О лафетах противотанковых пушек
Текст Анатолия Сорокина
(в дополнение к сказанному «Комбинаторы» сумрачного тевтонского гения)
Ещё одна отличная чисто противотанковая пушка
Начнём со злого философического. Если кто-то считает, что сознание определяет бытие, то его восприятие уподобляется Куроборосу (за концепцию и иллюстрацию гран мерси ТГ-каналу «Орда Мордора» https://t.me/orda_mordora ).
Нахождение в плену собственных иллюзий, да ещё и с гордыми заявлениями по поводу наглядно иллюстрируется вышеуказанным пернатым. А ещё следствием такого часто бывает то, что многообразное бытие за рамками порождённой чьим-то сознанием идеи лишает адептов этой идеи самого сознания. Иногда даже в буквальном смысле, причём в ряде случаев навсегда и раньше положенного срока. Примеров куча в любой области, выбирать есть из чего. В артиллерии, например, где-то и когда-то сознание ряда личностей пыталось классические «стволы» на безоткатные поменять. Но бытие (т. е. законы объективной реальности, как физические, так и общественные) оказались сильнее любого волюнтаризма. Судьба сторонников «революционных» идей оказалась печальной, обернувшись ещё и незаслуженной дискредитацией общей идеи безоткатных орудий в СССР из-за неудачной её частной реализации на полтора десятилетия с лишним.
Так что постигаем законы бытия, которыми и определяется наше сознание (как своеобразная надстройка над физико-химико-биологическим базисом жизни как таковой), если хотим достичь чего-то реально значимого за отпущенное нам время. С философическим закончили, приступаем к анализу одной из ипостасей этого бытия, а именно специфических черт в устройстве лафетов противотанковых пушек (ПТП).
По определению ПТП в первую очередь предназначена для поражения движущихся и хорошо защищённых целей на поле боя прямой наводкой. Соответственно, для облегчения выполнения стоящей перед ней основной задачи она должна иметь высокую начальную скорость снаряда, чтобы увеличить по возможности дальность прямого выстрела и минимизировать по возможности влияние движения цели, особенно в боковом направлении. Оба этих фактора сильно влияют на процесс наводки - неверный учёт упреждения и дистанции до цели являются причинами промахов при исправных орудии и боеприпасах к нему даже при выверенном прицеле.
Тут изначально в тексте было довольно длинное и занудное объяснение упреждения при горизонтальной наводке ПТП и дальности прямого выстрела при вертикальной. Но старшие товарищи (включая выпускников Михайловской академии) посоветовали не повторяться - есть хорошие учебники и научпоп по теме. Взять хотя бы книгу «Артиллерия» 1953 года издания под редакцией маршала артиллерии М. Н. Чистякова: там в главе двенадцатой всё понятным и хорошим языком по данной теме изложено. Её и рекомендую, поисковик в помощь, книга давно как уже оцифрована и выложена для скачивания. И за прошедшие семьдесят лет с момента её издания ничего в этом плане не изменилось.
Но внимание: некоторые разделы этого замечательного труда уже представляют собой только исторический интерес и надо переключаться на более свежие источники информации. Например, по принципу действия кумулятивного боеприпаса или по «невыгодной» стрельбе - нашими артиллеристами в зоне СВО применяются тактические приёмы, которые их коллегам времён Великой Отечественной войны не рекомендовались. Обстоятельства меняются, артиллерийская наука, как следствие, тоже не стоит на месте. Что раньше оценивалось негативно, теперь считается уже вполне приемлемым. С ранее неверно интерпретированными аспектами действия кумулятивного снаряда в наше время разобрались, классическая статья по теме полковника В. И. Мураховского в помощь. Вернёмся к пожеланиям старших товарищей: попытаться изложить тему посовременнее, «позажигательнее». Трудно, но попробовать можно.
