Физика как она есть — различия между версиями

Версия 10:20, 27 января 2010

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.

Расчёт удельного импульса для различных систем
Орудие или пулемёт	Калибр	Масса снаряда	Начальная скорость	Дульный импульс	Площадь поперечного сечения снаряда (пули)	Удельный дульный импульс
	D	m	V0	p0	S	p0/S
	мм	кг	м/с	кг×м/с	мм²	кг×м/(с×мм²)
Союз Советских Социалистических Республик
ДТ	7,62	0,0096	840	8	46	0,17
ДШК	12,7	0,048	850	41	127	0,32
КПВ	14,5	0,060	976	59	165	0,36
ПТРС, ПТРД	14,5	0,060	1020	61	165	0,37
ТНШ	20	0,096	815	78	314	0,25
72-К	25	0,29	910	264	491	0,54
1-К	37	0,66	820	541	1075	0,50
61-К	37	0,77	872	671	1075	0,62
53-К, 20-К	45	1,43	760	1087	1590	0,68
М-42	45	1,43	870	1244	1590	0,78
ЗиС-2	57	3,19	990	3158	2550	1,24
ЗиС-3, Ф-34, ЗиС-5	76	6,3	662	4171	4534	0,92
52-К, Д-5, ЗиС-С-53	85	9,2	800	7360	5672	1,30
БС-3, Д-10	100	15,6	895	13962	7850	1,78
А-19, Д-25	122	25,0	790	19750	11684	1,69
М-10, Д-1	152	40	508	20320	18137	1,12
МЛ-20	152	48,8	600	29280	18137	1,61
Бр-2, БЛ-8, БЛ-10 1	152	48,8	850	41480	18137	2,28
Великогерманский Рейх
MG 34	7,92	0,01426	755	11	49	0,22
PzB 39	7,92	0,01426	1020	15	49	0,3
MG 131 2	13	0,0385	750	29	132	0,22
2-cm-FlaK, 2-cm-KwK	20	0,134	900	121	314	0,39
Pak 35/36, 3.7-cm-KwK	37	0,685	760	521	1075	0,48
3.7-cm-FlaK	37	0,685	840	575	1075	0,53
5-cm-KwK L/42	50	2,06	685	1411	1963	0,72
Pak 38, 5-cm-KwK L/60	50	2,06	823	1695	1963	0,86
7,5-cm-KwK L/24	75	6,8	385	2618	4416	0,59
7,5-cm-KwK L/43	75	6,8	740	5032	4416	1,14
Pak 40, 7,5-cm-KwK L/48	75	6,8	792	5386	4416	1,22
7,5-cm-KwK L/70	75	6,8	925	6290	4416	1,42
Flak 36, 8,8-cm-KwK L/56	88	9,4	795	7473	6079	1,23
Flak 41, Pak 43, 8,8-cm-KwK L/71	88	9,4	980	9212	6079	1,52
10.5-cm-le.FH 18	105	14,25	470	6698	8655	0,77
10-cm-s.K 18	105	14,25	835	11899	8655	1,37
10.5-cm-Flak	105	14,25	881	12554	8655	1,45
12.8-cm-Flak	128	28,3	860	24338	12861	1,89
Pak 44	128	28,3	930	26319	12861	2,05
15-cm-s.FH 18	150	43,5	520	22620	17663	1,28
Соединённое Королевство Великобритании и Северной Ирландии
RO QF 2 pounder	40	1,08	792	855	1256	0,68
Bofors 40 mm	40	1,08	881	951	1256	0,76
RO QF 6 pounder L/50	57	2,86	892	2551	2550	1,00
RO QF 17 pounder	76	7,68	884	6789	4534	1,50
RO QF 25 pounder	87,6	9,0	520	4680	6024	0,78
Королевство Италия
da 20/65 mod. 35	20	0,134	840	113	314	0,36
da 47/32 mod. 35	47	1,44	630	907	1734	0,52
da 75/18 mod. 34	75	6,4	425	2720	4416	0,62
da 75/32 mod. 37	75	6,3	624	3931	4416	0,89
da 75/46 mod. 34	75	6,5	750	4875	4416	1,10
da 90/53 mod. 41	90	10,6	830	8798	6359	1,38
Соединённые Штаты Америки
37 mm Gun M3	37	0.87	884	769	1075	0,72
57 mm Gun M1	57	2.85	853	2431	2550	0,95
75 mm Gun M3	75	6.3	619	3900	4416	0,88
3 inch Gun M5, 3 inch Gun M7, 76 mm Gun M1	76	6.8	792	5386	4534	1,19
90 mm Gun M2	90	10.6	823	8724	6359	1,37
155 mm Gun M1918	155	45.4	735	33369	18860	1,77
155 mm Gun M2 «Long Tom»	155	45.4	837	38000	18860	2,01
1 — в единичном экземпляре устанавливались на опытные САУ СУ-14-Бр-2, ИСУ-152-1 и ИСУ-152-2 2 — авиационное оружие Люфтваффе, но, согласно некоторым сведениям, 13-мм пулемёт устанавливался на опытный танк Panzerkampfwagen I Ausf.C

