В артиллерии калибр или калибр [nb 1] — это внутренний диаметр ствола орудия или , в более широком смысле, относительная мера длины ствола.
Нарезные стволы вносят неоднозначность в измерение калибра. Нарезной канал ствола состоит из чередующихся нарезов и полей. Расстояние поперек канала ствола от нареза до поля больше, чем расстояние от поля до поля. Снаряды, выпущенные из нарезных стволов, должны иметь полный диаметр от нареза до поля, чтобы эффективно вращаться нарезами, но калибр иногда указывается как диаметр от поля до поля до нарезов. Глубина нарезов (и вытекающая из этого неоднозначность) увеличивается в больших калибрах.
Стальные артиллерийские снаряды могут иметь переднюю часть ствола , обработанную до диаметра, немного меньшего, чем исходный размер ствола от нареза до нареза, и медный ведущий поясок, немного больший, чем диаметр нареза до нареза, для эффективной герметизации канала ствола, поскольку он расширяется из-за эрозии во время длительной стрельбы.
Орудия ВМС США обычно использовали глубину нарезов от половины до одного процента калибра. Диаметр снаряда по борозде был на 0,015 дюйма (0,38 мм) меньше диаметра от земли до земли с минусовым производственным допуском, поэтому средний зазор составлял около 0,012 дюйма (0,30 мм). Диаметр ведущего пояска был равен диаметру от паза до паза плюс 0,02 дюйма (0,51 мм). [1]
Длина ствола (особенно для более крупных орудий) часто указывается в кратных калибрах, используемых, например, в американских военно-морских винтовках 3 дюйма (76 мм) или больше. [2] Эффективная длина ствола (от казенной части до дульного среза ) делится на диаметр ствола, чтобы получить безразмерную величину. [2] : 81 Например, основные орудия линкоров класса «Айова» могут быть обозначены как калибр 16"/50 . Они имеют диаметр 16 дюймов, а длина ствола составляет 800 дюймов (16 × 50 = 800). Это также иногда указывается с помощью префикса L/; так, например, наиболее распространенное орудие для танка Panzer V описывается как «75 мм L/70», что означает ствол с внутренним каналом 75 мм (3,0 дюйма) и длиной 5250 мм (17 футов 3 дюйма).
Соотношение канала ствола к длине ствола называется «калибром» в морской артиллерии [2] : 81, но называется «длиной» в армейской артиллерии. До Второй мировой войны ВМС США использовали калибр 5"/51 (5" L/51) в качестве орудий класса «поверхность-поверхность» и калибр 5"/25 (5" L/25) в качестве орудий класса «поверхность-воздух». К концу Второй мировой войны двойное 5-дюймовое/38-калиберное орудие (5" L/38) стало стандартным морским вооружением против надводных и воздушных целей. Все три имели диаметр канала ствола 5 дюймов (а не 5,51 или 5,25 или 5,38, как часто неправильно понимают).
Военно-морские винтовки, хотя и были сконструированы и изготовлены примерно тем же способом, что и наземная артиллерия, были построены по гораздо более строгим и тщательным стандартам, чем наземное оружие, и на то были веские причины. В море оружие должно было работать без сбоев. Не было готовой замены, и не было такой, которую можно было бы легко поставить. Со временем термины фунт (вес снаряда ) и канал ствола (фактический канал ствола оружия) стали путаными и размытыми. В конце концов, когда появилась технология, канал ствола (в дюймах или миллиметрах) стал стандартной мерой. [3] [4] [5] [6]
Для морских винтовок первоначальное изменение коснулось фактического канала ствола, что облегчило производство стандартных снарядов. Затем они начали измерять эффективную длину (и, следовательно, дальность) оружия в калибрах. Это мера стандартизированной длины ствола по сравнению с нарезным каналом ствола. Другими словами, 12/45 составляет 12"×45 = длина нарезного канала ствола этого орудия в дюймах. Это объясняет разницу как в пробивной способности, так и в дальнобойности различных морских винтовок на протяжении многих лет. [3] [4] [5] [6]
В дополнение к возможным улучшениям общей производительности (то есть начальной скорости и ударной силы), увеличение длины ствола также позволяло, в некоторых обстоятельствах, увеличить размер снаряда. Например, американский 14/45, представленный на линкорах класса «Нью-Йорк» , стрелял снарядом весом 1250 фунтов (570 кг). Более поздние усовершенствования конструкции, удлинение самой винтовки и изменение казенной части, позволили использовать снаряд весом 1400 фунтов (640 кг) и, в целом, увеличить срок службы ствола. Снова мы видим эту модель с американскими 16-дюймовыми орудиями. Первоначальная конструкция имела длину 45 калибров и стреляла снарядами весом 2200 фунтов (1000 кг). Более поздняя переделка до 50 калибров позволила не только увеличить скорость, но и использовать более тяжелый снаряд весом 2700 фунтов (1200 кг), который в конечном итоге был признан лучшим морским снарядом, когда-либо применявшимся в бою. [3] [4] [5] [6]
