Шипение снарядов

1. Кишки и порох

Уверен, читатель знает, откуда взято название книги. Песню, любимую многими, написал австриец Рудольф Грайнц, спустя два месяца после геройского боя[1]. В строках «Der Warjag»:

слово zischt (шипит) присутствует, правда, по тексту оно не связано со снарядами. Эта связь появилась позже, когда Н. Мельников и Е. Студенская перевели песню с немецкого. Перевод в техническом отношении точен, поскольку звук, порождаемый летящим снарядом, действительно напоминает шипение, причем – немонотонное. Объяснение этого явления – впереди.

…В совсем уж темные времена созревшую у племени потребность навязать другим свою политическую волю реализовывали его физически развитые представители. Конечно, со временем они додумались применить в своей славной деятельности дубины, топоры, луки, но гордость дарованной природой мускулатурой, романтика ратного подвига – закрепились на генетическом уровне. Уже в конце семидесятых годов XX века автору довелось познакомиться с полковником авиации, который, подвыпив, с тоской в голосе мечтал о временах, когда мордобойцы после «дела» собирались у костров, и «под песняк» наслаждались неспешными мужскими беседами…

Понятно, что в таких беседах умничанье звучало возмутительным диссонансом, набрасывающим тень на воспоминания о «честном, открытом бое», о чем в краткой, доступной для понимания форме информировались «возникавшие» умники. Но древние времена были сугубо конкретными и закрывать глаза на реальность долго было нельзя: ширились слухи, что при осаде персидского города Галикарнасса были применены устройства, забрасывавшие за крепостные стены каменюки, тухлятину, а также – неприличествующие честному бою горшки с говном. Устройства приводились в действие натягиваемыми воинами канатами, свитыми из воловьих кишок. И если каменные снаряды причиняли защитникам не вызывавшие возмущения общественности телесные повреждения, то остальные – приводили к эпидемическому мору, что «понятиям» не соответствовало.

Применялись такие устройства (катапульты) и римлянами. Процесс фотографии в те времена еще не был разработан и придется довериться игрушечным миниатюрам, созданным в наше время любителями, – источнику информации, достаточно надежному для тех, кто знает, с какой страстью энтузиасты выискивают сведения о каждой детали одежды или причесок воинов (рис. 1.1).

От разглагольствовавших умников уже нельзя было отмахнуться кулаком или дубиной, что ясно хотя бы из того, что впечатления современников от осады Галикарнасса дошли до нас из 334-го года до новой эры. Сохранила память поколений и имя завоевавшего Галикарнасс и еще половину мира: Александр Македонский[2], что тоже свидетельствует об эффективности применявшихся им методов.

Рис. 1.1

Катапульта и ее боевое применение римлянами

«Нечестные» эти методы внедрялись медленно, но уж точно – верно. Испанцы, в 1342 году осаждавшие засевших в Альхесирасе арабов, сложив ладошки рупорами, стыдили своих противников. И были на то причины: на крепостных стенах то и дело хлопало, клубился противно пахнувший серой дым и летели оттуда осколки камней или чугунные кругляши. Камушки могли уязвить раззявившегося простолюдина, а чугунные ядра – расплющить латы, а заодно их рыцарственного обладателя, разъезжавшего под стенами в ожидании честного поединка. Если бы благородным идальго удалось подняться на занятую противником крепостную стену, они вряд ли удержались бы от непристойностей: некто тыкал в то, что он именовал «модфой», раскаленный металлический прут, а то бахало, провожая сатанинской вонью улетевшее в сторону противника.

Но не довелось благородным взять Альхесирас, а уж тем более – увидеть богопротивные гнусности, творившиеся на стенах. Был у того процесса другой зритель (рис. 1.2): благоразумно схоронившийся от опасности за телами копейщиков охраны, по всем признакам – занимающий крайне ответственную должность.

Рис. 1.2

Арабская модфа – одно из первых известных огнестрельных орудий: слева – при обороне Альхесираса; справа – воссозданная любителями старинного оружия в наши дни.

Тем, кто обратил внимание на разницу в конструкциях, заметим, что это – вина средневековых служб стандартизации: использовались и орудия с литыми из металла стволами и с выдолбленными из дерева

Можно не сомневаться, что светозвуковые эффекты выстрела произвели на начальника должное впечатление, которое неприличный, с седенькой бороденкой и проволокой в руках не нашел нужным снижать упоминанием о том, что за много веков[3] до него подобные средства поражения использовали китайцы (рис. 1.3).

