Баллистика

Балли́стика

(нем. Ballistik, от греч. ballo — бросаю)

наука о движении артиллерийских снарядов, пуль, мин, авиабомб, активнореактивных и реактивных снарядов, гарпунов и т.п. Б. — военно-техническая наука, основывающаяся на комплексе физико-математических дисциплин. Различают внутреннюю и внешнюю баллистику.

Внутренняя Б. изучает движение снаряда (или другие тела, механическа свобода которого ограничена определенными условиями) в канале ствола орудия под действием пороховых газов, а также закономерности других процессов, происходящих при выстреле в канале ствола или каморе пороховой ракеты. Рассматривая выстрел как сложный процесс быстрого превращения химической энергии пороха в тепловую, а затем в механическую работу перемещения снаряда, заряда и откатных частей орудия, внутренняя Б. различает в явлении выстрела: предварительный период — от начала горения пороха до начала движения снаряда; 1-й (основной) период — от начала движения снаряда до конца горения пороха; 2-й период — от конца горения пороха до момента вылета снаряда из канала ствола (период адиабатическом расширения газов) и период последействия пороховых газов на снаряд и ствол. Закономерности процессов, связанные с последним периодом, рассматриваются специальным разделом баллистики —промежуточной баллистикой. Конец периода последействия на снаряд разделяет область явлений, изучаемых внутренней и внешней Б. Основными разделами внутренней Б. являются пиростатика, пиродинамика и баллистическое проектирование орудий. Пиростатика изучает законы горения пороха и газообразования при сгорании пороха в постоянном объёме и устанавливает влияние химической природы пороха, его формы и размеров на законы горения и газообразования. Пиродинамика изучает процессы и явления, происходящие в канале ствола при выстреле, и устанавливает связи между конструктивными характеристиками канала ствола, условиями заряжания и различными физико-химическими и механическими процессами, протекающими при выстреле. На основании рассмотрения этих процессов, а также сил, действующих на снаряд и ствол, устанавливается система уравнений, описывающих процесс выстрела, в том числе основное уравнение внутренней Б., связывающее величину сгоревшей части заряда, давление пороховых газов в канале ствола, скорость снаряда и длину пройденного им пути. Решение этой системы и нахождение зависимости изменения давления пороховых газов Р, скорости снаряда v и других параметров от пути снаряда 1 (рис. 1) и от времени его движения по каналу ствола является первой основной (прямой) задачей внутренней Б. Для решения этой задачи применяются: аналитический метод, методы численного интегрирования [в т. ч. на основе электронно-вычислительных машин (ЭВМ)] и табличные методы. Во всех этих методах ввиду сложности процесса выстрела и недостаточной изученности отдельных факторов делаются некоторые допущения. Большое практическое значение имеют поправочные формулы внутренней Б., позволяющие определить изменение дульной скорости снаряда и максимального давления в канале ствола при изменении различных условий заряжания.

Баллистическое проектирование орудий является второй основной (обратной) задачей внутренней Б. Оно определяет конструктивные данные канала ствола и условия заряжания, при которых снаряд данного калибра и массы получит при вылете заданную (дульную) скорость. Для выбранного при проектировании варианта ствола рассчитываются кривые изменения давления газов в канале ствола и скорости снаряда по длине ствола и по времени. Эти кривые являются исходными данными при проектировании артиллерийской системы в целом и боеприпасов к ней. Внутренняя Б. изучает также процесс выстрела при специальных и комбинированных зарядах, в стрелковом оружии, системах с коническими стволами, системах с истечением газов во время горения пороха (газодинамические и безоткатные орудия, миномёты). Важным разделом является также внутренней Б. пороховых ракет, которая развилась в специальную науку. Основные разделы внутренней Б. пороховых ракет составляют: пиростатика полузамкнутого объёма, рассматривающая законы горения пороха при сравнительно небольшом постоянном давлении; решение основные задачи внутр. Б. пороховой ракеты, состоящей в определении (при заданных условиях заряжания) закона изменения давления пороховых газов в камере в зависимости от времени, а также закона изменения силы тяги для обеспечения требуемой скорости ракеты; баллистическое проектирование пороховой ракеты, состоящее в определении энергетических характеристик пороха, веса и формы заряда, а также конструктивных параметров сопла, которые обеспечивают при заданном весе боевой части ракеты необходимую силу тяги во время её действия.

Внешняя Б. изучает движение неуправляемых снарядов (мин, пуль и т.д.) после вылета их из канала ствола (пускового устройства), а также факторы, влияющие на это движение. Основное её содержанием являются изучение всех элементов движения снаряда и сил, действующих на него в полёте (сила сопротивления воздуха, сила тяжести, реактивная сила, сила, возникающая в период последействия, и др.); движения центра масс снаряда с целью расчёта его траектории (рис. 2) при заданных начальных и внешних условиях (основная задача внешней Б.), а также определение устойчивости полёта и рассеивания снарядов. Важными разделами внешней Б. являются теория поправок, разрабатывающая методы оценки влияния факторов, определяющих полёт снаряда, на характер его траектории, а также методика составления таблиц стрельбы и способов нахождения оптимального внешнебаллистического варианта при проектировании артиллерийской систем. Теоретическое решение задач о движении снаряда и задач теории поправок сводится к составлению уравнений движения снаряда, упрощению этих уравнений и отысканию методов их решения; последнее значительно облегчилось и ускорилось с появлением ЭВМ. Для определения начальных условий (начальные скорость и угол бросания, форма и масса снаряда), необходимых для получения заданной траектории, во внешней Б. пользуются специальными таблицами. Разработка методики составления таблиц стрельбы состоит в определении оптимального сочетания теоретических и экспериментальных исследований, позволяющих получить таблицы стрельбы требуемой точности при минимальных затратах времени. Методами внешней Б. пользуются также при изучении законов движения космических аппаратов (при их движении без воздействия управляющих сил и моментов). С появлением управляемых снарядов внешней Б. сыграла большую роль в становлении и развитии теории полёта, став частным случаем последней.