Итак, что помогает противнику избежать свидания его танка с боеприпасом нашей ПТП? Во-первых, сам враг, заставляя двигаться свою боевую машину рывками и по малопредсказуемому маршруту. Нашему снаряду требуется некоторое время, чтобы достичь неприятельского танка, для учёта бокового перемещения цели за этот период наводчик или командир ПТП заранее берёт поправку на упреждение. Последнее всегда рассчитывается из предположения равномерного и прямолинейного движения танка, что отлично известно противнику. Вот он и организует описанные выше меры противодействия, делающие расчёт упреждения неверным. Например, наводчик ПТП определил скорость бокового движения вражеского танка в 20 км/ч, а мехвод последнего возьми да и ускорься до пятидесяти. Или наоборот, взял и резко остановил машину, а потому выстреленный с учётом движения цели снаряд просвистел где-то впереди танка.
Иллюстрация из книги «Артиллерия» - наводчик 76-мм пушки ЗИС-3 не учёл упреждение по стрельбе по вражескому танку на дистанции 1200 м. Чем дальше дистанция, тем хуже обстоят дела: в этом примере снаряд летит до цели две секунды и танк успевает уйти с траектории снаряда на десяток метров.
Во-вторых, врагу оказывает помощь … закон всемирного тяготения. Сила земного притяжения заставляет бросать снаряд не параллельно горизонту, а под некоторым углом, иначе при высоте линии огня в метр он через пятьсот метров максимум встретится с грунтом. Соответственно, его траектория является кривой линией (параболой она будет на Луне, если что) с вершиной в своей средней части. Раз так, то при некоторых условиях эта вершина может находиться выше танка и при ошибочной вертикальной наводке случится промах. Типа думали, что танк в километре от нас, а до него только пятьсот метров оказалось, а потому снаряд прошёл «выше крыши» не только моторного отделения, но и башни. Ну или по собственной глупости не ту риску или отметку к указателю прицела подвели…
Вот здесь и начинается умение наводчика, чуть ли не магия: какие пассы и манипуляции с прицелом и подъёмным механизмом ствола сделать, в какую часть танка прицеливаться, дабы в него гарантированно попасть, какие волшебные слова и когда их по ходу действа произнести, чтобы командир орудия наводчика за тупого не принял. Если уж назвать это магией, то в Свитках Древних существует и рецепт халявы для наводчика: ближе определённого расстояния, называемого дистанцией или дальностью прямого выстрела, выставленный на неё прицел (т. е. угол возвышения ствола) можно не менять: где бы цель в этом интервале дальностей не находилась, она будет гарантированно поражена:
Иллюстрация из книги «Артиллерия» для дистанции прямого выстрела 76-мм пушки ЗИС-3. Нигде на траектории снаряда он не пройдёт выше танка.
Только вот решать, стоит ли такая халява риска, будет отнюдь не наводчик. В самом лучшем случае его мнением только поинтересуются, да и то в ситуации, когда сверху придёт что-то вроде: «действуйте по сложившейся обстановке на своё усмотрение с целью выполнения поставленной задачи». А такой «карт-бланш» выпадает редко и свидетельствует о высочайшем доверии командира к своим подчинённым. Чтобы его заслужить, наводчику своё дело минимум на пять с плюсом знать надо, без всяких халяв.
А теперь к нам в гости пожаловал сам Капитан Очевидность: чем выше начальная скорость снаряда ПТП, тем меньше величина упреждения и тем больше дистанция прямого выстрела. Более того; в ситуации, когда цель находится ближе этой дистанции, а её скорость не превышает некоторого предела, можно просто целиться в середину её фигуры, попадание в таких условиях будет гарантировано. Соответственно, увеличивая начальную скорость снаряда, мы расширяем область значений, где применим такой «тупой» подход.
Так как очевидности мало не бывает, то нужно подкинуть её ещё. Легко! При увеличении начальной скорости снаряда возрастают его шансы на перфорирование или пролом броневых деталей цели со зрелищными визуальными эффектами. Но даже если поражение некинетическое (боеприпас кумулятивный или бронебойно-фугасный), то одной мысли об упрощении действий наводчика уже достаточно, чтобы постараться сделать начальную скорость снаряда как можно выше. Что вы там говорите, Кэп? Вытянуть по самое не могу ствол орудия?
