Идея усадки одной трубы на другую для значительного повышения прочности разрыва существовала более ста лет, однако ее эффективная реализация стала возможной лишь в XX веке. Еще в 1832 году французский инженер-артиллерист капитан А. Тьери (A. Thiéry) указывал на значение усиливающих колец, трубок или намоток. В Англии профессор Д. Тридвелл (D. Treadwell) пришел к тому же заключению в 1842 году. Роберт Маллет (Robert Mallet), конструктор 36-дюймовой мортиры, в своем докладе в Ирландской академии 25 июня 1855 года описывал метод изготовления стволов пушек, при котором на внутреннюю трубу усаживались шесть концентрических внешних труб, из которых три внутренних трубы насаживались в режиме сжатия, а внешние три – в состоянии напряжения. Пятью годами позже, 14 мая 1860 года, капитан А. Т. Блейкли (A. T. Blakeley), член Королевской академии, представил доклад «О практическом применении принципов, изложенных в академии мистером Маллетом», в котором он описал свои собственные эксперименты в изготовлении пушек и заявил о приоритете в развитии кольцевой структуры. Последовала горячая дискуссия, которая нас не касается. Достаточно сказать, что мортира Маллета была спроектирована в октябре 1854 года, в то время как предварительное описание изобретения патента Блейкли № 431 от августа 1855 года было заявлено 27 февраля 1855 года. Его первая публикация появилась в июле того же года. Предварительное описание изобретения Уильяма Армстронга датировано 11 февраля 1857 года, однако профессор Тридвелл, представивший план производства пушки в военном министерстве в 1855 году, был настолько удовлетворен тем, что почва под это была уже подготовлена, что в письме от 28 мая 1855 года капитану Дж. Х. Лефрою он пишет: «После того как Вы сообщили мне в нашей беседе на прошлой неделе, что правительство уже готово продолжить эксперименты по созданию пушки по плану, близкому к тому, что предложил я, я воздержался от того, чтобы занимать Ваше время множеством деталей, касающихся механики, которые могли бы, по моему мнению, усилить предложенную мной конструкцию и, в частности, элемента, являющегося предметом прилагаемого доклада».
Приведенные здесь данные показывают, что капитан Блейкли пытался «запрыгнуть в повозку пушки». Претензии профессора Тридвелла, после тщательного расследования Американской академией по искусству и науке, в 1865 году были признаны справедливыми, и он был награжден золотой медалью Румфорда.
Капитан Блейкли вскоре основал завод «Блейкли Орданс Уокс» в Гринвиче и изготовил свои пушки. Некоторые его полевые образцы использовались конфедератами в Гражданской войне в Америке 1861–1865 годов. Однако его завод в Гринвиче просуществовал недолго.
Помимо всего прочего, пушка должна удовлетворять четырем условиям. Она должна иметь:
1) достаточную продольную прочность;
2) достаточную тангенциальную (окружную) прочность;
3) достаточную устойчивость при выстреле;
4) полноценную обтюрацию, то есть предотвратить какую-либо утечку газа назад или вперед по стволу.
Первое условие требуется, чтобы предотвратить поперечное разрушение орудия при выстреле. Это достигается вырезами в трубах, образующих стыкуемые плечи отдачи ствола. При выстреле они сжимаются в единое целое. Второе условие гарантирует, что орудие не взорвется при выстреле. Это обеспечивается усадкой достаточного количества металла или намотанной проволоки на части, подверженные наибольшему давлению. Максимальное давление в средней части орудия может достигать 18–20 т на квадратный дюйм. Такое давление создается на первых нескольких футах пролета снаряда, после чего давление постепенно падает, пока снаряд не достигнет дульной части, где давление снова поднимается. В дульной части давление поднимается до 6 т на квадратный дюйм. Такое распределение давления по стволу объясняет, почему самая толстая (усиленная) часть пушки расположена в казенной ее части и каморы (зарядной камеры) и почему у дульного среза делается утолщение. Третье требование связано с гарантией того, что дуло при выстреле не «толкнется» вниз, сбивая прицельную настройку. Реально пушка всегда устанавливается с этим припуском, называемым «поправка на провисание ствола» (droop) и предусмотренным в таблице дальностей и прицелов. И последнее. Есть две причины предотвращения утечки газов. Первая – температура горения при выстреле достигает порядка 2000 °C, при такой температуре сталь «смывается» из ствола, этот эффект известен как эрозия. Вторая – чтобы орудие всегда стреляло в соответствии с таблицей дальностей и прицелов, необходимо обеспечить постоянство «выбрасывающего» давления за снарядом. Проволока имеет существенное преимущество – обеспечение высокой тангенциальной прочности, но не может обеспечить ни продольную прочность, ни устойчивость при выстреле. Устойчивость при выстреле может быть обеспечена только с применением стальных труб.
