Ниже приводится формула для расчета приблизительного максимального давления при выстреле из пушки гранулированным зарядом, из ранних американских работ.
где:
с = вес заряда в фунтах;
w = вес снаряда в фунтах;
Δ = плотность загрузки = (27,73 с) / Объем за снарядом.
Даже если предположить, что Δ может быть определена точно для музейных образцов пушек, есть большое сомнение, что формула будет работать в связи с большим зазором между ядром и стенками ствола и различием взрывной силы пороха того времени. Сравнение взрывной силы серпентина, гранулированного пороха и современного пороха можно приблизительно представить соотношением 57:75:100. Формулы, используемые для определения скорости вылета и времени полета, используемые для продолговатых снарядов, выстреливаемых из орудий, заряжающихся с казенной части, можно было бы применить и для круглых ядер, но если использовать современные баллистические таблицы для пушек эпохи Тюдоров, то число неизвестных факторов сделает эти вычисления бесполезными. Например, используются два фактора воздействия на летящий объект:
δ – коэффициент стабильности полета,
χ – коэффициент формы передней части снаряда.
Хотя сферическая форма ядра предполагает отсутствие эффекта «рыскания» в полете, но значительный зазор между ядром и стенками ствола создает эффект «мяча в гольфе», сообщая ему вращательный момент, что приводит к существенной ошибке в определении коэффициента δ. С другой стороны, χ при малых скоростях должен оставаться практически постоянным. Но, даже заложив некое значение χ для исторических орудий, останется слишком много неизвестных для решения данной задачи. В Средние века эти факторы не регистрировались, поскольку мастера тех времен их недооценивали, но если бы даже они могли оценить их, то они не имели средств измерить их. Так что любые оценки делаются на основании весьма шатких догадок. С большими оговорками значение коэффициентов χδ для исторических пушек может быть принято на уровне 1,7.
Несмотря на это, канониры (пушкари) XVI века каким-то образом доходили до понимания некоторых элементов артиллерийской науки. Они уже догадывались о значении фактора, который мы сегодня называем фактором т, – плотности атмосферы. Они знали, что окружающая температура и давление влияют на эффективность стрельбы и что важную роль в этом играет уровень установки орудия. Естественно, они знали, как влияет состояние пороха, его влажность, на силу выстрела. Их корректировки под различные условия были скорее интуитивными, но идеи правильными. Их приемы отрабатывались на опыте стрельб при ветре, в тумане и т. д. Наблюдения и опыт были их учителями.
Тяговое усилие лошади того времени оценивалось на уровне 500 фунтов (227 кг), а вола – 600 фунтов (272 кг).
23 лошади требовалось для транспортировки орудия Cannon (пушки) по хорошему грунту.
15—17 лошадей – для транспортировки Demi-cannon (кулеврины) по хорошему грунту.
Не менее 9 лошадей – для транспортировки Culverin по хорошему грунту.
Количество лошадей, предписанных к орудиям XVII века, составляло{81}:
Фалкон – 3 лошади, миньон – 6, сакер – 7, деми-кулеврина – 18, каннон – 24, деми-кулеврина – 12, кулеврина – 14.
Никколо Тарталья (ок. 1499–1557 гг.) в беседе с приором Барлетты обсуждал вопрос необходимого количества лошадей и волов для транспортировки пушек:
Аспик – вес 1300 фунтов – 6 лошадей.
Сакер – вес 1400 фунтов – 8 лошадей.
Кулеврина – вес 1750 фунтов – длина 7 футов – 10 лошадей.
Кулеврина – вес 2233 фунта – длина 8,5 фута – 5 пар запряженных волов.
Каннон – вес 2500 фунтов – длина 8 футов – 6 пар запряженных волов.
Кулеврина – вес 5387 фунтов – длина 10,5 фута – 12 пар запряженных волов.
Кулеврина – вес 13 000 фунтов – длина 15 футов – 28 пар запряженных волов.
Джон Мюллер в «Трактате об артиллерии», опубликованном в 1768 году, приводит следующую таблицу потребности тягловых лошадей:
В дополнение к типичным ранним, описанным здесь пушкам – железным и бронзовым – на картинах иногда встречались необычные экземпляры. Вероятно, для снижения веса или защиты от непогоды они покрывались кожей, некоторые имели особо усиленные стволы, закрываемые шкурами, как 4-фунтовая пушка Густава II Адольфа, или китайские образцы, обмотанные в шелк. Были описаны девять странных пушек, изготовленных так, что внутри и снаружи они были бронзовыми, а между – оловянные. Они были изготовлены в Челси полковником Людвигом Вайдеманом, саксонским офицером под патронажем королевского высочества герцога Камберлендского в 1747 и 1748 годах на предприятиях герцога. В марте 1749 года эти пушки вместе с другими пушками из Тауэра были отправлены в Виндзор на испытания. В ходе испытаний одна из этих странных 6-фунтовых пушек взорвалась, после чего полковник Вайдеман прекратил испытания. Впоследствии пушки были приобретены Комиссией по артиллерии и помещены на склады Тауэра. В конце концов они были признаны непригодными и утилизированы.