Только на этом пути есть сразу несколько малюсеньких проблемок размером со взрослого индийского слона: если ПТП у нас орудие сегодняшнего дня, а не какой-нибудь мобильный рельсотрон или многокаморный агрегат по принципу исторического «Фау-3», то текущие термодинамические свойства метательных зарядов не позволяют обеспечить начальную скорость снаряда выше 2,5 км/с даже в теории. На практике же этот предел ещё ниже: у нарезной ПТП Д-48 для калиберного снаряда он составляет около 1 км/с, гладкоствольная «Рапира» выпускает подкалиберный со скоростью около 1,5 км/с, а танковые 125-мм гладкостволы подбираются к 2 км/с. И удлинять ствол более 70-80 калибров становится бесполезным: пороховые газы уже не совершают более полезной работы по дальнейшему разгону снаряда, когда последний близок к прохождению дульного среза. Ну и длиннющий ствол способен прогибаться под своей же тяжестью и всё такое - даже Капитан Очевидность согласится с тем, что существует некая оптимальная длина ствола ПТП с учётом всех факторов.
Теперь вернёмся к дистанции прямого выстрела. Что значит, что в таблицах стрельбы написано: «дистанция прямого выстрела по цели высотой 2,5 м составляет 800 м»? Да то, что это рассчитано для горизонта орудия, плоскости, перпендикулярной вектору силы тяжести и проходящей через центр дульного среза орудия. А этот дульный срез находится на высоте линии огня, указанной в ТТХ орудия, если оно стоит на ровной опорной поверхности и не окопано. Соответственно, подъём горизонта орудия на величину порядка метра над опорной плоскостью приведёт к тому, что снаряд при прицеливании по середине силуэта цели может «перемахнуть» через неё, т. к. для таких условий её «эффективная» высота будет полтора метра, а не два с половиной! Можно, конечно, целиться в её нижнюю часть и всё вроде как станет ОК, но тогда рассеивание по высоте лишит нас чуть ли не половины шанса попадания. Чтобы всего этого избежать, надо совместить горизонт орудия с опорной поверхностью, тогда прицеливанием в середину силуэта танка мы и влияние рассеивания исключим, и табличные данные по дистанции прямого выстрела «совместим» с истинным положением дел. Однако лопатами расчёту придётся изрядно поработать, а это вряд ли кому понравится, да и времени на то может не найтись.
Потому конструктор ПТП постарается прижать её ствол к опорной поверхности как можно больше. И менее заметным на местности орудие будет, и маскировать его станет легче, правда максимальный угол возвышения при этом будет явно не ахти. Однако если вдруг нам приспичит решать вспомогательную для противотанковой пушки задачу стрельбы с закрытых огневых позиций непрямой наводкой, то большая начальная скорость позволит добиться приличной дальнобойности даже при сильно отлогой траектории снаряда. А если нужно ещё больше, то снова лопаты расчёту в руки и давай то ли ровик под станинами и казёнником отрывать, то ли рампу под колёса насыпать: даже некоторый выбор появляется. Конечно, ПТП в такой ипостаси явно не «пушка-полёвка» и тем паче не гаубица, но на безрыбье и рак рыба.
Для лафета ПТП малая высота линии огня и небольшой угол возвышения позволяют сделать ещё одну вещь: увеличить длину отката и тем самым снизить силы, действующие внутри агрегатов противооткатных устройств (ПОУ), а следовательно и силу, с которой на цапфенные гнёзда верхнего станка будут действовать цапфы люльки во время отката и наката.
Сейчас будет немного занудно, поскольку этот момент в книге «Артиллерия» не отражён. Вспоминаем школьный курс физики: произошёл выстрел, откатные части орудия получили при этом кинетическую энергию, некоторую долю от общей энергии, высвобожденной при сгорании метательного заряда. Остальная часть этой общей энергии ушла на приведение в движение снаряда и пороховых газов, а также на бесполезный нагрев всех участвующих в процессе выстрела тел.