Рис. 1.3

Слева – восстановленный художником на основании сохранившихся исторических свидетельств эпизод осады Кайфэня (Китай), в ходе которой обороняющиеся применили огнеметы. Огнесмесью служила сырая нефть, а пороховой заряд использовался как аккумулятор давления. Справа: китайский воин привязал ракету к своему копью и заранее радуется: близко к противнику ему подходить теперь не придется, а попадет он или нет – не так уж и важно, поскольку задумано подавить врага массированным огнем (на заднем плане – артиллеристы, открывшие «порт» и готовящиеся запустить более десятка ракет). Надо отметить, что эта концепция применения неуправляемого ракетного оружия дожила до наших дней.

…Из изобретений, поставивших рекорды долголетия в своем применении, первое место, бесспорно, принадлежит колесу, но второе – смеси селитры, серы и древесного угля, то есть черному пороху. Как и колесо, «черняшка» работает до сих пор: в огнепроводных шнурах, вышибных зарядах, воспламенителях ракетных двигателей и артиллерийских выстрелов и многом другом. Этот смесевой состав содержит все, что нужно для горения: окислитель (кислород селитры) и горючее (уголь)[4]. При сгорании кубического сантиметра выделяется тепловая энергия 3,3 килоджоуля – в общем-то, не очень много, но гораздо более важно время, за которое эта энергия выделяется: тысячные доли секунды. По развиваемой мощности с кубиком черного пороха не под силу поспорить ни одному мордобойцу.

Нагретые энергией взрывного горения газы способны на многое: они разрывали не только деревянные, скрепленные металлическими обручами, но и первые литые металлические стволы, так что шли в пушкари люди таких душевных качеств, что терзались струны:

Правда, попадались и такие, кто «робко прятал тело жирное в утесах»[5] (рис. 1.4). Поиск стволов, способных удержать порох «от эксцессов», продолжался и в «бронзовые» и в средние века и много позже. Не обошлось без переборов: стоит только оценить толщину стенок стволов коротышек-мортир (рис. 1.5) времен Гражданской войны в Америке (1861–1865 г.г.). Наверняка ультимативным требованием было обеспечить прочность ствола при любых обстоятельствах, а робкие возражения малохольных в пенсне: «так у вас ядро далеко не полетит» густоголосо отметались: «а нам далеко и не надо». И то верно: приглядитесь внимательно к рис. 1.5: далеко ли можно разглядеть солдат противника в негустом кустарнике, видном на заднем плане?

Рис. 1.4

Толщина стенок ствола стрелявшего копьями орудия свидетельствует, что средневековый артиллерист был озабочен своей безопасностью. Однако за все в этой жизни приходится платить и можно представить, каких усилий стоило сменить огневую позицию и даже изменить элементы наводки отлитого из медного сплава орудия. Музейная экспозиция изображает процесс заряжания: из рога, через узкое отверстие, в зарядную камору засыпается черный порох; через то же отверстие он будет подожжен и использованием укрепленного на длинной палке фитиля. На заднем плане – фотография ракеты «Сатурн», доставившей на Луну первых землян

Рис. 1.5

Пару веков тому назад испанским артиллеристам не повезло: ствол пушки разнесло преждевременным разрывом ядра (снимок слева). В центре – мортира времен гражданской войны в Америке. Справа – выстрел заряженной уже не черным, а бездымным порохом мортиры, произведенный артиллеристами-любителями в наши дни

А вот на море кустов нет, моряки видели дальше сухопутных, для чего даже поднимались на клотики мачт. И пушки их были длиннее, изящнее, хотя и их, бывало, разносила на куски «коварная»[6] черняшка(рис. 1.6).

Рис. 1.6

Верхний снимок сделан на батарейной палубе воссозданного в наши дни линейного корабля сэра Хорэса Нелсона «Вйктори» – флагманского в Трафальгарском сражении. Это сражение произошло 12 октября 1805 г., когда, по приказу Наполеона Бонапарта, насчитывавший 33 линейных корабля франкоиспанский флот под командованием адмирала Вильнёва попытался, выйдя из Кадиса, прорваться в Средиземное море. У Нелсона было 27 линейных кораблей, но он одержал убедительную победу, захватив 17 кораблей противника и положив конец попыткам Наполеона оспаривать британское морское превосходство.