Ранние стволы орудий были короткими и толстыми, как правило, не более 26 калибров, так как пороховой метательный заряд, который они использовали, сгорал очень быстро и бурно, и, следовательно, его время ускорения было коротким. Более медленно горящие « коричневые пороховые » формулы пороха позволили немного увеличить длину ствола орудия в 1880-х годах, но требовалось огромное количество коричневого пороха. Новые медленно горящие « бездымные пороховые » пороха, доступные с середины 1880-х годов и далее, такие как Poudre B , кордит и нитроцеллюлоза, позволяли более плавное продолжительное ускорение, поэтому стволы орудий постепенно делались длиннее и тоньше. Новые формулы были гораздо более мощными метательными зарядами, чем порох, и требовали гораздо меньшего веса, поскольку они почти полностью превращались в газы при сгорании. Начальная скорость стала ограничиваться только длиной ствола, которая была осуществима, как с точки зрения методов строительства того времени, так и с точки зрения любых практических ограничений, налагаемых способом использования оружия.
Практический эффект длинных стволов для современных орудий заключается в том, что снаряд проводит больше времени в стволе, прежде чем вылетит, и, следовательно, больше времени доступно для расширения газа от контролируемого горения метательного заряда, чтобы плавно ускорить снаряд, обеспечивая более высокую скорость без чрезмерной нагрузки на орудие. В терминах внутренней баллистики , если основание снаряда рассматривать как поршень, приводимый в движение расширяющимся газом, то с увеличением длины ствола объем, охватываемый поршнем, также увеличивается, и, следовательно, увеличивается количество энергии, которое может быть извлечено из горения газа. Более длинный ствол позволяет использовать больше метательного заряда: метательное заряд полностью сгорает довольно рано на пути снаряда по стволу, за исключением очень распространенного случая, когда сгорание все еще происходит, когда снаряд покидает дуло, и создается видимая дульная «вспышка».
Снаряд продолжает ускоряться до тех пор, пока давление позади него достаточно для преодоления трения в канале ствола. Избыточная энергия будет продолжать ускорять снаряд до тех пор, пока он не выйдет из дула. Если давление позади снаряда достаточно упадет до того, как снаряд покинет канал ствола, снаряд может и будет замедляться, все еще находясь в стволе, несмотря на остаточное давление в канале ствола позади снаряда. Легкий заряд с недостаточным давлением для выталкивания снаряда приведет к «пиропатрону», или снаряду, застрявшему в канале ствола. [7] Это давление уменьшается за счет увеличения объема ствола, который должен заполнить газ.
Чтобы достичь максимальной начальной скорости при самой короткой длине ствола, снаряд должен выходить из ствола, когда давление газа уменьшается до малой доли от максимального, хотя в отличие от максимального давления в камере, малую желаемую долю невозможно измерить. В современных ружьях повышенные начальные скорости могут быть получены путем изменения состава пороха и/или использования дуплексных зарядов, содержащих два разных пороха, чтобы продлить «кривую давления» дальше вниз по каналу ствола. Подвергая основание снаряда заданному давлению в течение более длительного периода времени, скорость может быть увеличена без повышения уровня создаваемого давления.
Технологические усовершенствования позволили ввести в употребление длинные стволы орудий, которые были достаточно прочными, чтобы выдерживать силы, необходимые для ускорения снаряда до высокой скорости, оставаясь при этом достаточно легкими, чтобы быть достаточно мобильными, достаточно жесткими, чтобы сохранять точность, и имели канал ствола, способный выдерживать множество выстрелов до необходимости ремонта. В Первую мировую войну типичными были стволы морских орудий 45 калибра, во Вторую мировую войну были распространены стволы 50-55 калибра, а Германия уже производила танковые пушки 70 калибра к 1943 году.
Сегодня стволы калибра 60-70 не редкость, но новейшие технологии позволили более коротким стволам калибра 55 достигать начальной скорости 1750 м/с (5700 футов/с), как у танковой пушки Rheinmetall 120 мм . Однако, используя отделяющиеся поддоны , многие такие пушки стреляют снарядами, которые намного меньше канала ствола орудия, поэтому связь размера снаряда с длиной ствола не такая прямая, как у старых боеприпасов.