В фазе отката ПОУ стремятся остановить откатные части, совершая при этом механическую работу. Эта работа по абсолютной величине А равна произведению некоей средней тормозящей откатные части силы F на их перемещение S: А = F*S. Величину А при заданном баллистическом решении можно в нулевом приближении взять за константу - ибо она определяется в первую очередь механической работой «импульсного ракетного двигателя», все параметры которого (масса снаряда и заряда, начальная скорость снаряда и скорость истечения пороховых газов, масса откатных частей) неизменны. Увеличивая длину отката S, мы уменьшаем потребную для остановки откатных частей силу F. При накате всё то же самое, но в обратном направлении, а движение происходит за счёт запасённой в накатнике энергии во время фазы отката. В реальности картина более сложна, но озвученный принцип по-прежнему применим. С небольшим занудством закончили. Если же нужно большее занудство, а именно исчерпывающее понимание происходящего при откате и накате, то аспирантура «Военмеха» - это именно то, что Вам нужно. И капитальный труд «Теория лафетов» авторства генерала Толочкова.
Раз так, то конструктор ПТП в ПОУ за счёт возможности длинного отката может ограничиться меньшими давлениями, прочностными пределами, сделать эти агрегаты более лёгкими и технологичными. Уже немало, а если на ствол дульный тормоз ещё навинтить, так вообще прекрасно! Одно влечёт за собой и другое: снижение силы действия со стороны качающейся части ПТП на прочие части лафета позволяет существенно облегчить последние, если статические и динамические нагрузки удаётся описанными выше мерами свести к допустимым величинам.
Но и это, оказывается, ещё не всё, ибо там где есть силы, то надо следить ещё и за моментами этоих самых сил:
При почти нулевых углах возвышения у силы отдачи (красная стрелка) появляется перпендикулярная линии станин проекция (розовая стрелка). Эта компонента стремится повернуть всё орудие вокруг оси, проходящей через точки касания хоботовых частей станин с опорной поверхностью, образуя поднимающий колёса момент силы (синяя стрелка). Очевидно, что при угле возвышения ствола, большем угла между станинами и опорной плоскостью, этот момент будет играть в плюс, прижимая орудие к земле. А пока это не так, то подпрыгиванию колёс системы вверх при выстреле на малых углах возвышения (и тем более на углах снижения) противодействует только сила тяжести и далеко не всегда это у неё получается. Например, 76-мм пушка ЗИС-3 или 152-мм гаубица обр. 1909/30 гг. на полных своих зарядах в таких условиях подскакивали вверх, наводка при этом чаще всего шла псу под хвост. Но для ПТП это очень плохо! Враг получает лишнее время, пока расчёт занимается переприцеливанием после подпрыгивания своего орудия при выстреле, давшем промах.
Поэтому конструкторы принимают меры против «поскакушек»: стараются сделать угол между станинами и опорной плоскостью меньше, насколько это возможно (интересно британцы такое на своей «шестифунтовке» - 57-мм ПТП - реализовали, прикрепив станины под нижним станком на одной оси с вращающейся частью). Иногда разработчики намеренно утяжеляют ряд узлов, сборок и агрегатов своих орудий для обеспечения именно стабильности стрельбы при всех условиях, даже когда по прочности все цели достигнуты и в таком вроде бы нет видимой необходимости. В поле же расчёт может подрыть землю под колёсами ПТП, чтобы станины были параллельны опорной плоскости и тогда даже на самом маленьком угле возвышения ствола возникающий при откате момент будет прижимать к ней систему.
Низкая высота линии огня ПТП, малый угол возвышения её ствола и низкий же уровень крепления станин к нижнему станку приводит к ещё одному следствию с точки зрения прочниста: станины при выстреле работают в основном на сжатие/растяжение, а не на изгиб. С которым при проектировании лафета для гаубиц и дальнобойных полевых пушек приходится считаться: при больших углах возвышения деформация изгиба становится уже основной. Равно как и опасные концентрации механических напряжений в подверженных излому местах станин.
У команды Ф. Ф. Петрова при разработке 122-мм гаубицы М-30 и 152-мм гаубицы М-10 как раз с этим как раз были проблемы, конструкцию и станин, и лафетов в целом обеих систем пришлось усиливать, что привело к росту массы лафетов серийных орудий по сравнению с прототипами. Преимущественная работа станин на сжатие/растяжение позволяет прочнисту снизить требования к ним по сравнению с гаубичной и полевой пушечной артиллерией, а потому облегчить их путём уменьшения толщин деталей, иэъятия ряда усиливающих элементов и т. п.