Возникновение Б. как науки относится к 16 в. Первыми трудами по Б. являются книги итальянца Н. Тартальи «Новая наука» (1537) и «Вопросы и открытия, относящиеся к артиллерийской стрельбе» (1546). В 17 в. фундаментальные принципы внешней Б. были установлены Г. Галилеем, разработавшим параболическую теорию движения снарядов, итальянцем Э. Торричелли и французом М. Мерсенном, который предложил назвать науку о движении снарядов баллистикой (1644). И. Ньютон провёл первые исследования о движении снаряда с учётом сопротивления воздуха — «Математические начала натуральной философии» (1687). В 17—18 вв. исследованием движения снарядов занимались: голландец Х. Гюйгенс, француз П. Вариньон, швейцарец Д. Бернулли, англичанин Б. Робинс, русский учёный Л. Эйлер и др. Экспериментальные и теоретические основы внутренней Б. заложены в 18 в. в трудах Робинса, Ч. Хеттона, Бернулли и др. В 19 в. были установлены законы сопротивления воздуха (законы Н. В. Маиевского, Н. А. Забудского, Гаврский закон, закон А. Ф. Сиаччи). В начале 20 в. дано точное решение основной задачи внутренней Б. — работы Н. Ф. Дроздова (1903, 1910), исследовались вопросы горения пороха в неизменном объёме — работы И. П.Граве (1904) и давления пороховых газов в канале ствола — работы Н. А. Забудского (1904, 1914), а также француза П. Шарбонье и итальянца Д. Бианки. В СССР большой вклад в дальнейшее развитие Б. внесён учёными Комиссии особых артиллерийских опытов (КОСЛРТОП) в 1918—26. В этот период В. М. Трофимовым, А. Н. Крыловым, Д. А. Вентцелем, В. В. Мечниковым, Г. В. Оппоковым, Б. Н. Окуневым и др. выполнен ряд работ по совершенствованию методов расчёта траектории, разработке теории поправок и по изучению вращательного движения снаряда. Исследования Н. Е. Жуковского и С. А. Чаплыгина по аэродинамике артиллерийских снарядов легли в основу работ Е. А. Беркалова и др. по совершенствованию формы снарядов и увеличению дальности их полёта. В. С. Пугачев впервые решил общую задачу о движении артиллерийского снаряда.

Важную роль в решении проблем внутренней Б. играли исследования Трофимова, Дроздова и И. П. Граве, написавшего в 1932—38 наиболее полный курс теоретической внутренней Б. значительный вклад в развитие методов оценки и баллистического исследования артиллерийских систем и в решение специальных задач внутренней Б. внесли М. Е. Серебряков, В. Е. Слухоцкий, Б. Н. Окунев, а из иностранных авторов — П. Шарбонье, Ж. Сюго и др.

В период Великой Отечественной войны 1941—45 под руководством С. А. Христиановича проведены теоретические и экспериментальные работы по повышению кучности реактивных снарядов. В послевоенное время эти работы продолжались; исследовались также вопросы повышения начальных скоростей снарядов, установления новых законов сопротивления воздуха, повышения живучести ствола, развития методов баллистического проектирования. Значительное развитие получили работы по исследованию периода последействия (В. Е. Слухоцкий и др.) и развитию методов Б. для решения специальных задач (гладкоствольные системы, активнореактивные снаряды и др.), задач внешней и внутренней Б. применительно к реактивным снарядам, дальнейшего совершенствования методики баллистических исследований, связанных с использованием ЭВМ.

Лит.: Граве И. П., Внутренняя баллистика. Пиродинамика, в. 1—4, Л., 1933—37; Серебряков М. Е., Внутренняя баллистика ствольных систем и пороховых ракет, М., 1962 (библ.); Корнер Д., Внутренняя баллистика орудий, пер. с англ., М., 1953; Шапиро Я. М., Внешняя баллистика, М., 1946.

Ю. В. Чуев, К. А. Николаев.

Рис. 1. Кривые изменения давления пороховых газов (Р) и скорости снаряда (v) в зависимости от пути снаряда (l); ln — расстояние, на котором прекращается воздействие пороховых газов на снаряд в периоде последействия; lg — длина пути снаряда до дульного среза.

Рис. 2. Элементы траектории и основные силы, действующие на снаряд в полёте: О — точка вылета снаряда; S — вершина траектории; С — точка падения; v₀ — начальная скорость снаряда; Θ_o — угол бросания: х и y — текущая горизонтальная дальность и высота полёта снаряда; Y — высота траектории; Х — полная горизонтальная дальность полёта; v_c — конечная скорость снаряда; Θ_c — угол падения; R — сила сопротивления воздуха, q — сила тяжести.