Артиллерийское орудие, как и любая другая неидеальная тепловая машина, обладает далёким от 100% коэффициентом полезного действия. Горячие пороховые газы в момент выстрела расширяются, разгоняя снаряд до требуемой начальной скорости, однако большая часть их энергии уходит на нагрев канала ствола и окружающего пространства. Это обстоятельство, особенно в условиях постоянного роста мощности пороховых зарядов и увеличения скорострельности, требует особого внимания, так как длительное воздействие высоких температур неизбежно ведёт к перегреву ствола и казённой части орудия. Перегрев губительно сказывается как на ресурсе ствола, так и на кучности боя, поэтому в целях снижения негативного влияния высоких температур инженерами были разработаны несколько вариантов систем охлаждения, существенно отличающихся друг от друга по конструкции и принципу действия. Однако не все они оказались одинаково полезными и применимыми в боевых условиях.
Артиллерийский ствол — сложная, дорогая и довольно хрупкая конструкция с ограниченным ресурсом
Источник изображения: warspot.ru
Процесс передачи тепла от пороховых газов стенкам ствола во время выстрела происходит за сотые доли секунды, однако даже за этот короткий промежуток времени ствол успевает поглощать тепло в количестве от 150 и более килокалорий на квадратный метр площади. Первый удар принимают на себя тонкие — не более половины миллиметра толщиной — внешние слои канала ствола, фактически мгновенно разогревающиеся до 1000°C и так же быстро распространяющие тепло по всей толщине стенок ствола — одиночный выстрел практически не вносит никаких критических изменений в температурный фон.
Проблемы начинаются, когда орудие производит серию выстрелов с коротким промежутком между ними. В данном случае неравномерный по толщине прогрев стенок — холоднее во внешних слоях и горячее во внутренних — приводит к повышенным напряжениям и, как следствие, повышает шанс метнуть во врага не только снаряд, но и кусок ствола. Сильно перегретая «труба» быстро теряет свои прочностные свойства, что приводит к её прогибу под действием собственного веса, при этом прогиб в основном происходит в сторону более толстой части — из-за несовершенства технологического процесса изготовления стенки ствола зачастую имеют разную толщину. Разностенность даже в 2–3 миллиметра вкупе с перегревом и последующим прогибом ствола приводят к увеличению разброса до 20 метров на дальности стрельбы 1,5 км, но на этом негативное влияние на стрельбу не заканчивается.
Давление пороховых газов по мере прохождения их по стволу постепенно падает, поэтому стенки канала ствола, расположенные ближе к дульному срезу, почти не нагреваются и не испытывают расширения. Получается некое подобие раструба, что ведёт к значительному падению дальности стрельбы из-за потери плотного контакта между ведущей частью снаряда и стенками канала ствола по мере продвижения к дульному срезу. Экспериментальные стрельбы показали, что после трёх серий по 15 выстрелов с перерывами по 15 минут дальность полёта снарядов снизилась почти на 200 метров.
К негативным факторам перегрева можно отнести также явление самопроизвольного выстрела — нагретый казённик может воспламенить порох в метательном заряде, что вовсе не является редкостью, учитывая температуру в 220–250°C, при которой происходит возгорание картузов.
Финские пулемётчики с трофейным советским пулемётом ДС-39, который имел развитое оребрение ствола
Источник изображения: warspot.ru
Одним из наиболее простых и в то же время не лишённым эффективности методом охлаждения является увеличение площади охлаждаемой поверхности ствола с помощью рёбер-радиаторов. Они могут быть выполнены как единым целым со стволом, так и отдельным элементом. При этом радиаторы в виде отдельных элементов всё же предпочтительнее по одной простой причине — они могут быть изготовлены из материалов, обладающих большей теплопроводностью (алюминий, медь и т.д.), чем металл, из которого изготовлен ствол.
Рёбра-радиаторы относятся к устройствам пассивного охлаждения, поэтому довольно часто используются в конструкциях пулемётов и автоматических пушек. Они позволяют снизить температуру ствола — в зависимости от вариантов исполнения — примерно на 50%, не особо влияя на общую массу артиллерийской системы. Одним из плюсов установки радиаторов также является тот факт, что наряду с увеличением охлаждаемой поверхности радиатор сам поглощает часть тепла. Однако в артиллерии среднего и крупного калибров данный способ охлаждения не применяется в виду большой толщины стенок стволов — пока прогреваются внешние слои, во внутренних уже будут происходить негативные изменения.