В итоге «платформа» лафета ПТП плохо подходит под монтаж вращающейся части гаубицы: условия работы у неё совершенно другие и в Германии не могли этого не знать. А PAK.40 была «чистой» противотанковой пушкой с соответствующим лафетом. Максимальный угол возвышения её ствола составлял всего 22 градуса, высота линии огня довольно низкая - 960 мм, соответствующие тому трубчатые станины, работающие в основном на сжатие-растяжение. Но раз немцы взялись за это дело, значит подгорели их арийские задницы знатно, а другой выход не просматривался.
И, наконец, самое сладкое - в отечественной артиллерии есть прецедент установки вращающейся части для полевой и достаточно дальнобойной пушки на «платформу» от ПТП. Да-да, это грабинские детища ЗИС-3 и ЗИС-2.
Василий Гаврилович Грабин
Прекрасно зная все вытекающие негативные последствия такого шага, Василий Гаврилович Грабин мало того, что облегчил 76-мм ствол по сравнению с предыдущей моделью УСВ, так ещё и навинтил на него дульный тормоз. Зачем так брутально делать-то?
По дульной энергии снаряда баллистика 76-мм пушки обр. 1902/30 гг. с длиной ствола в 40 калибров (принятая для УСВ и ЗИС-3, 1380 кДж) была даже слабее таковой у 57-мм штатного ствола ЗИС-2 (1558 кДж). По дульному импульсу ситуация сложная. Хотя для калиберного бронебойного снаряда он у ЗИС-2 равен 3069 кг*м/с, а у ЗИС-3 - 4216 кг*м/с, не будем забывать ещё дульный импульс от истекающих пороховых газов. Он также вносит заметный вклад в отдачу, хотя и меньший, чем отдача только от выстреленного снаряда. Метательный заряд у 57-мм патрона для ЗИС-2 в 1,5 кг больше, чем таковой в 1 кг для соответствующего боеприпаса ЗИС-3, и скорость истечения пороховых газов из ствола у первого орудия повыше будет. Тем не менее, отдача от ствольной группы ЗИС-3 без дульного тормоза ожидается как минимум не меньше, чем таковая у ЗИС-2. За точным расчётом - это уже снова в аспирантуру «Военмеха», нас же устроит даже такая приблизительная оценка.
Но главная засада тут будет в другом: что, например, означает при прочих равных увеличение угла возвышения ствола с 27 градусов у ЗИС-2 до 37 градусов, как у ЗИС-3, даже при том же 57-мм стволе? Школьная тригонометрия в помощь: синус 27 градусов равен 0,454, а синус 37 градусов - 0,602. Поделим второй синус на первый, получим 1,326. То есть таким, казалось бы, немудрёным действием, мы разом увеличиваем динамические вертикальные нагрузки на лафет при выстреле на 32,6%, почти на треть! ЗИС-2, как и PAK.40, тоже «чистая» ПТП, её лафет на динамические нагрузки при больших углах возвышения изначально не рассчитывался. Пытаться установить на его «платформу» заведомо более «отдачистую» по вертикальной проекции вращающуюся часть - верный путь к его поломке. Так что навинчивание на 76-мм ствол ЗИС-3 дульного тормоза эффективностью как раз около 30% выглядит абсолютно логичным шагом, чтобы обеспечить безотказную работу всего лафета. Василий Гаврилович тут сработал блестяще, как и его подчинённые…
Причём эти тонкости мэтр опробовал на собственном богатом практическом опыте «комбинаторики» разных ствольных групп и лафетов, пусть далеко не всегда удачном. Но когда армии потребовалось сделать в этом ключе то, в чём она реально нуждалась, да ещё и в расчёте на низкоквалифицированного пользователя и изготовителя, так эта задача на основе полученных знаний была выполнена быстро и как надо!
Удачная полевая пушка на «платформе» лафета противотанковой
Гитлеровским же конструкторам при создании le.FH.18/40 пришлось довольствоваться принципом «и так сойдёт».