Крешерный прибор, позволяющий по сжатию медного столбика судить о давлении газов, положил основу для развития специального отдела экспериментной баллистики – манометрии и вызвал появление манометрических бомб, давших возможность изучать законы горения порохов при высоких давлениях, законы газогидравлики при постоянном объёме, т.е. в простейших условиях, когда пороховые газы не совершают работу.
В 1868 – 1875 гг. Нобель и Абель провели опыты по сжиганию в манометрической бомбе данных порохов, определили качественный и количественный состав продуктов горения, их теплоёмкости, количество выделяемой теплоты, а также зависимость максимального давления от силы пороха и плотности заряжания. Эта зависимость используется и в настоящее время при решении задач внутренней баллистики.
В 1864 г. Резалем было выведено дифференциальное уравнение, которое на основе первого закона термодинамики устанавливало баланс энергии, выделяющейся при горении пороха и энергией в производстве различных работ при выстреле. Уравнение Резаля устанавливает связь между элементами выстрела (p, υ, e, y) при движении снаряда и горении пороха, которая используется также при решении задач внутренней баллистики.
Своего рода скачком в развитии артиллерии и внутренней баллистики было изобретение бездымных порохов – пироксилинового смесевого пороха – Вьелем во Франции (1884 г.), нитроглицеринового пороха Нобелем и Абелем в Англии (1889 г.) и пироколлодийного пороха
Д. И. Менделеевым в России (1890 г.).
В 1860 году Вьель изобрёл записывающий крешерный прибор. С этого момента времени манометрическая бомба стала важной как для теории, так и для практики.
Отметим основные результаты, полученные исследователями на бездымных порохах в этот период.
1. Бездымный порох удовлетворяет "признаку Вьеля", т.е. он горит параллельными слоями. Таким образом, на основании чисто геометрических соображений, можно установить связь между газоприходом и формой порохового зерна. Геометрический закон горения является лишь схематизацией процесса горения, который используется при решении задач внутренней баллистики.
2. В противовес геометрическому закону скорости горения, Шарбонье (1905 г.) рассматривал особую функцию формы всего заряда, где показатель b в формуле s = (1 - y)b определялся
по результатам сжигания заряда в манометрической бомбе (s - относительная поверхность
горения заряда, y - относительный вес сгоревшего заряда).
3. Были найдены выражения для скорости горения, имеющие вид:
u = Apv выведена Вьелем (1891 г.)
u = ap+b выведена С.Л. Вуколовым (1897 г.)
u = Аp принятое Н.Ф. Дроздовым (1903 г.) при решении прямой задачи внутренней баллистики и позднее подтверждённое Шмицем (1913 г.) и другими исследователями (М.Е. Серебряновым в 1925 г.).
4. Определена теплоотдача стенкам манометрической бомбы при горении порохового заряда, что важно при определении силы пороха – f и коволюма пороховых выходных газов и тд., ределена теплоотдача стенкам манометрической бомбы при горении порохового заряда, что важно при определении силы пороха. При рассмотрении достижений внутренней баллистики в этот период, необходимо отметить выдающийся вклад профессора генерал-полковника М.Ф. Дроздова, который первым в мире дал математически точное решение основной задачи внутренней баллистики в 1903 – 1910 гг., а также Н.В. Маевского, основоположника школы русских баллистиков, его ученика Н.А. Забуцкого. В 1904 и 1914 г. Н.А. Забуцким были проведены крупные исследования стрельб из специальных орудий для получения на опыте кривых давлений и скоростей в функции пути снаряда. Эти работы явились фундаментальным вкладом в развитие внутренней баллистики.
Первая диссертация по внутренней баллистике в России была защищена в 1904 г. И.П. Граве, один из создателей советской школы внутренней баллистики, автор капитального труда «Внутренняя баллистика».
Из других учёных, внёсших большой вклад в развитие и совершенствование внутренней баллистики, необходимо упомянуть о российских исследователях, таких как Г.П. Киснешский, А.В. Сапожников, О.Г. Филиппов, А.Ф. Бринк, В.М. Трофимов; из зарубежных исследователей нужно отметить Гейденрейха, Ледюка, Валлиера, Сарро, Себера, Гюгонио, Лиувилль, Муассон, Госсо, Роггл.
3-ий этап – этап современной баллистики.