Источник изображения: warspot.ru
Более эффективным способом, чем радиаторы, является внешнее жидкостное охлаждение ствола. Применяться оно стало довольно давно — взять хотя бы всем известный пулемёт Максима. Принцип действия внешнего охлаждения заключается в постоянном контакте наружной поверхности ствола с охлаждающей жидкостью. Для этого на стволе закрепляется специальный герметичный кожух, в котором циркулирует или находится в недвижимом состоянии вода (антифриз или другие составы). При этом охлаждение достигается не только за счёт теплоёмкости жидкости, но и за счёт парообразования. Данный способ позволяет ослабить рост температуры во время ведения огня, удерживая её на стабильном уровне.
Из плюсов системы можно выделить то, что внешнее охлаждение жидкостью оказывает минимальное негативное действие на ствол пушки из-за достаточно плавного протекания процесса отдачи тепла. Предпринимались попытки заменить воду и антифриз на негорючий газ — например, углекислоту. В этом случае автоматика заполняла кожух сжиженным газом, который за короткий промежуток времени охлаждал ствол вплоть до минусовой температуры. Эксперимент не увенчался успехом — из-за резкого колебания температур при воздействии газом в стенках ствола образовывались трещины, в конечном итоге приводившие к снижению его ресурса и разрыву.
Источник изображения: warspot.ru
Наиболее эффективный на сегодняшний день метод — это внутреннее охлаждение ствола пушки водой или другими охлаждающими составами. Его идея заключается в том, что раз ствол начинает разогреваться изнутри, то и охлаждать его тоже нужно изнутри. Принцип действия внутреннего охлаждения таков: после серии выстрелов в канал ствола с помощью трубы или форсунок под большим давлением подаётся холодная вода или другая жидкость, благодаря чему достигается быстрое падение температуры. Однако и этот способ не лишён недостатков.
Во-первых, частые перепады температуры неизбежно ведут к появлению сети трещин на стенках канала ствола, что чревато усилением его износа. Во-вторых, на воду неизбежно действует земное притяжение, поэтому наиболее интенсивное её воздействие будет происходить на нижнюю часть канала ствола, что приводит к неравномерному охлаждению и, как следствие, к возможному изгибу. В-третьих, на подготовку и проведение процесса ввода жидкости в ствол требуется время — темп стрельбы резко снижается.
Источник изображения: warspot.ru
Для того чтобы хоть как-то совместить эффективность внутреннего охлаждения и безопасность внешнего, был разработан метод межслойного охлаждения. Суть его заключается в том, что на поверхности ствола проделываются продольные канавки круглого сечения, которые герметично закрываются специальным кожухом. Через них принудительно прогоняется охлаждающая жидкость, близость которой к стенкам канала ствола обеспечивает эффективный отвод тепла. При этом постоянное присутствие движущейся жидкости не приводит к резким перепадам и неравномерности температур, что исключает изгиб ствола и увеличивает его ресурс. Межслойное охлаждение является, пожалуй, наиболее прогрессивным методом, хотя и не лишённым недостатков, связанных, в основном, со сложностью изготовления стволов и необходимостью постоянно иметь большой запас воды или другой охлаждающей жидкости.
Источник изображения: warspot.ru
Источник изображения: warspot.ru
Системы жидкостного охлаждения, к сожалению, пока не получили широкого распространения в артиллерии. Связано это с их громоздкостью — необходимо таскать с собой баки с водой, монтировать трубки для подачи жидкости и прочее — и невысокой автономностью, так как для прокачки жидкости требуется электричество или, как вариант, насос с двигателем внутреннего сгорания. Поэтому уделом подобных охлаждающих комплексов остаются, в основном, корабельные и зенитные самоходные орудия. Однако входящий в моду принцип «шквала огня», скорее всего, со временем заставит инженеров задуматься над решением данного вопроса
Литература:
- Орлов Б.В. Устройство и проектирование стволов артиллерийских орудий — Москва: «Машиностроение», 1976
- Валеев Г.Г. Артиллерийские метательные заряды — Казань: Государственный научно-исследовательский институт химических продуктов, 2004
Эдуард Рентген