ДАЛЬНОБОЙНОЕ ОРУДИЕ СТАРОВЕРОВА
LONG-RANGE GUN OF STAROVEROV

Изобретение относится к артиллерии и предназначено для дальнобойных, противотанковых и зенитных орудий, в качестве противоракетного и противоспутникового оружия.
Известны орудия, состоящие из ствола с казенной частью, систем заряжания, наведения и транспортировки (см. Большая Советская Энциклопедия, том А, стр.238, статья «Артиллерийское орудие»). Начальная скорость снаряда из них, как правило, не превышает 1200 м/сек. Сущность изобретения в том, что для увеличения начальной скорости боеприпас, кроме снаряда и заряда метательного взрывчатого вещества (далее МВВ), содержит между зарядом и снарядом один или несколько поршней в виде стаканов, содержащих соответственно один или несколько зарядов МВВ.
Как известно, заряд существующих МВВ не может разогнать снаряд до большой скорости, так как сами пороховые газы расширяются не быстрее 1200 м/сек. Чтобы разогнать снаряд до большей скорости, надо вместе со снарядом разогнать (то есть сообщить кинетическую энергию) один или несколько дополнительных, промежуточных зарядов. Тогда дополнительный заряд образует со снарядом новую систему отсчета, относительно которой он и будет разгонять снаряд далее. Это похоже на выстрел из авиационной пушки с быстролетящего самолета.
Для поочередного и своевременного воспламенения этих дополнительных зарядов ствол имеет один или несколько участков с одним или несколькими (оптимально - двумя) байпасами (обводные каналы, идущие параллельно основному каналу ствола и соединенные с ним с обоих концов). Как только дно первого (все обозначения направлений и последовательностей - относительно направления выстрела, от казенной части) поршня минует вход в байпас, горячие газы устремятся по байпасу, обойдут поршень и подожгут заряд этого поршня. Для этого поршень в месте стыка со следующим поршнем или со снарядом должен иметь отверстия, щели или прорези.
Для надежного воспламенения длина байпаса выбирается такой, чтобы горячие газы подошли к выходу из байпаса примерно в момент прохождения около него последнего уплотнительного пояска следующего поршня или снаряда или чуть раньше. Для ускорения струи вход в байпас может иметь форму сопла Лаваля.
Для исключения возможности прохода газов назад по байпасу последний может иметь быстродействующий обратный клапан или кран. Для привода крана удобно использовать пневмопривод от пороховых газов из ствола. Но этого может и не потребоваться, так как поршень будет пролетать вперед и перекрывать байпас.
Так как после выстрела поршни вылетят из ствола, то для уменьшения их начальной скорости краны могут быть трехходовыми, срабатывающими с небольшой задержкой и выпускающими пороховые газы из-под поршня в атмосферу.
Для возможности простого выстрела (одном зарядом) краны должны иметь второй привод - дистанционный (электрический, пневматический, гидравлический, тросовый). После воспламенения дополнительного заряда первый поршень будет некоторое время по инерции продолжать движение вперед. Но затем разница давлений остановит его и попытается отбросить назад. Чтобы помешать этому, надо застопорить поршень. Это можно сделать двумя основными вариантами: стопорные устройства могут быть размещены на поршне или на стволе.
В первом варианте поршень имеет на наружной поверхности стопорные элементы, тормозящие его, например, путем расклинивания при обратном его движении.
Стопорными элементами могут быть шарики, расположенные в профилированных пазах, уменьшающихся по глубине в направлении «вперед». Образуется устройство, напоминающее шариковую муфту свободного хода, только не в цилиндрическом, а в линейном виде: поршень может двигаться только вперед, при попытке сдвинуть его назад он самозаклинивается.
Для увеличения контактирующей поверхности и уменьшения контактных нагрузок вместо шариков лучше применить бочковидные (бочкообразные) ролики, кривизна образующей линии которых равна кривизне окружности ствола. Желательно, чтобы ствол, по крайней мере до последнего байпасного участка, был гладкоствольным.
