Залп в будущее: как мы сделали лучшую в мире САУ

Впервые новейшие российские самоходные гаубицы "Коалиция-СВ" прошли на параде, посвящённом 70-летию Дня Победы, по брусчатке Красной площади. 9 мая 2016 года машины эти увидела на параде Дня Победы столица рабочего Урала — Екатеринбург. Солидные автоматизированные машины на гусеничном ходу с очень длинным стволом орудия. Но — ствольная артиллерия? В двадцать первом веке? Такая же, по большому счёту, как и та, что работала со стен Москвы по орде Тохтамыша в 1382 году. Почему у нас есть все основания гордиться новейшей отечественной разработкой?

Для начала вернёмся в относительно недавнее прошлое — лет на пятьдесят, пятьдесят пять назад. К тогдашним парадам на Красной площади — проходили они на 1 мая и 7 ноября. И комментировавшие проход техники дикторы привлекали внимание зрителей к выходящим на брусчатку ракетам. К самым маленьким, первым противотанковым "Шмель" 3М6, к средним, тактическим 2К6 "Луна" и оперативно-тактическим Р-11, огромным стратегическим Р-12. Прогресс военной техники казался неразрывно связанным с ракетой, нуждающейся в простых и лёгких (относительно её веса) пусковых устройствах, ракетой, способной достигать самых высоких скоростей, наделённой системой управления. Но этого не произошло. Ракеты, управляемые и неуправляемые, занимают свои ниши, а ствольная артиллерия прочно сохраняет свои. Давайте разберёмся — почему?

Точность

Один из популярных вариантов ответа на этот вопрос состоит в том, что, в отличие от неуправляемой ракеты, ствольная артиллерия имеет значительно более высокую точность. В принципе, это так… Но — сейчас скажем достаточно неожиданное — разница не так уж велика. Артиллерийские офицеры любили демонстрировать студентам на практике и курсантам на стажировке точность стрельбы одиночным снарядом установки БМ-21 "Град".

И точность эта оказывалась вполне сопоставимой с рассеиванием артиллерийских орудий времён Великой Отечественной. Да, "Грады" были новенькими, со "свежими" снарядами, а гаубицы — сделанными в сороковых и поработавшими. Но психологический и педагогический эффект был потрясающим… Студенты запоминали, что трубчатая направляющая обеспечивает ракете приличную точность, а вращение стабилизирует её; что рассеяние возникает из-за полёта реактивных снарядов в воздухе, взбаламученном пролётом предыдущих ракет. Также студенты запоминали ещё одно, крайне важное обстоятельство.

Размер боеприпаса

На козлы рядом выкладывались реактивный снаряд и выстрел (так в артиллерии называется снаряд с гильзой) того же калибра. И оказывалось, что реактивный снаряд много-много длиннее гаубичного снаряда. При примерно одной и той же дальности стрельбы ракете нужно сжечь значительно больше пороха. Объясняется это тем, что снаряд разгоняет давление газов, образованных сгоранием пороха в замкнутом объёме, а ракету толкает реактивная струя. Пример мы увидим на кухне: все знают прыгающую на чайнике при кипении крышку, но вряд ли кто видел чайник, катающийся по плите под действием отдачи пара из носика.

А снарядов на войне приходится расходовать много. И если эти снаряды будут только реактивными, то для разгона их до нужных скоростей придётся истратить очень много пороха. Который недёшев. Который необходимо доставить на театр военных действий — хорошо, если морским или железнодорожным, а то и воздушным транспортом. Который необходимо доставить к орудиям по фронтовым дорогам, часто под огнём. И с какого-то момента оказывается, что ствольная артиллерия — при своей очень и очень немаленькой стоимости — всё равно оказывается дешевле реактивной. 

