Владимир Внуков - Артиллерия
Какая сила выбрасывает снаряд из орудия?
Когда в старину катапульта метала свои каменные снаряды, в ней была использована для работы упругость воловьих жил и кишок. Точно пружина, скрученный жгут толкал камень, бросал его в воздух.
Принцип действия катапульты вполне ясен.
А в чем заключается принцип действия огнестрельного артиллерийского орудия?
В современном артиллерийском орудии «пружиной», которая выталкивает снаряд из ствола, служат пороховые газы. «Пружина» эта обладает особыми свойствами.
Обычную пружину, если мы хотим заставить ее работать, нужно перед этим каким-нибудь способом сжать. На это надо затратить много энергии: не меньше, чем мы хотим получить при разжатии пружины. При работе катапульты рабы в течение долгого времени закручивали воловьи жилы и кишки, чтобы они потом с силой бросили камень.
Современное же орудие не требует от нас почти никакой затраты усилий перед выстрелом. Оно почти не нуждается в нашей энергии. Работа, совершаемая в орудии, производится за счет энергии, скрытой в порохе.
Перед выстрелом в орудие вкладывают снаряд и заряд пороха. Затем порох воспламеняют; он сгорает и обращается в газы, обладающие в момент своего образования очень большой упругостью. Эти газы, точно сильно сжатая пружина, с огромной силой начинают давить во все стороны (рис. 15).
Во все стороны – значит, и на дно снаряда.
Давление пороховых газов и выбрасывает снаряд из ствола с такой большой скоростью.
Рис. 15. Пороховые газы давят во все стороны, они выталкивают снаряд из ствола
В этом заключается особенность нашей «пружины»: ее энергия скрыта в порохе до тех пор, пока мы его не зажжем и пока он не обратится в газы. Тогда энергия освобождается и производит нужную нам работу.
Можно ли заменить порох бензином?
Скрытой энергией обладает не только порох: и дрова, и каменный уголь, и керосин, и бензин тоже обладают энергией, которая может быть использована при их сгорании.
Так почему бы не использовать для выстрела другое горючее, например бензин? При горении бензин, тоже обращается в газы. Почему бы не поместить над орудием бак с бензином и не подводить его по трубке в ствол? Тогда нужно будет при заряжании вкладывать только снаряд, а «заряд» сам потечет в ствол, Только открыть кран!
Это было бы очень удобно.
Да и качества бензина как топлива как будто выше качеств пороха: если сжечь один килограмм бензина, выделится 10 000 больших калорий, а один килограмм пороха даст при сгорании лишь 665—910 калорий, то-есть раз в 11-16 меньше, чем бензин. Это значит, что килограмм бензина дает столько тепла, что им можно было бы нагреть на один градус 10 000 литров воды, а килограмм пороха нагреет всего лишь 665—910 литров воды.
Почему же не «стреляют бензином»?
Для того чтобы ответить на этот вопрос, нужно посмотреть, как горит бензин и как горит порох.
На открытом воздухе и бензин, и порох горят не очень медленно, но и не очень быстро. Они горят, но не взрываются. Тут особой разницы между бензином и порохом нет.
Но совсем по-разному будут вести себя бензин и порох, если их поместить в замкнутом, закрытом со всех сторон пространстве, лишенном притока воздуха, например, в стволе орудия. Бензин в этом случае гореть не будет: для его горения нужен приток воздуха, приток кислорода.
Порох же в закрытом пространстве сгорит очень быстро: он взорвется и обратится в газы.
Горение пороха в закрытом пространстве – явление очень сложное, своеобразное, совсем не похожее на обычное горение. В науке подобные явления называют «взрывчатым разложением» или «взрывчатым превращением», лишь условно сохраняя за ним более привычное название «горение».
Почему же порох горит и даже взрывается без доступа воздуха?
Потому что в самом порохе содержится кислород, за счет которого и происходит горение.
В замкнутом пространстве порох сгорает чрезвычайно быстро, газов выделяется очень много, и температура их очень высока. В этом сущность взрыва; в этом отличие взрыва от обыкновенного горения.
Итак, чтобы получить взрыв, нужно зажечь порох непременно в замкнутом пространстве. Пламя тогда очень быстро, почти мгновенно, распространится по поверхности пороха, – произойдет его воспламенение. А затем порох сгорит и превратится в газы.
Так протекает взрыв. Он возможен только при наличии кислорода в самом взрывчатом веществе.