В течение первых двух веков истории артиллерии все пушки были гладкоствольными и выстреливали круглыми ядрами, поскольку использование нарезки в стволе считалось технически невозможным. Нарезка ствола была изобретена Джаспером Цоллером, оружейником из Вены, в конце XV века и усовершенствована Августом Коттером, оружейных дел мастером из Нюрнберга, около 1520 года. Август предложил круговую нарезку вместо прямолинейной, предложенной Джаспером. Нарезка придавала снаряду вращение, что делало его полет более стабильным, увеличивая дальность и точность выстрела. Удлиненная форма снаряда нарезного орудия позволяла увеличить его вес и вместимость, увеличивая, таким образом, ее разрушительную силу, энергию удара и эффективность. Все это было известно пушкарям, но пока мастера не освоили эту технологию, старая концепция орудий и стрелкового оружия оставалась доминирующей. Впервые нарезной ствол в стрелковом оружии бросил вызов гладкоствольному мушкету в конце XVIII века, особенно в Америке.
Термин rifling (нарезы) произошел от немецкого riefen – делать борозды, желоб. Когда удлиненному снаряду сообщается вращение, то его траектория будет перпендикулярна плоскости вращения. Поворот нарезки измеряется в терминах калибра. Так, нарезка в один оборот на 15 означает, что нарезка делает один оборот на расстоянии 15 калибров (шаг винтовой нарезки), соответственно наклон нарезки равен тангенсу угла π/15.
Шаг винтовой нарезки может быть однородный, увеличивающийся или их комбинацией. Все системы имеют свои преимущества и недостатки. При однородной нарезке снаряд начинает вращаться сразу, как только начинает движение по стволу. Это приводит к высокому давлению вращения, создавая значительные нагрузки в нарезке и на ведущий поясок снаряда, возникающие сразу и сохраняющиеся до конца выхода снаряда из ствола. Давление падает по длине ствола. В стволе с увеличивающимся шагом снаряд в начале движения вращается незначительно, движется более свободно, оказывая меньшие нагрузки на ствол и ведущий поясок снаряда. В то же время ободок все время должен вписываться в изменяющийся наклон нарезки, что снижает сообщаемую снаряду скорость вращения. В этом случае давление вдоль ствола сохраняется достаточно однородным. Чем длиннее ствол и выше скорость вылета снаряда, тем больше проявляются недостатки нарезки с увеличивающимся шагом.
Изначально использовалась нарезка с однородным шагом, но с появлением более медленных зарядов и еще больших пушек была сделана попытка использования нарезки с увеличивающимся шагом в начале ствола, переходящей в однородную. Позже нарезка с увеличивающимся шагом использовалась по всей длине ствола. В 1894 году внедрялась дальнейшая модификация нарезки, когда нарезы делались вдоль ствола на длине нескольких калибров, затем нарезка переходила в спиральную с неравномерно увеличивающейся крутизной от 0 до 30 на выходе. В конце концов нарезка с равномерным шагом (постоянной крутизны) заняла главенствующее положение. Число нарезов в стволах варьировалось от 4 на дюйм калибра до 6 и даже 8; малые пушки были более соразмерны, чем большие. Пушки Британского легиона имели нарезы, известные как PHS (polygroove, hook section – многонарезной, крючково-секционный). Затем были пушки «многонарезной оружейной компании Элсвик». В 1849 году появилась нарезка PPS (mod.) – многонарезная, простая секционная модифицированная; изначальная PPS была использована в поздних пушках RML (Rifled muzzle-loader — нарезные пушки, заряжаемые с дула). В конечном счете была принята нарезка многонарезная, простая секционная с более поздней модификацией.
Ширина нарезов и полей (выступов поверхности ствола между нарезами), а также глубина нарезов зависят от сопротивления сдвига металла, формирующего ведущий поясок снаряда. При большом количестве нарезов металл пояска разрезается на соответствующее число узких ребер, но полная прочность на срез не равна прочности того же объема металла с меньшим количеством более широких ребер. Поэтому, если нарезы слишком узкие или слишком мелкие, поясок срезается, что серьезно влияет на вращение снаряда. С другой стороны, глубокие узкие нарезы ослабляют прочность ствола. С мелкими нарезами износ ствола быстрее приводит к потере точности выстрела, чем в случае глубоких нарезов, поскольку при этом ведущий поясок снаряда стирается больше. Таким образом, число, глубина и профиль нарезов должны соотноситься с калибром оружия, давлением пороховых газов в стволе и требуемой скоростью на вылете.