Еще более снизить контактные нагрузки можно, применив вместо шариков или роликов секторные части поверхности цилиндра (труба, продольно разрезанная на несколько частей) с наружными и внутренними ребордами. Реборды должны иметь с одной стороны конусную, а с другой стороны - обратно-конусную форму. Чтобы стопорные элементы не вываливались, они могут быть завальцованы в пазах.
А ствол и поршень при этом должны иметь соответствующие канавки с конической и обратно-конической поверхностями, расположенные с таким же шагом, как и реборды. Ширина канавок в стволе должна быть меньше ширины ведущих поясков снаряда. В стволе эти канавки должны быть расположены после байпасных участков в местах остановок поршней. Эти места сначала рассчитываются, а затем уточняются опытным путем.
Стопорные элементы могут быть подпружинены вперед.
Второй вариант предусматривает установку стопорных устройств в стволе. Устройства могут быть любого типа (храповиковые, язычковые, поворотные, шиберные, диафрагменные и т.п.). Их привод удобно осуществлять пневмоприводом от пороховых газов. Так как место остановки поршня может отличаться в разных выстрелах, то местоположение стопорного устройства на стволе следует выбирать с запасом. То есть поршень будет пролетать стопор и затем немного отбрасываться обратно. Поэтому следует иметь ввиду, что кроме значительных статических нагрузок от перепада давлений пороховых газов, эти устройства будут испытывать и некоторые ударные нагрузки. Хотя в целом нагрузки на стопоры будут примерно на порядок меньше, чем на затвор.
Вследствие этого желательно выбирать такой тип стопорного устройства, чтобы оно обладало некоторой демпфирующей способностью. Такой способностью будет обладать, например, храповиковое стопорное устройство с управляемыми храповиками (личинками) в совокупности с особой - обратно-оживальной конусной задней поверхностью поршней. Такой поршень, прежде чем остановиться на храповиках, слегка раздвигает их и за счет трения и увеличивающегося угла касательного взаимодействия погасит энергию толчка. Длина храповиков должна быть меньше расстояния между ведущими поясками поршня или снаряда.
Однако при форсированной энергетике выстрела то есть при повышенной навеске МВВ и повышенном давлении в стволе, а также при достаточной длине каждого участка разгона стопорное устройство уже на втором (считая от казенной части) промежуточном поршне могут не потребоваться. Если первый, то есть основной, заряд казенной части разгонит связку из двух поршней и снаряда до 1050 м/сек, а второй заряд, то есть первый дополнительный из первого поршня, - еще на 1050 м/сек, то скорость третьего заряда, то есть второго дополнительного, составит уже 2100 м/сек, и он при сгорании даст газы, которые не смогут расширяться назад, а только вперед. Такие газы наоборот - будут поджиматься сзади летящим поршнем. То есть работа третьего заряда в таком случае похожа на работу в безоткатной пушке: относительно своей системы отсчета газы этого заряда будут распространяться как вперед, так и назад. Но их распространение назад будет ограничено, так как на них со скоростью 2100 м/сек будет налетать второй поршень.
При меньшей длине участка разгона стопорное устройство не понадобится, начиная с третьего поршня (например, при разгоне на каждом участке до 700 м/сек). Время прохождения каждого участка меньше, чем предыдущего, поэтому скорость горения МВВ должна в первом поршне быть в 1,707 раза больше, чем в основном заряде, во втором поршне - в 2,225 раза, а в третьем - в 2,639 раза.
Большое значение имеет компактность дополнительных зарядов, поэтому желательно использовать МВВ в виде шашки или жидкое. В последнем случае оно должно быть защищено от разливания мембраной из твердого МВВ, в которой для ускорения зажигания могут быть одно или несколько включений ВВ (если жидкое МВВ не склонно к детонации).
Такие орудия по аналогии с ракетами будем называть двух-, трех- и многоступенчатыми. То есть обычное орудие - это одноступенчатое.
Ствол такого орудия будет иметь очень большое удлинение: допустим, трехступенчатая пушка (с двумя поршнями) с длиной каждого участка 70 калибров и длиной двух поршней 7+3 калибра будет иметь общую длину 220 калибров. Длину последнего участка целесообразно выбирать несколько большей, поэтому общая длина ствола трехступенчатой пушки будет 230-240 калибров, а четырехступенчатой - 300-310 калибров.
