Техника - молодёжи 1974-05, страница 53

Ускорители

вещества

Анатолий ШИБАНОВ,

кандидат фнзико-матаматичаских

наук

На симпозиуме по технике ги-перзвукобых исследований, проходившем в 1960 году в США, американский ученый Дж. Райнхарг вспоминал, как в первые послевоенные годьнон и его коллеги пытались создать «метеоритный дождь». Ночью t помощью ракет засылались на огромную высоту армейские гранаты с кумулятивным зарядом. Гранаты подрывались, и специальные фотокамеры фиксировали разлет раскаленных осколков. Но снимки светящихся следов осколков, скрупулезные анализы их оплавленной поверхности давали слишком скудные сведения о физике пролета сквозь атмосферу. Попро< разобраться в пестром калейдоскопе результатов, которые получены на россыпи искусственных «метеоритов», падающих с различными скоростями и в различных направлениях! Кроме того, невозможно нацелить такие неуправляемые «метеориты» на мишень, чтобы изучить механику высокоскоростного удара. Вот если бы удалось разогнать один-единственный осколок, да еще направить его куда нужно! Так пришли к необычной идее — использовать в аэродинамических исследованиях... пушку.

«Забил заряд я в пушку...»

В пушках обычного типа, использующих нитроцеллюлозный порох, скорость снаряда не превосходит 3 км/сек. Конечно, скорость большая, но далеко ей до «метеоритной», достигающей порой 90 км/сек. И даже скорость входа космического аппарата в атмосферу — около 12 км/сек — вце досягаемости традиционной артиллерии. Необходимо было изыскать дополнительные скоростные резервы пушечного выстрела. И ученые стали внимательно приглядываться к тому, что происходит внутри орудийного ствола.

Выделяющаяся при взрыве заряда энергия затрачивается на пе

ремещение не только снаряда, но и столба подпирающих его пороховых газов. Мы уже не учитываем массу других побочных действий например откат орудия. Одним словом, при выстреле производится гораздо большая работа, чом требуется на самом деле. Как будто разгоняется другой снаряд, на много массивнее реального. Артиллеристы так и говорят об «эффективной массе» снаряда, заведомо превышающей ее истинную величину. Из школьного курса физики мы знаем: кинетическая энергия движущегося тела равна произведению массы на квадрат скорости, деленному пополам. Хочешь повысить скорость снаряда при той .же энертии (иначе — при том же пороховом заряде) — уменьшай его массу. Впрочем, действительную массу можно оставить прежней, а уменьшать лишь воображаемое, эффективное ее значение. Для этого в первую очередь следует сократить неизбежные затраты взрывной энергии на перемещение продуктов сгорания пороха, то есть уменьшить их массу. В идеальном случае, когда пороховые газы «невесомы», энергия взрыва целиком передается снаряду. Ведь газ, не имеющий массы, не обладает кинетической энергией и служит лишь пассивным передатчиком механической силы. Да, столь безынициативный участник выстрела очень устроил бы ученых и артиллеристов. Однако бесполезно предаваться несбыточным мечтам ■— средний вес молекул продуктов сгорания пороха не меньше 20—25. А что, если заставить работать здесь если не «невесомые», то самые легкие реальные газы?

Заполним казенную часть пушечного ствола водородом, кислородом и гелием при определенном давлении и запечатаем эту смесь, как пробкой, тонкой металлической или пластиковой диафрагмой. Перед последней поместим снаряд. Стоит только проскочить искре между электродами в газовой камере, и немедленно прореагирует «гремучая смесь» из кислорода и водорода. Взрыв мгновенно повысит давление и температуру и прорвет диафрагму. Теперь очередь за гелием: он вместо пороховых газов разгонит снаряд и вытолкнет его наружу. Только сделает он это эффективнее и сообщит снаряду гораздо большую скорость.

Первую легкогазовую пушку разработали американские экспериментаторы Крозье и Хьюм в 1948 году. С тех пор конструкции и принципы действия таких «орудий» непрерывно совершенствовались. Были созданы двухступенча

тые пушки. В них сначала воспламеняется обычный пороховой заряд, который разгоняет до сверхзвуковой скорости поршень. Тот, двигаясь в цилиндрической камере, сжимает и нагревает наполняющий ее легкий газ. Когда прорвется диафрагма, газ с огромной скоростью устремляется в ствол, толкая перед собой снаряд.

Калибры легкогазовых пушек — от 5 до 100 мм и выше. Чтобы уберечь исследуемую модель (снаряд) от соприкосновения с внутренней поверхностью ствола и разрушения, ее укладывают в обойму из нейлона или " полиэтилена. В упакованном виде модель скользит в стволе, как на салазках, и выбрасывается неповрежденной. Набор обойм позволяет «заряжать» пушку моделями самых различных форм и размеров.

При Выстрелах удалось получить широкий диапазон скоростей снарядов: от 4,7 км/сек для 2,5-килограммовых до 11,3 км/сек для 0,044-граммовых.

Чем «подхлестнуть* снаряд?

Если напор газа превысит некоторую допустимую величину, модель может разрушиться от чрезмерных механических напряжений. Наиболее прочные выдерживают «донное давление» до 4200 кг/см², менее крепкие — до 1400 кг/см². Но от напора газа зависит ускорение снаряда и достигаемая им скорость. Ограничение в давлении приходится компенсировать более длительным его действием, то есть наращиванием длины ствола. Чтобы модель плотностью I г/см³ развила скорость 12,2 км/сек при давлении на ее дно 1400 кг/см², длина ствола должна в 360 раз превышать ее внутренний диаметр. (Напомню: у обычных военных орудий такое соотношение примерно в 7 раз меньше!) Причем на всем протяжении разбега снаряда «донное давление» должно поддерживаться постоянным. Но, как только остановится поршень в двухступенчатой пушке, газ начнет расширяться, и давление за моделью неминуемо упадет. С этнм исследователи не смогли смириться. Они решили хоть немного продлить сжимающее действие поршня на газ.

На пути поршня поставили сужающийся канал — переходник от широкой газовой камеры к узкому стволу. Вот в этот конический диффузор и вминается по инерции поршень. Прежде чем остановиться, его передняя часть, деформируясь, резко продвигается вперед,

50