Ниже – репродукция картины «Ужасный взрыв орудия «Миротворец» на американском паровом фрегате «Принстон» 28-го февраля 1844 г.» Событие явно впечатлило художника, как, вероятно, и многочисленных зрителей, в том числе и дам, в нарушение всех правил безопасности, присутствовавших на испытании

… Одной только оценки – сколько страниц содержит эта книга – достаточно, чтобы читатель понял: она не является обзором типов и характеристик артиллерийских орудий. Если в ней и приводятся фотографии, то для иллюстрации тенденций, характерных особенностей оружия. Рассмотрев рисунки 1.5 и 1.6, обратим внимание, как наводились на цели орудия в XIX веке. Горизонтальная наводка мортиры осуществлялась поворотом колес: одно стопорилось, а другое – проворачивалось с помощью лома, который виден на рис. 1.5. Вертикальная наводка пушки на линейном корабле «Ви́ктори» (рис. 1.6) столь же «ювелирна»: на ступени задней поверхности ее лафета накладывался тот же лом, который и поддерживал ствол на нужном угле возвышения. Правда, для «тонкой» наводки применялись еще и клинья.

Понятно, какую точность стрельбы обеспечивало подобное наведение, поэтому для компенсации промахов ядрам стали придавать дополнительные поражающие свойства. Обширного опыта разрывов стволов при стрельбах хватило, чтобы сообразить: если порох горит в ограниченном объеме и давление повышается, то скорость горения возрастает, что приводит к разрыву не слишком прочного сосуда. Ядро стали делать полым и засыпать внутрь порох (рис. 1.7). Взрыв дробил ядро на осколки, также способные причинить урон. Тем самым был осуществлен переход от концепции поражения цели прямым попаданием к концепции зонного поражения (упомянутых терминов в те времена не существовало, но автор постарается понемногу знакомить читателя и с современным «боеприпасным» языком).

Рис. 1.7

Слева вверху: в музее воспроизведен процесс снаряжения ядра порохом через жестяную воронку. На заднем плане – ящик с надписью: «1000 бумажных запалов. От 3 до 8 секунд» (имеются в виду времена замедления). Справа – основные элементы артиллерийского выстрела XIX века: неснаряженное ядро; снаряженное ядро на деревянном поддоне, облегчающем заряжание; поддон с ядром в комплекте с картузом (мешочком) черного пороха; полностью снаряженный выстрел во влагозащитном футляре. Дополняет экспозицию форменный головной убор артиллериста.

Не все ядра снаряжались только порохом, некоторые снабжались также готовыми поражающими элементами (разрез такого ядра виден в нижней части правого верхнего снимка). При взрыве шарики разлетались во все стороны – возможности боеприпаса использовались нерационально.

Стрельба на небольших дистанциях могла быть более эффективной: крепостная мортира со «специальной» формой ствола (справа внизу) позволяла рассеивать поражающие элементы только по фронту

Для воспламенения разрывного заряда применили трубку, наполненную пороховой мякотью: ее горение обеспечивало задержку между выстрелом и разрывом ядра. Изготовление запальной трубки содержало много ноу-хау. Металлической ее было сделать нельзя из-за теплопередачи: начало горения привело бы к воспламенению всей пороховой мякоти, прилегающей к поверхности и преждевременному разрыву. Деревянная же (а уж тем более – бумажная) трубка вывалилась бы из ядра при сотрясении, сопровождавшем выстрел. Поэтому трубка из дерева обкатывалась в медной втулке, а ту перед боевым применением запрессовывали с помощью кувалды и специального приспособления. Бумажную трубку завинчивали металлической втулкой. На (рис. 1.7) – ядра времен Гражданской войны в Америке, выставленные в музее, но у автора есть и своя реликвия Крымской войны[7], найденная в Севастополе (она – на синем фоне). Металл этого Крымская война 1854–1856 г.г. была вызвана попытками России отобрать у переживавшей не лучшие времена Турции («больного человека Европы», как ее тогда называли) контроль над Черноморскими проливами. Поводом для начала войны послужил инцидент в Вифлееме (тогда – турецком), где были убиты несколько православных монахов. Русский флот быстро уничтожил турецкий, но превращение ядра корродировал не насквозь, а медная втулка, смявшись при ударе (возможно – о камень), намертво закупорила запальное отверстие. После осторожного удаления втулки, внутри был обнаружен сохранившийся черный порох. За почти полтора столетия он, конечно, слежался, но отколупываемые кусочки, после минимального просушивания, энергично «пыхали» с белыми облачками дыма. Если бы запальная трубка сработала как надо, ядро могло причинить неприятности защитникам севастопольских бастионов!

Число осколков, на которые дробил корпус ядра взрыв черного пороха оставляло желать большего и, чтобы исправить этот недостаток, снаряжение перемешивали с чугунными или свинцовыми шариками (как сказали бы в наши дни – «готовыми поражающими элементами», см. разрез ядра справа).