Изготовление типового тяжелого орудия с использованием проволочной намотки выглядит следующим образом.
Заготовки делаются в сталелитейном цехе путем разлива расплавленного в печи металла в соответствующие формы. Затем заготовки куют в гидравлическом прессе или паровым молотом. После поковки более 8 дюймов диаметром трепанируется центральное отверстие. Трепанирование отличается от высверливания тем, что первое означает удаление твердого осевого наполнителя отливки, в то время как высверливание означает удаление металла малыми порциями. Следующая операция – ковка. Для этого заготовка разогревается до температуры порядка 1050 °С и помещается на специальную оправку. Ковка заканчивается при температуре около 650 °С, в противном случае, если продолжить ковку при более низкой температуре, металл приобретает свойства наклепанности с формированием внутренних напряжений. Таким образом выковываются трубы приблизительно требуемой формы и диаметра. После ковки от заготовки отрезаются образцы для контроля ее механических свойств и химического состава, чтобы убедиться, что они соответствуют техническим условиям. Если ТУ выдержаны, заготовка подвергается закалке в масле и отпуску для снятия внутренних напряжений, возникающих в процессе ковки и закалки, и стабилизации твердости. После этого проводятся дополнительные контрольные анализы/испытания. Затем трубка А подлежит «чистовому сверлению», и в местах плеч отдачи ствола вырезаются щели. Манжета с выточками усаживается (в горячем состоянии) на задний конец трубки А. Она усиливает запальную втулку казенника и формирует соединение между трубкой А и обкладкой посредством кольца казенника. Затем на трубку А усаживается (в горячем состоянии) дульное стопорное кольцо. Это ступенчатое кольцо, служащее еще и передним фиксатором проволоки, формирует продольное соединение между трубками А и В, то есть между внутренней и внешней частью ствола. Следующая операция – намотка проволоки. Проволока представляет собой стальные полоски порядка 1/2 дюйма шириной и 1/4 дюйма толщиной, прочностью на разрыв порядка 150 т на квадратный дюйм. Процесс сложный и выполняется на специальном оборудовании, позволяющем изменять натяжение намотки от слоя к слою таким образом, чтобы каждая навивка несла свою полную нагрузку. Например, на 15-дюймовой пушке количество слоев насчитывает от 79 на казеннике до 20 на дульном конце, а натяжение варьируется от 40 т в начале до 28,5 т на квадратный дюйм в конце. Расходуется 185 миль такой проволоки. Затем трубка В, после аналогичной обработки, усаживается поверх проволоки. Эта операция проводится путем ее нагрева до температуры порядка 550 °F (288 °С), после чего она опускается на ствол, устанавливаемый вертикально в глубокой яме казенной частью вниз, и охлаждается разбрызгиванием воды на горячий металл. Затем на трубку В усаживается подогретый для вставки кольца казенника задний конец обкладки. И в завершение кольцо казенника, подогретое до температуры не выше 550 °F (288 °С), ввинчивается и усаживается в обшивку. На этом построение пушки заканчивается, проводятся отделочные операции, такие как окончательная внутренняя и внешняя обработка и нарезка ствола. Нарезка наносится на специальном станке, на нарезочной головке которого крепятся три резца. Резцы «выхватывают» металл на обратном ходу. Для завершения нарезки требуется многократный ввод/ вывод головки. Нарезка большого орудия может занимать три недели. После нанесения нарезов орудие оснащается затворным механизмом.
В последние 30 лет в некоторых случаях появилась тенденция возврата к полностью стальным орудиям. В некоторых последних моделях полностью отказались от проволоки. Примером такого полностью стального современного орудия может служить казнозарядное 6-дюймовое орудие «Марк XXIII», используемое ВМС во время Второй мировой войны. Приблизительно в это время был разработан новый метод изготовления орудий. Этот метод известен как auto-frettage (самоскрепление ствола) и основан на том, что каждый последующий слой стальных трубок упруго воздействует на слой под ним. В пушках малого калибра это имеет некоторое преимущество, например, орудие может отливаться целиком и затем получить эффект самоскрепления давлением жидкости. Таким образом, можно увеличить выпуск орудий и понизить их стоимость. Однако этот метод имеет свои недостатки.