Для поддержания прямолинейности такого ствола орудие имеет сверху или снизу ствола поддерживающую ферму, соединенную со стволом в нескольких местах скользящими креплениями управляемой длины (например, электрическими винтовыми домкратами).
Крепления управляются относительно лазерного луча с помощью нескольких четырехсекторных (влево - вправо, вверх - вниз) фотоэлементов или фотосопротивлений, соединенных со стволом. Причем в каждом таком элементе имеется отверстие для прохода луча. Чем ближе к дулу, тем отверстия меньше (последнего может не быть). Такой ствол при любой длине будет идеально прямым.
Ферма может быть установлена на станине артиллерийской установки и иметь систему тяг, тросов и противовесов.
Или ферма может быть установлена на вспомогательной тележке, гусеничной или рельсовой, имеющей возможность ездить по кругу вокруг установки.
Трех- или двухступенчатое орудие умеренного калибра может быть мобильным, особенно при разборном стволе. Орудие большого калибра с числом ступеней более двух делать мобильным нецелесообразно.
Орудие может иметь откатное устройство, а может и не иметь (так как стрельба на большие дальности ведется с возвышением 45 градусов и более). В последнем случае оно будет иметь некоторое сходство с казнозарядным минометом.
При выстреле из четырехступенчатой пушки со скоростью в каждом участке 1000 м/сек начальная скорость снаряда составит 4000 м/сек. При этом вверх снаряд теоретически может взлететь на 800 км. А при стрельбе на дальность теоретическая дальность составит 1600 км, причем 95% полета будет происходить в космосе, то есть в вакууме, и снаряд не будет испытывать аэродинамического сопротивления. Исходя из закона «квадрата-куба», чем больше будет калибр, тем ближе практическая дальность будет приближаться к теоретической. Так как основная помеха этому - аэродинамическое сопротивление на начальном участке полета (до 20 километров), то для уменьшения сопротивления можно пожертвовать 5-10% полезной нагрузки и применить подкалиберный (например, 70% диаметра) снаряд с отделяющимся ведущим элементом. При этом снаряд того же веса будет иметь большое удлинение, хорошо обтекаемую заостренную оживальную часть и сравнительно небольшой донный диаметр. Возможно снаряду потребуется теплозащита.
После полета в космосе снаряд может потерять ориентацию, особенно если пушка гладкоствольная. Поэтому снаряд следует оснастить оперением, например на расположенной сзади стационарной или телескопической штанге.
Следует отметить одну особенность данного орудия: при одинарном (то есть только основным зарядом) выстреле из четырехступенчатой пушки (краны на байпасах должны быть закрыты) снаряд полетит с начальной скоростью около 1500 м/сек на расстояние 100-1500 км, при этом выстрел будет очень тихим и почти беспламенным.
Следует отметить также один недостаток этого орудия: при выстреле на большую высоту или дальность возможно потребуется учитывать не только вращение Земли, но и гравитацию Луны и даже Солнца. Поэтому в компьютере орудия должны быть данные об их положении на некоторый период вперед.
Предполагается, что стрельба из такого орудия будет вестись в основном управляемыми, корректируемыми или самонаводящимися снарядами. Например, по наземным целям - с лазерным целеуказанием, в том числе со спутника. По самолетам, боеголовкам и гиперзвуковым межсредным аппаратам - с тепловым или пассивно-радиолокационным самонаведением. Неуправляемыми снарядами возможна стрельба по танкам из компактных двухстпенчатых пушек и стрельба ядерными снарядами по местам сосредоточения войск противника.
На фиг.1 изображен в сечении фрагмент трехступенчатого орудия с боеприпасом в стволе. Ствол 1 имеет два участка с байпасами 2 (показан один). В стволе находится первый поршень 3 с зарядом жидкого МВВ 4. Заряд покрыт мембраной 5 с включениями ВВ 6. Поршень имеет расположенные в профилированных пазах бочковидные ролики 7. Впереди первого поршня 3 находится второй поршень 8 с зарядом пороха 9. Второй поршень не имеет стопорных элементов. Поршни упираются друг в друга и в снаряд 10, имеющий сзади штангу 11 с оперением 12.