Правда, поражали такие элементы пехоту и кавалерию, а корабли защищались от них броневыми листами, навинчиваемыми на деревянный корпус (рис. 1.8). По защищенным целям на море пушки с длинными стволами стреляли бронебойными, цельнометаллическими ядрами. Экспонаты музеев свидетельствуют, что в те времена ядра были в состоянии пробить броню существенно меньшей толщины, чем калибр пушки.

Рис. 1.8

Экспонат музея военно-морской верфи в Вашингтоне: ядро калибром 381 мм «показалось» за почти пробитым листом стали толщиной 152 мм, привинченном к деревянному корпусу корабля гигантскими «шурупами». Возможно, ядро все же пробило броневой лист и было потом подобрано в помещениях, но вряд ли оно, практически потеряв скорость, нанесло поражение многим матросам. Попадание вызвало также откол брони (по краям отверстия) и разлетевшиеся осколки в этом отношении были более эффективны

Описание боеприпасов заняло пару абзацев, но по тем временам соответствующие технологии с полным правом можно было отнести к категории хайтека. И не надо снисходительно улыбаться «простоте» предков: уже в наши дни в художественном фильме о войне 1812 года пришлось увидеть, как «артиллеристы» вкладывают ядра запальными трубками к зарядной каморе. Если бы это были не киношные муляжи, а настоящие ядра, за такую ошибку расчету пришлось бы расплатиться жизнями: газы выстрела под высоким давлением обязательно прорвались бы через отверстие для трубки к заряду ядра, вызвав его взрыв в стволе (левый снимок рис. 1.5). В «грозу 12 года» и позже фейерверкеры заряжали ядра запальными трубками к дульной части: после выстрела еще горячие газы, но уже под небольшим давлением, обтекали ядро, зажигая трубку. Так, по крайней мере, было в теории, потому что объективные свидетельства отказов боеприпасов того времени поражают (рис. 1.9).

Рис. 1.9

Слева – фрагмент дагерротипа времен Крымской войны, сделанного после неудачного для русских войск сражения при Инкермане и патетически названного его автором «Долина смерти и теней». Изобретенная французом Л. Даггером в 1839 г., техника получения изображений основывалась на разложении нестойкого йодистого серебра светом. Процесс получения дагерротипа трудоемок, зато до наших дней дошли объективные свидетельства Севастопольской обороны, а также – частых отказов боеприпасов того времени. Справа – редчайшая находка наших дней: столкнувшиеся в полете более полутора веков тому назад русская и французская пули

Во времена Крымской войны позиции черного пороха казались незыблемыми, хотя специалистам уже были известны и другие способные к громким эффектам вещества с негромкими (пока!) именами. В 1788 г. Гусман, подействовав на индиго азотной кислотой, получил пикриновую кислоту, взрывчатые свойства которой обнаружили позже, а вначале использовали как ярко-желтого цвета краситель для тканей. В том же году Гусман получил и фульминаты, свойства которых сомнений не вызвали, что следует из их хорошо прижившихся (правда, не «химических») названий: гремучее серебро и гремучую ртуть. Как и нитроглицерин, полученный в 1846 г. Собреро, фульминаты взрывались от несильных ударов и чувствительность этих веществ считалась чрезмерной, исключающей практическое применение. По другой причине отвергалось военное применение полученного Шёнбайном при нитрации ваты пироксилина: был он нестойким, медленно разлагаясь из-за упорно сохраняемых следов кислоты. Все же горел пироксилин неплохо и его стали использовать, чтобы зажигать свечи на люстрах…

…И вдруг обнаружилось: нитроглицерин желатинирует пироксилин, образуя «пластмассу», малочувствительную к удару, горящую стабильно и не слишком быстро, а следы кислот в ней можно «обезвредить» добавкой веществ-нейтрализаторов. «Пластмассу» назвали баллиститом, и она, как и тоже полученный из нитроглицерина и пироксилина, но с добавкой ацетона, кордит, сразу показали свои преимущества перед «черняшкой», потому что:

– содержали баллистит и кордит почти втрое больше энергии;

– давали при сгорании намного больше газов и намного меньше засорявших при стрельбе механизмы оружия твердых остатков.

Стрелять пушки стали дальше и чаще. Выстрел обеспечивал известный процесс – горение[8], а вот разрывы новых снарядов – не изученная тогда детонация, которую возбуждал в пикриновой кислоте взрыв гремучей ртути.

Детонация тесно связана с ударной волной (УВ). Ее в XIX веке удалось ощутить немногим: разве что тем, кто выжил после близкого разрыва крупного ядра с зарядом пороха (правда, УВ ослабленную, выродившуюся в акустическую, многие слышали во время гроз).