Посмотрим цифры: 122-мм снаряд 9М22 старого, начала шестидесятых, "Града", при весе в 66 кг имел боевую часть (БЧ) в 18,4 кг. Всё остальное приходилось на двигатель. Древняя, образца 1931 года пушка А-19 на снаряд весом в 25 кг расходовала заряд пороха в 6,8 кг. Дальность стрельбы 20,4 км у "Града" и 19,8 км у А-19. Современный российский "Торнадо-Г" доставляет при весе снаряда 9М251 в 66 кг БЧ весом в 21 кг на дистанцию в 40 км. "Коалиция-СВ" штатным снарядом стреляет на те же 40 км (с экспериментальным дальность возрастает до 70 км), "экономя" порох примерно в такой же пропорции.

Предсказуемость и надёжность

Но дальность стрельбы — это ещё не всё. Например, германские инженеры для повышения дальности огня своей самоходной гаубицы PzH2000 применили в ней снаряды со встроенным газогенератором. Газогенератор — это предельно малый твердотопливный двигатель, горение навески в котором не создаёт тягу, но выделяет горячие газы, резко улучшающие условия обтекания снаряда, снижающее аэродинамическое сопротивление. Только вот при применении этих снарядов в реальных условиях Афганистана выяснилось, что рассеяние снарядов резко возрастает, чуть ли не до километра на дальностях больше 30 км.

Причину этого назвать однозначно трудно, но, скорее всего, это состояние атмосферы в жарких горных странах. Там даже верхняя граница тропосферы проходит раза в полтора, а то и два выше, чем в наших широтах. То есть устройство, использующее достаточно сложные и трудно вычисляемые газодинамические эффекты, устройство, разработанное и испытанное в Европе, в несколько иных природных условиях показывает очень далёкие от желаемых результаты. А для военной техники это свойство крайне нежелательное, она должна быть прежде всего предельно надёжна.

Надёжность обычно связывается с применением самых простейших, "дубовых" и "железных", решений. Но вот отечественные инженеры, создававшие "Коалицию-СВ", пошли совсем другим путём, решили обеспечить надёжность и точность применением высоких технологий. Начнём их рассмотрение с того главного, вокруг чего и построена самоходная артиллерийская установка 2С35, — со 152-мм гаубицы 2А88. Длина ствола артиллерийского орудия традиционно измеряется в калибрах, так можно оценить скорость разгона снаряда — у 2А88 это 52 клб, то есть без малого восемь метров. Именно эта, очень большая и сложная в производстве длина ствола и обеспечивает рекордные характеристики по дальности.

Дульная часть ствола заканчивается дульным тормозом — устройством, истечение из щелей которого части вытекающих из ствола газов позволяет снизить нагрузки на "лафет" орудия. Ну а с другой стороны находится зарядная камора, в полости которой размещается метательный заряд и запоясковая часть снаряда. У гаубицы 2А88 раздельно-картузное заряжание. Как заряжали орудия батарейцы капитана Тушина в "Войне и мире"? Кидали в ствол картузы с порохом, продвигали их к каморе, поверх них размещали пыж (роль которого в современных орудиях играют ведущие пояски) и ядро.

И тут всё такое же — только в зеркальном отражении, ибо орудие заряжается с казённой части. Сначала подаётся и досылается снаряд, затем в каморе размещается заряд. Правда, делают это не канониры, а механизмы. Пневматика "Коалиции-СВ" позволяет дослать снаряд и сформировать выстрел (напомним, выстрел — это совокупность снаряда и метательного заряда) без участия человека и на любых углах возвышения, на которых работает орудие. Нет нужды опускать орудие в некое удобное для перезарядки положение, что очень важно. Ну а дальше наступает момент произведения выстрела.

Во времена наполеоновских войн выстрел производился поднесением пальника к запальному отверстию, в которое был насыпан порох ("поджигной" пистолет в детстве делали?). Более технологически продвинутые флотские уже тогда использовали стреляющие устройства, эдакий кремнёвый пистолет без пули, размещённый в запальном отверстии, — о них можно почитать в морских романах С.С. Форрестера о капитане Хорнблауэре. Потом появились ударные капсюли-воспламенители, по мере того как дымный порох, механическая смесь серы, селитры и древесного угля, заменялся порохами пироксилиновым и нитроглицериновым, всё большей и большей мощности.