На фиг.2 показаны стопорные элементы в виде секторных частей цилиндра 13 с коническими ребордами на наружной и внутренней поверхностях. Части цилиндра 13 расположены в пазах 14, имеющих в сечении форму, соответствующую внутренним ребордам цилиндров 13, с возможностью расклинивания цилиндров наружу. При этом наружные реборды цилиндров 13 войдут в кольцевые канавки 15 на внутренней поверхности ствола. Цилиндры подпружинены пружиной 16.
На фиг.3 показан сегмент поршня 3, где слева показан вариант с бочковидными роликами 7, а справа - вариант с секторной частью цилиндра 13.
На фиг.4 показан вариант с расположением стопорных элементов в стволе. Храповики 17 удерживаются пружинами 18 (правый показан в раскрытом, левый - в закрытом положении) в раскрытом положении. В нужный момент они закрываются штоками 19 с помощью пневмопривода, работающего от давления пороховых газов (не показан). Поршень 3 имеет заднюю поверхность в виде обратно-оживального конуса 20.
На фиг.5 показан общий вид трехступенчатого орудия, где 21 - станина с казенной частью, 22 - тележка, 23 - ферма.
На фиг.6 показан простейший вариант системы управления креплениями управляемой длины, где 24 - секторные фотосопротивления с отверстием в центре, R1, R2 - резисторы, 25 - усилитель с двуполярным питанием, 26 - электродомкраты.
Работает орудие так: воспламеняется основной заряд МВВ в казенной части (не показан). Пороховые газы разгоняют связку из двух поршней 3 и 8 и снаряда 10 до скорости 1050 м/сек. После прохождения первого байпаса 2 горячие газы перетекают по нему и через прорези в кромке стакана (не показаны) воспламеняют небольшой заряд ВВ 6, который разрывает мембрану 5 и воспламеняет заряд жидкого МВВ 4. Первый поршень 3 постепенно останавливается и стопорится стопорами в виде роликов 7, которые расклиниваются между стволом и поршнем, превращаясь в затвор. Газы разгоняют второй поршень 8 со снарядом 10 до скорости 2100 м/сек и доводят их до второго байпаса 2. Там воспламеняется второй заряд ММВ 9, который разгоняет снаряд дальше. Второй поршень и ствол в районе второго байпаса не имеют стопорных устройств вследствие ненадобности.
Цилиндрический стопорный элемент 13 на фиг.2 работает так: при замедлении поршня цилиндр 13 инерцией и пружиной 16 сдвигается вперед и за счет скосов в пазу 14 выходит за пределы диаметра поршня. При этом его наружные реборды входят в канавки 15 на стволе и стопорят поршень.
Стопорное устройство на фиг.4 работает так: когда поршень 3 проходит храповики 17, штоки 9, приводимые в движение пневмоприводом от пороховых газов (привод не показан) закрывают храповики 17 (левое положение на фиг.4). Поршень 3 при обратном движении своей конической обратно-оживальной частью 20 касается храповиков 17 и, слегка раздвигая их, за счет трения амортизирует толчок.
В целом артсистема на фиг.5 работает так: тележка 22 занимает нужное положение на грунте или на рельсах, поднимает ствол 1 с помощью фермы 2 и выпрямляет ствол с помощью креплений управляемой длины 26. Орудие готово к выстрелу.
Система выпрямления ствола на фиг.6 работает так: лазерный луч диаметром больше диаметра отверстия в четырехсекторном фотоэлементе 24, попадая на фотоэлемент, создает баланс напряжений на резисторном мосте R1-R2, который усиливается усилителем 25 и приводит в действие электродомкраты 26. Их движение будет вызывать смещение ствола и связанных с ним фотоэлементов до тех пор, пока баланс напряжений не станет равен нулю, то есть лазерный луч и отверстие в фотоэлементе станут концентричны.