Движение поршня, как и любое другое, можно представить как последовательность очень малых перемещений. Каждое из них формирует возмущение: чуть-чуть поджимает газ впереди себя и сообщает сжатой массе скорость поршня (рис. 1.10). В этой слабой (акустической) волне, скорость фронта равна скорости звука, но в сжатом газе скорость звука больше, чем в несжатом, и, поскольку дальнейшие возмущения пойдут именно по сжатому, они будут иметь большую скорость. Кроме того, сам сжатый газ движется со скоростью поршня и, следовательно, относительно цилиндра скорость второй волны равна сумме скоростей: поршня и увеличенной – звука. Эта сумма и подавно превосходит скорость первого возмущения, поэтому вторая волна сжатия непременно догонит первую и усилит ее. Но перегнать ее она не сможет, так как для этого ей пришлось бы перейти в несжатый газ, где скорость распространения возмущения опять равна начальной скорости звука. Таким образом, поршень погонит удаляющуюся от него волну сжатия увеличивающейся амплитуды, которая образуется в результате слияния отдельных слабых возмущений. Со временем, количество перейдет в качество: на фронте волны образуется резкий скачок уплотнения, в котором будет расти давление – до сколь угодно больших значений, в зависимости от скорости поршня. Такое резкое, происходящее на расстоянии порядка длины свободного пробега молекул изменение параметров вещества – и называется ударной волной.

Рис. 1.10

Вверху: образование ударной волны поршнем, вдвигаемым в цилиндр с газом (в «красной» области – ударно-сжатый, нагретый и более плотный газ). Внизу: ударно-волновой процесс в конденсированном веществе. Срабатывание электродетонатора (его провода видны в правой части снимка) привело к формированию в заряде динамита ударной волны, за которой последовала химическая реакция (произошла детонации этого мощного взрывчатого состава)

В сформировавшейся УВ все параметры связаны взаимнооднозначным соответствием. Иными словами: для идентичных начальных условий невозможно сформировать волны, например, с одинаковыми скоростями, но разными давлениями во фронте или температурами. Это существенно упрощает многие эксперименты: достаточно измерить скорость или любую другую характеристику УВ – и остальные ее параметры можно определить по таблицам. Правда, подобное справедливо лишь для однократного ударного сжатия вещества. Если же оно сжимается несколькими волнами – тут возможны варианты.

УВ не только сжимает, она также и нагревает вещество, из-за чего плотность сжатого вещества не становится сколь угодно большой при неограниченном росте давления, а стремится к конечному пределу (воздух, например, сжимается не более чем в 6 раз). Предел ударного сжатия существует и для конденсированных веществ, а, поскольку сжатие конечно, массовая скорость вещества (скорость поршня) всегда меньше скорости фронта (рис. 1.11).

Но все это относится к субстанциям инертным, а ведь есть и такие, распад метастабильных[9] молекул которых происходит с выделением энергии. Достаточно мощная УВ как раз и инициирует этот процесс: за ударным фронтом, в нагретом веществе начинается химическая реакция. Вначале энергией этой реакции фронт «подпитывается», ускоряясь, затем устанавливается равновесие. Такой процесс называется детонацией, а установившаяся скорость УВ и химической реакции за ее фронтом – скоростью детонации, которая была для XIX века поистине неимоверной – 7,2 км/с (для пикриновой кислоты плотностью 1,6 г/см3).

Рис. 1.11

«Карандашная» иллюстрация сжатия вещества в УВ. Моделируется «воздушный» врыв и УВ распространяется сверху вниз. Пусть сжатие – двукратное, тогда в невозмущенном веществе зазоры должны быть равны толщине карандашей (так расположены карандаши зеленого цвета, имитирующие невозмущенное вещество). Начнем двигать верхний карандаш. Выбрав зазор, этот карандаш толкнет соседний, тот, пройдя зазор, – следующий и т. д. «Ударное сжатие» привело к смещению карандашей, захваченных процессом, «повышению плотности вещества». При этом «фронт» процесса (граница области, где находятся карандаши без зазоров между ними) всегда опередит любой из двигающихся карандашей. Чем больше сжатие (больше расстояние между карандашами), тем меньше различаются массовая скорость и скорость фронта, но отличие существует всегда. Цветами карандашей автор попытался проиллюстрировать и температурный профиль волны

Понятно, что термодинамические характеристики вещества изменяются при протекании в нем реакции, но явление детонации вполне возможно описать в рамках теории УВ: скорость детонации относительно продуктов реакции равна местной скорости звука в продуктах реакции (запомним это!).