Советская школа внутренней баллистики.
В первую очередь необходимо отметить работы Комиссии особых артиллерийских опытов (КОСАРТОП (1919 – 1926 гг.)) под руководством известного русского учёного артиллериста В.М. Трофимова.
Перед КОСАРТОПом была поставлена задача разработки сверхдальнего орудия для стрельбы свыше 120 км, превзойти «большую Берту» по дальности стрельбы. Эта задача предусматривала для внутренней баллистики разработку наивыгоднейшей конструкции канала ствола, определение наилучших условий заряжания, разработка пороха высокой прогрессивности горения. КОСАРТОПом было издано около 150 монографий по различным вопросам артиллерийской науки и до 80 конструкторских проектов. В.М. Трофимовым в области внутренней баллистики были написаны такие работы, как «Механика порохового газа», «Горение прогрессивного пороха», «Волнообразное сгорание пороха», «О выборе баллистических элементов» и др. Работа КОСАРТОПа сыграла большую роль в объединении и привлечении ряда крупных учёных и инженеров к решению важнейших проблем науки и техники. В.М. Трофимов, Н.Ф. Дроздов и И.П. Граве были создателями советской школы баллистиков. Профессор Н.Ф. Дроздов в развитии своей основной работы, упомянутой ранее, написал целый ряд и составил специальные таблицы для решения задач внутренней баллистики. Н.Ф. Дроздов был первым президентом Академии Артиллерийских наук СССР. Профессор ИюП. Гриве читал в Артиллерийской Академии РККА внутреннюю баллистику и написал самый полный в мировой литературе курс теоретической внутренней баллистики (1932 – 1938 гг.). После 1938 г. работал на кафедре внутренней баллистики Артиллерийской Академии им. Ф.Э. Дзержинского.
Неоценимую роль в развитии внутренней баллистики сыграли капитальные труды учёных таких, как академика А.А. Благонравова (президента Академии артиллерийских наук СССР с 1946 по 1950 гг.) «Основание проектирования автоматического оружия» (1940 г.), Е.А. Беркалова крупного специалиста в области сверхдальней стрельбы и получивший при стрельбе подкалиберными снарядами дальность свыше 100 км; М.Е. Серебрякова, создателя физического закона горения пороха на основе изобретённого им конического крешерного прибора; В.Е. Слухоцкого, Д.А. Венцеля, Е.Л. Бравина, Б.Н. Окунева, М.С. Горохова и др. В частности, член кор. профессором М.С. Горохов для обобщений метод Н.Ф. Дроздова для решения задач внутренней баллистики.
Существенный вклад в модернизацию артиллерийских систем и создание новых систем внесли выдающиеся конструкторы: В.Г.Грабин, Ф.Ф. Петров, В.Г. Фёдоров, Б.И. Шавырин, И.И. Иванов, Цирюльникова М.Ю. и др.
Результаты работ учёных, конструкторов, организаций и предприятий, для примера, приведены в таблице 1 и 2.
Характеристика орудий Таблица 1.
| Тип орудия 76 мм зенитная пушка обр.1915 г. 75 мм пушка обр.1917 г. 76,5 мм зенитная 77 мм пушка обр.191 152 мм пушка обр.1910 г. 155 мм пушка обр. 77/18 155 мм пушка 1918 | Начальная скорость, м/с - | Вес снаряда, кг 6,5 7,98 - - | Дальность, км 8,5 11,2 13,6 11,0 12,4 19,0 19,2 | Страна Россия Франция Чехословакия Германия Россия Франция Германия |
Таблица 2.
Характеристика новых систем орудий в СССР на 1941 – 1945 г.
| Тип орудия | Вес снаряда, кг | Начальная скорость снаряда, м/с | Наибольшая дальность, м | Скорострельность, выстр./мин |
| 76 мм зенитная пушка обр.1938 г. 152 мм пушка обр. 1935 г. 100 мм пушка обр.1944 г. | 6,5 48,8 15,9 | 14 000 25 750 20 650 | 4-5 |
Из таблиц 1 и 2 видно насколько выросли характеристики орудий советской артиллерии, которые по многим показателям превосходили зарубежные образцы.
