времени, например в секунду.
Но как узнать угол поворота линии цели в единицу времени? Для этого надо некоторое время удерживать цель в центре сетки прицела, тогда линия визирования, совпадающая с линией цели, будет поворачиваться с той же скоростью, что и линия цели. Угол, на который повернется прицел, следящий за целью, будет характеризовать не только поворот линии визирования и ее угловую скорость, но и угловое перемещение цели относительно стрелка, следящего за ней в прицел. Поэтому угол, на который поворачивается линия визирования на цель в единицу времени, называют угловой скоростью линии цели.
Измерив угловую скорость линии визирования, мы определим тем самым угловую скорость линии цели, а вместе с тем и один из элементов, необходимых для построения угла упреждения.
Угловая скорость цели относительно стрелка зависит от дальности до нее, скорости самолета, с которого ведется стрельба, от скорости полета цели и направления стрельбы. С увеличением дальности при прочих равных условиях относительная угловая скорость цели уменьшается.
Итак, для того чтобы построить угол упреждения, нужно иметь механизм, который мог бы определять угловую скорость цели, и механизм, вычисляющий время полета снаряда до цели в зависимости от условий стрельбы. Третий механизм должен перемножать полученные величины, определяя таким образом в каждом отдельном случае необходимый угол упреждения. Последняя задача не вызывает трудностей: в настоящее время имеются механизмы, которые могут очень быстро выполнять любые математические действия, в том числе и умножение. Первые же два действия выполняются особыми устройствами, входящими в состав полуавтоматического авиационного прицела.