Укрощение огня

При всей кажущейся простоте процессы, протекающие при воспламенении метательного заряда артиллерийского орудия, в высшей степени сложны. Вот стреляющее устройство ударяет по капсюлю, удар вызывает химическую цепную реакцию в размещённом в нём ударном составе, скажем гремучей ртути. Оно взрывается, формируя так называемый форс огня, язычок пламени, вырывающийся из латунной трубки. В охотничьем дробовом патроне, например, самого маленького капсюля "центробой" было достаточно для воспламенения заряда дымного пороха. А вот порох бездымный, старинной русской марки "Сокол", требовал уже значительно более мощного капсюля "жевело".

Но в патронах стрелкового оружия порох мелкий. А зёрна артиллерийского бездымного пороха значительно крупнее, им для возгорания нужна более высокая температура. Увеличивать же неограниченно мощность ударного состава нельзя: он может привести к разрушению корпуса капсюля-воспламенителя или к чему похуже. Поэтому в артиллерийских капсюлях-воспламенителях вводилась промежуточная ступень, навеска мелкозернистого пороха, причём очень часто архаичного, дымного. Он куда легче загорается и быстро горит при нормальном давлении.

А вот дальше начинались физико-химические процессы, крайне сложные для описания. Наверное, каждый, кто хоть немного интересуется наукой, слышал и о хаотических системах, и о неравновесной термодинамике. Хаотическими являются те динамические системы, поведение которых невозможно предсказать, хоть они и состоят из вполне детерминированных, описываемых классической, а не квантовой механикой, элементов. Ну вот зеркало — ударим им о край стола, и оно разобьётся. Но предсказать, как именно побегут трещины по стеклу — невозможно.

Происходит это из-за того, что хаотические системы крайне чувствительны к изменениям начальных условий. Это именно для них придумана метафора бабочки, взмахом крылышек порождающей ураган в другой части планеты. Ну а основы математической теории хаотических систем заложили великие отечественные математики А.Н. Колмогоров и В.И. Арнольд (Желающих познакомиться с этой теорией отошлём к прекрасной книге Г.Г. Малинецкого "Хаос. Структуры. Вычислительный эксперимент. Введение в нелинейную динамику". 3-е изд. М.: УРСС, 2001.).

Неравновесная же термодинамика — это дисциплина, изучающая системы, не находящиеся в состоянии термодинамического равновесия, и необратимые процессы. Основы её были заложены в 1947 году Ильёй Пригожиным, предположившим, что реальные процессы, далёкие от равновесных состояний классической термодинамики, могут быть рассмотрены и изучены путём разбиения на малые объёмы, каждый из которых на очень малый период времени полагается равновесным, описываемым классической термодинамикой. Ну, как некий термодинамический аналог исчисления бесконечно малых.

Такой подход крайне важен, ведь мы сами, с точки зрения термодинамики, неравновесные системы, которые классическая термодинамика описать не может. И процессы горения — тоже неравновесные и необратимые термодинамические процессы. Но процессы — ещё и хаотические! Для описания того, что произойдёт в гильзе артиллерийского снаряда после того, как командир орудия, махнув рукой, скомандует "Огонь" и наводчик нажмёт кнопку или дёрнет шнур стреляющего механизма, необходимо привлечь две самые передовые и самые сложные теории современной науки. Даже если речь идёт об орудиях времён Второй мировой, используемых в локальных войнах.