В послевоенный период, несмотря на ослабление роли ствольной артиллерии в бою с появлением ракет и реактивной артиллерии, ствольная артиллерия постоянно усовершенствуется. Эти усовершенствования идут в направлении увеличения скорострельности автоматических пушек, живучести ствола и т.д. Расширяются и усложняются задачи, стоящие перед внутренней баллистикой. Появляются новые методы решения, снимаются прежние устаревшие допущения и заменяются новыми, внедряются новые экспериментальные методы и более совершенная аппаратура, что даёт в руки исследователей новый материал и новую методику исследований.
В первую очередь необходимо отметить газодинамический метод решения основной задачи внутренней баллистики, который рассматривает волновые процессы неустановившегося течения газа в канале ствола орудия. Как упоминалось ранее, постановку задачи и её решение дал Ж. Лагранж (1793 г.). Существенно новый подход к решению этой задачи дал французский артиллерист Г. Гюгонио «О распространении движения в теле и, в особенности, в газе» (1889 г.), где он эффективно применил метод характеристик для решения уравнений газовой динамики. Наиболее полно метод характеристик в приложении к задачам внутренней баллистики был разработан учеником М.С. Горохова, выпускником Томского Госуниверситета доцентом С.А. Бетехтиным (1947 – 1950 гг.) «Исследование движения газов в канале ствола и в период последействия». Газодинамические методы, у истоков которых стояли М.С. Горохов, С.А. Бетехтин и В.Н. Валюнов, успешно развивались и развиваются в томской школе баллистиков, благодаря таким учёным, как Л.В. Комаровский, В.М. Ушаков, Ю.Т. Хоменко, Ю.Ф. Христенко, О.А. Никулин, Ю.К. Зинченко, Погорелов, Жаровцев, Широков и др.
Основная задача внутренней баллистики была решена с учётом практически всех известных факторов, которыми пренебрегали ранее или учитывали приближённо: противодавлением воздуха, изменением состава пороховых газов в процессе выстрела, учётом отставания пороховых зёрен, учёт теплоотдачи, учёт воспламенительного периода выстрела, учёт трения снаряда в канале ствола и т.д. При решении задач использовались такие методы, как метод характеристик, методы сквозного счёта, метод СЭЛ. Разработана программа оптимального проектирования и решена обратная задача внутренней баллистики также газодинамическим методом. Методом характеристик Зинченко Ю.К. решена задача Лагранжа в осесимметричной постановке, удачно выбраны новые относительные переменные при решении задачи Лагранжа, отражающие физическую картину течения газа. Численные решения опираются на богатый экспериментальный материал, полученный на пороховых установках О.А. Никулина, в манометрической бомбе Ю.Ф. Христенко с использованием упругого крешерного прибора, разработанного М.С. Гороховым и Т.М. Платовой, а также других измерительных приборов, разработанных этой школой.
Фундаментальным трудом в области неустановившегося течения газа является работа К.П. Станюковича «Неустановившееся движение сплошной среды» (1955 г).
Теория горения пороха получила дальнейшее развитие в трудах академика Я.Б. Зельдовича, член-корреспондента В.Н. Вилюнова, О.И. Леопунского, А.А. Зенина и др.; теория теплоотдачи в трудах заслуженного деятеля науки и техники РСФСР д.т.н. профессора Б.В. Орлова.
Большой вклад в развитие современной внутренней баллистики внёс Заслуженный деятель науки и техники РСФСР д.т.н. профессор Ю.В. Чуев.
Сравнивая успехи внутренней баллистики, сделанные в СССР и за рубежом, можно отметить опережающую роль российских учёных баллистиков в области теории и решения баллистических задач, несмотря на отставание России в областях измерительной и вычислительной техники. Из зарубежных баллистиков необходимо отметить таких, как Кранц, Мюраур, Гроу, Гримшоу, Уолш, Уорнер, Сюго, Лаплас, Бодлен, Шмиц, Кент, Карман Фрocceл и др.
В заключение можно сделать общий вывод:
В расширении наших знаний о выстреле и о сопутствующих ему явлениях, в установлении новых закономерностей, в замене устаревших положений новыми, в усовершенствовании нашего умения управлять выстрелом в нужную для нас сторону и заключается развитие внутренней баллистики.
Задача курса внутренней баллистики – ознакомить с современным состоянием этой дисциплины, с теоретическими основами внутренней баллистики, которые могут быть применены к решению различных практических задач.