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 (помимо этого 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.

Расчёт дульной кинетической энергии для различных систем
Орудие или пулемёт	Калибр	Масса снаряда	Начальная скорость	Дульная кинетическая энергия
	D	m	V0	E0 = ½×m×V0²
	мм	кг	м/с	кДж
Союз Советских Социалистических Республик
ДТ	7,62	0,0096	840	3,4
ДШК	12,7	0,048	850	17,3
КПВ	14,5	0,060	976	28,6
ПТРС, ПТРД	14,5	0,060	1020	31,2
ТНШ	20	0,096	815	31,9
72-К	25	0,29	910	120
1-К	37	0,66	820	222
61-К	37	0,77	872	293
53-К, 20-К	45	1,43	760	413
М-42	45	1,43	870	541
ЗиС-2	57	3,19	990	1563
ЗиС-3, Ф-34, ЗиС-5	76	6,3	662	1378
52-К, Д-5, ЗиС-С-53	85	9,2	800	2944
БС-3, Д-10	100	15,6	895	6248
А-19, Д-25	122	25,0	790	7801
М-10, Д-1	152	40	508	5161
МЛ-20	152	48,8	600	8784
Бр-2, БЛ-8, БЛ-10	152	48,8	850	17629
Великогерманский Рейх
MG 34	7,92	0,01426	755	4,1
PzB 39	7,92	0,01426	1020	7,4
MG 131	13	0,0385	750	10,8
2-cm-FlaK, 2-cm-KwK	20	0,134	900	54,3
Pak 35/36, 3.7-cm-KwK	37	0,685	760	198
3.7-cm-FlaK	37	0,685	840	242
5-cm-KwK L/42	50	2,06	685	483
Pak 38, 5-cm-KwK L/60	50	2,06	823	698
7,5-cm-KwK L/24	75	6,8	385	504
7,5-cm-KwK L/43	75	6,8	740	1861
Pak 40, 7,5-cm-KwK L/48	75	6,8	792	2133
7,5-cm-KwK L/70	75	6,8	925	2909
Flak 36, 8,8-cm-KwK L/56	88	9,4	795	2022
Flak 41, Pak 43, 8,8-cm-KwK L/71	88	9,4	980	4514
10.5-cm-le.FH 18	105	14,25	470	1574
10-cm-s.K 18	105	14,25	835	4968
10.5-cm-Flak	105	14,25	881	5530
12.8-cm-Flak	128	28,3	860	10465
Pak 44	128	28,3	930	12238
15-cm-s.FH 18	150	43,5	520	5881
Соединённое Королевство Великобритании и Северной Ирландии
RO QF 2 pounder	40	1,08	792	339
Bofors 40 mm	40	1,08	881	419
RO QF 6 pounder L/50	57	2,86	892	1138
RO QF 17 pounder	76	7,68	884	3001
RO QF 25 pounder	87,6	9,0	520	1217
Королевство Италия
da 20/65 mod. 35	20	0,134	840	47,3
da 47/32 mod. 35	47	1,44	630	286
da 75/18 mod. 34	75	6,4	425	578
da 75/32 mod. 37	75	6,3	624	1227
da 75/46 mod. 34	75	6,5	750	1828
da 90/53 mod. 41	90	10,6	830	3651
Соединённые Штаты Америки
37 mm Gun M3	37	0.87	884	340
57 mm Gun M1	57	2.85	853	1037
75 mm Gun M3	75	6.3	619	1207
3 inch Gun M5, 3 inch Gun M7, 76 mm Gun M1	76	6.8	792	2133
90 mm Gun M2	90	10.6	823	3590
155 mm Gun M1918	155	45.4	735	12263
155 mm Gun M2 «Long Tom»	155	45.4	837	15903

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.