Конечно же, внутренняя баллистика той поры, наука, изучающая процессы внутри ствола артиллерийского орудия, к ним не обращалась и обращаться не могла, подобно тому, как господин Журден говорил прозой, не зная, что это такое. Прежде всего, и теорий этих не было, они появятся много позже. Да и из вычислительных средств были лишь арифмометры да счётные линейки. Поэтому процессы в каморе орудия описывались достаточно приближенно, тогдашняя дальность стрельбы это допускала, да и очень ограниченные средства артиллерийской разведки заставляли решать задачи числом снарядов, количеством стволов орудий на километр фронта, а не снайперской точностью отдельного выстрела.

Но сейчас-то — есть и передовые общенаучные теории; есть и сверхмощные компьютеры, смартфон как суперкомпьютер восьмидесятых. Почему бы не попробовать решить задачу математическим моделированием? А задача такая: после задействования стреляющего устройства заряд в каморе должен начать гореть, повышая давление и приводя в движение снаряд. Причём снаряду лучше всего двигаться под постоянным давлением, для чего нужны всё более увеличивающиеся объёмы горячего газа, образующегося по мере горения пороха.

Итак, приступаем к моделированию. Вот взорвался ударный состав (ну, или загорелся под действием электрического разряда), его форс огня зажёг навеску дымного пороха. Она, сгорая, даёт более мощный язык пламени, повышающий давление и температуру в гильзе или каморе. Классическая внутренняя баллистика описывала это обобщённо, но температурные поля в заряде разделены неравномерно. Как можно понять, сначала загорятся ближайшие зёрна пороха, начнут повышать давление и температуру в локальных объёмах, ускоряя по мере их роста скорость своего горения. 

Потом, по мере переноса давления и температуры, станут загораться новые и новые зёрна пороха. А процессы эти существенно неравновесны и очень быстры. Там нет устоявшегося режима, как, скажем, в котле электростанции. Там гуляют ударные волны, там выделение горячих газов с температурой в 3000 градусов Кельвина — как у красных звёзд спектрального класса М — меняется в крайне малые периоды времени. В каморе бегают огненные змейки, непредсказуемые, как и трещины на бьющемся стекле. И весь этот хаос должен стабильно и послушно вдавливать снаряд в нарезы ствола, желательно с как можно более постоянным давлением.

И самое интересное состоит в том, что из-за хаотичности процессов их даже нельзя обсчитать. Они непредсказуемы, хоть и проходят по ведомству классической, неквантовой науки. Так же как непредсказуемо движение трёх тел, описываемых динамикой Ньютона. Но это учёным можно ограничиться доказательством невозможности решения задачи. Инженеру-то, особенно военному, необходимо заставить хаотически горящие пороха двигать снаряд с постоянным давлением. Это обеспечит как максимальный КПД орудия, что повысит дальность стрельбы, так и даст нужную точность.

Микроволновый Прометей "Коалиции"

И вот тут-то создателями "Коалиции" было найдено в высшей степени оригинальное решение.  Когда на парадах шестидесятых шли ракеты, народ шептался о том, что следующим шагом военной техники будут лазеры, направленные излучатели электромагнитной энергии. Ещё в тридцатые "лучи смерти" детально описывались в романе Юрия Долгушина "Генератор чудес". Причём фашисты там употребляли их для умерщвления людей, а советские учёные — для ускоренной сушки древесины, нужной авиапромышленности (да-да, не будем забывать, что и в Великую Отечественную дерево было крайне важным конструкционным материалом).

И вот конструкторы применили в "Коалиции-СВ" сверхвысокочастотный поджиг заряда, заперли "лучи смерти" в каморе. Какое самое важное свойство СВЧ-печки (смертельной для хомячка, которого дети решат подсушить)? Она разогревает пищу по всему объёму. Так и пороховой заряд в каморе гаубицы доводится до температуры воспламенения равномерно, без ударных волн и непредсказуемых процессов. Что обеспечивает стабильное горение пороха, а в результате — рекордную дальность и превосходную точность нового орудия. Инженерам удалось укротить хаос, заперев в каморе орудия, где и так гуляют звёздные температуры, "лучи смерти"!