В этом именно и состоит особенность пороха и почти всех других взрывчатых веществ: в них самих имеется кислород, и они не нуждаются в притоке кислорода извне.
Возьмем хотя бы порох, применяющийся с незапамятных времен: дымный, черный порох. В нем смешаны уголь, селитра и сера. Горючим здесь является уголь. В селитре содержится кислород. А сера введена для того, чтобы порох легче зажегся; кроме того, сера служит скрепляющим веществом, она соединяет уголь с селитрой. При взрыве этот порох далеко не весь обращается в газы. Большая часть сгоревшего пороха, в виде мельчайших твердых частиц, осаждается на стенках канала ствола (нагар) и в виде дыма выбрасывается в воздух. Поэтому такой порох и называется дымным.
В современных орудиях применяется обычно бездымный, пироксилиновый порох. Его изготовляют из сильного взрывчатого вещества – пироксилина, обработанного смесью спирта и эфира. А пироксилин, в свою очередь, получают из хлопка, обработанного смесью азотной и серной кислот.
В пироксилиновом порохе, так же как и в дымном, содержится кислород. Этот кислород выделяется при взрывчатом превращении, и за его счет происходит сгорание пороха.
Пироксилиновый порох при горении весь превращается в газы, не дает дыма.
Итак, порох сравнивать с бензином нельзя: в порохе есть все, что нужно для его горения, а в бензине нет кислорода.
Поэтому, когда нужно добиться быстрого сгорания бензина в закрытом пространстве, например в цилиндре автомобильного мотора, нам приходится устраивать специальные сложные приспособления, для того чтобы предварительно смешать бензин с воздухом-приготовить горючую Смесь.
Рис. 16. При горении пороха образуется гораздо больше газов, чем при горении бензина
Порох в этом отношении гораздо удобнее.
Но дело не только в удобстве.
Мы уже сказали, что один килограмм бензина дает 10 000 больших калорий, тепла. Но, оказывается, для сгорания каждого килограмма бензина нужно к нему присоединить 15,5 килограмма воздуха. Значит, 10 000 калорий приходится не на один килограмм, а на 16,5 килограммов горючей смеси. Один же ее килограмм выделит при горении всего около 610 калорий. Это уже меньше, чем дает один килограмм пироксилинового пороха.
Как видим, смесь бензина с воздухом уступает пороху и в калорийности.
Однако главное все же не в этом. Главное в том, что при взрыве пороха образуется очень много газов. Количество газов, образующихся при сгорании одного литра дымного и пироксилинового пороха, показано на рисунке 16.
Объем этот газы заняли бы при охлаждении их до нуля градусов и при давлении в одну атмосферу, то-есть при нормальном давлении. Если же взять объем пороховых газов при температуре взрыва, то он будет еще во много раз больше.
Из рисунка 16 видно, что пироксилиновый порох выделяет, газов в четыре с лишним раза больше, чем дымный, черный порох. Поэтому пироксилиновый порох и сильнее дымного.
Но и этим не исчерпываются преимущества пороха перед обычными горючими. Большое значение имеет еще скорость превращения пороха в газы.
Взрыв порохового заряда при выстреле длится всего несколько тысячных долей секунды. Бензиновая смесь в цилиндре мотора горит раз в десять медленнее.
Пороховой заряд 76-миллиметровой пушки целиком превращается в газы меньше чем за 6 тысячных (0,006) секунды.
Такой малый промежуток времени даже трудно себе представить. Ведь «миг» – мигание века человеческого глаза – длится около трети секунды.
На взрыв порохового заряда уходит в пятьдесят раз меньше времени.
Взрыв заряда бездымного пороха создает в стволе орудия огромное давление: до 3 500-4 000 атмосфер, то-есть 3 500-4 000 килограммов на каждый квадратный сантиметр.
Высокое давление пороховых газов и очень малое время взрывчатого превращения и создают огромную мощность при выстреле. Такой мощности в тех же условиях не создает ни одно из других горючих.
Сильнее взрыва!
Почему же на открытом воздухе бездымный порох спокойно горит, а не взрывается?
На открытом воздухе можно по часам проследить время горения ленты бездымного пороха (рис. 17); между тем самый точный секундомер не позволяет измерить время взрыва того же пороха в орудии. Чем же объяснить такую разницу во времени?
Оказывается, все дело здесь в условиях, при которых происходит образование газов.
Рис. 17. На открытом воздухе порох горит спокойно. В замкнутом пространстве порох взрывается
