Мы уже установили, что огнестрельная артиллерия появилась тогда, когда люди узнали свойства черного пороха.
Черный порох состоит из калиевой селитры, угля и серы. Основным горючим веществом служит уголь. В селитре содержится кислород, который бурно выделяется при ее нагревании. Сера служит для того, чтобы облегчить зажжение пороха; кроме того, она является связующим веществом — связывает уголь с селитрой.
Таким образом, черный порох может быстро сгорать в замкнутом пространстве: он не нуждается в притоке кислорода из воздуха. Газы, образовавшиеся в кратчайший промежуток времени, давят с большой силой на снаряд и выбрасывают его из канала ствола.
В современных орудиях применяется бездымный пироксилиновый порох. Он изготовляется из взрывчатого вещества — пироксилина, обработанного смесью спирта с эфиром. Пироксилин получают из хлопка, обрабатывая его смесью азотной и серной кислот. В этом порохе также содержится кислород, который выделяется при взрывчатом разложении пороха. При своем сгорании пироксилиновый порох в отличие от черного совершенно не дает дыма.
При стрельбе из орудий имеет также большое значение количество газов, образующихся при сгорании 1 литра пороха. Для сравнения интенсивности газообразования приведем несколько цифр. При сгорании 1 литра дымного пороха при 0 градусов и при давлении в 1 атмосферу образуется 336 литров газов; при сгорании 1 литра пироксилинового пороха—1440 литров. Этим не исчерпываются те преимущества, которыми обладает пироксилиновый порох по сравнению с остальными горючими веществами.
Большое значение также имеет скорость газообразования, то есть скорость превращения пороха в газ: взрывчатое превращение пироксилинового пороха длится всего лишь около шести тысячных долей секунды.
При взрыве заряда из пироксилинового пороха в канале ствола создается давление, которое достигает 2500–3000 килограммов на один квадратный сантиметр.
Вследствие такого высокого давления и чрезвычайно малого, измеряемого тысячными долями секунды, времени взрывчатого превращения при выстреле создается огромная мощность.
Многие знают, что на открытом воздухе порох горит спокойно и не взрывается. Возьмите ленту бездымного пороха и подожгите ее. Скорость горения пороха на открытом воздухе настолько невелика, что вы сможете по часам проследить время горения. Но нет еще такого секундомера, при помощи которого можно измерить время взрыва той же ленты бездымного пороха в замкнутом пространстве.
Чем же объяснить такую разницу во времени горения?
Оказывается, что все дело в условиях, при которых происходит горение. Разберем случай горения пороха в закрытом сосуде. В этом случае газы, выделяющиеся при горении пороха, заполняют весь объем, Давление резко повышается. Под действием этого давления скорость горения пороха увеличивается, вследствие чего давление продолжает расти; происходит взрыв. При горении же пороха на открытом воздухе газы быстро рассеиваются и давление остается постоянным. Вместе с этим остается постоянной и скорость горения.
Таким образом, увеличивая давление, мы можем увеличить и скорость горения пороха. Следовательно, при желании мы можем получить скорость горения в сотни раз большую, чем при обыкновенном взрыве. Взрывчатое превращение, протекающее со скоростью, измеряемой тысячами метров в секунду, называется детонацией.
Может возникнуть вопрос; что лучше для стрельбы — обычный взрыв или детонация?
Попробуем создать условия, при которых в орудии произойдет детонация. Для этого все пространство каморы, оставшееся за дном снаряда, заполним порохом. Зажжем порох. С началом горения пороха в каморе создается повышенное давление. Под действием этого давления скорость горения остального заряда быстро возрастет. Вследствие этого давление еще больше увеличится. Весь порох сразу превратится в газ. Давление возрастет в несколько раз. Все это произойдет за неизмеримо короткий промежуток времени. При такой кратковременности действия снаряд не успеет еще тронуться с места, как огромное давление разорвет казенную часть ствола на куски. Значит, детонация не годится для стрельбы из орудий.
Нельзя заполнять все заснарядное пространство каморы порохом. Поэтому при составлении зарядов для орудия обращают внимание на объем каморы и на вес необходимого заряда.
Отношение веса заряда в килограммах к объему каморы в литрах называют плотностью заряжания. Обычно плотность заряжания не превышает 0,5–0,7 килограмма пороха на 1 литр объема каморы.
Мы упомянули о детонации обычного пороха. Но есть вещества, которые специально предназначены для получения детонации. Эти вещества называются бризантными. Они могут детонировать от удара, от укола или от трения.
В артиллерии бризантные вещества, чувствительные к уколу, используются для воспламенения заряда пороха и для снаряжения снарядов.
До зажжения порох обладает только скрытой энергией. После воспламенения заряда в каморе происходит взрывчатое превращение. Порох превращается в сильно нагретый газ. Резкое повышение температуры заставляет молекулы газа двигаться быстрее — давление увеличивается. Тем самым химическая энергия пороха превращается в тепловую— то есть в энергию движения молекул газа. Под действием давления начинает двигаться снаряд — энергия пороха превращается в энергию движения снаряда.
Какое количество энергии заключается в заряде пороха?
Простые подсчеты показывают, что снаряд весом 6,5 килограмма, вылетающий из орудия со скоростью 800 метров в секунду, приобретает в канале ствола энергию, равную 212 000 килограммометров.
Но не вся энергия пороха уходит на выталкивание снаряда из орудия. Около двух третей энергии заряда расходуется на различные потери. В нашем примере количество энергии, которое заключено в пороховом заряде, будет равно приблизительно 636 000 килограммометров.
Вся энергия заряда выделяется всего лишь за шесть тысячных долей секунды, при этом мощность получается равной 470 000 лошадиных сил. Вот какова мощность выстрела небольшой пушки.
При выстреле в орудий происходят сложные химические процессы газообразования, в результате чего развивается очень высокая температура, равная 2500–3000 градусов. При этом производится огромная работа по сообщению движения снаряду.
Таким образом, артиллерийское орудие представляет собой тепловую машину, основанную на использовании энергии сильно нагретых газов, которые образуются при взрывчатом превращении заряда. Эта машина является весьма оригинальной по условиям и характеру работы.
Несмотря на все свои преимущества, порох обладает и целым рядом существенных недостатков.
Прежде всего, температура взрывчатого превращения почти в три раза превышает температуру пламени обыкновенной газовой горелки и в два раза температуру плавления стали, из которой изготовляется ствол орудия. Может даже возникнуть вопрос: почему же ствол не расплавляется при первом же выстреле? Однако найти объяснение этому очень легко, если вспомнить, что время взрывчатого превращения равно только шести тысячным долям секунды. За такой короткий промежуток времени ствол не успевает нагреться до температуры плавления. Но все же от этой температуры и от трения снаряда ствол сильно нагревается, и при интенсивной стрельбе приходится делать перерывы для его охлаждения. В результате высокой температуры и действия газов металл со временем портится, «выгорает», и ствол приходит в негодность.
Мы с вами уже видели, что давление в канале ствола при выстреле достигает 2500–3000 килограммов на один квадратный сантиметр. Для того, чтобы ствол мог выдержать такое большое давление, его стенки делают толстыми. Это увеличивает вес артиллерийского орудия, уменьшает его подвижность и тем самым снижает боевые качества.
Большим недостатком является также звук выстрела. Он демаскирует орудие. Попытки заглушить звук выстрела пока желательных результатов не дали.
Кроме этого, серьезным недостатком применения пороха является пламя, образующееся у дула в момент выстрела. Так называемый блеск выстрелов нередко позволяет противнику обнаруживать стреляющую батарею.
