Требования, предъявляемые к взрывателям зенитных снарядов, отличаются от аналогичных требований к фугасным снарядам. Для стрельбы по воздушным целям кучность – более важный фактор, чем среднее значение срабатывания, и отстрелянная партия снарядов с хорошими показателями не гарантирует, что оставшиеся снаряды сработают хорошо и в этом случае. Такие «взрывы в ближней зоне» на дальность могут привести к значительным разрушениям, если не предусмотреть соответствующие меры защиты. При испытаниях взрывателей зенитных снарядов присутствие единичного «выброса» не так важно, как в случае взрывателей типа T & P. Периодические испытания взрывателей, находящихся на складах военных частей, ограничены стендовыми испытаниями, полевые испытания столь дороги, что признаны нецелесообразными. Воздействие климатических условий при хранении в значительной степени нейтрализуется упаковкой взрывателей в герметично запаянных луженых банках, но если в эти банки попадает хотя бы незначительная влага, то процессы их деградации значительно ускоряются. Поэтому использование абсорбентов в банках запрещено, и необходимо очень внимательно отнестись к обеспечению их герметизации.
При срабатывании взрывателя важны три фактора:
1. Скорость вращения (спин) снаряда (взрывателя).
2. Давление со стороны горящего заряда.
3. Воздействие высоких температур на состав (определяющий время срабатывания).
Эти факторы не слишком усложняют жизнь, если снаряд летит по низкой (настильной) траектории на малые или средние расстояния, но, когда речь заходит о высоких (навесных) траекториях и дальних дистанциях стрельбы, они приобретают первостепенное значение. Чем выше траектория и длиннее дистанция, тем менее надежно срабатывание взрывателя, и значительно возрастает число осечек. Эти физические эффекты в значительной степени взаимозависимы. Например, спин на уровне моря невообразимо мал, ниже 12 000 оборотов в минуту, но на высоте, например, 15 000 футов (4572 м) в силу уменьшения давления эти эффекты становятся весьма значимыми.
Однако на практике в нормальных условиях считается, что влияние этих факторов является накопленным, и при стрельбе вводятся соответствующие коррективы. Спин производит двоякий эффект:
1. Механический распад пороха в плоскости горения.
2. Закупорка шлаками выхлопных отверстий колец.
При высокой скорости вращения часть разогретой смеси размягчается и, едва воспламенившись от предыдущего слоя, сразу же отбрасывается к внешнему краю желоба кольца задержки времени, прежде чем воспламенится следующий слой. Горение, таким образом, замедляется и становится нерегулярным. Этот эффект незаметен с обычным порохом при медленном вращении, но, поскольку центробежная сила прямо пропорциональна квадрату угловой скорости, эффект резко возрастает при повышенных скоростях вращения, а при 30 000 оборотах в минуту горение становится нерегулярным и может прекратиться совсем. Содержание серы в порохе оказывает значительное влияние на этот процесс, поэтому ее содержание ограничено 10 %. Шлаки, или продукты горения, под действием центробежных сил засоряют выхлопные отверстия колец, что приводит к увеличению давления внутри их. Такое давление может взорвать ограничения колец, нарушая временные циклы. Последовательность таких маленьких взрывов приводит к пульсации давления, уменьшению общего давления на горящую поверхность, вызывая снижение скорости горения. Все это усугубляет необходимость искать бесшлаковые горючие вещества для систем задержки времени взрывателей.
Эффекты, связанные с давлением, можно рассматривать с двух точек зрения:
1. Статическое давление атмосферы, при котором горит система контроля взрывателя.
2. Динамическое давление, связанное с движением снаряда в потоке воздуха.
Любое увеличение давления на горящую поверхность увеличивает скорость горения и, соответственно, уменьшает время горения и расстояние до взрыва. Таким образом, чем выше траектория полета, тем меньше статистическое давление и дольше время горения. Падение барометрического давления приводит к тому же эффекту. Динамическое давление максимально на головку взрывателя, находящегося в головной части снаряда, летящего в воздушном потоке. Эксперименты показали, что давление на боковые части снаряда понижено, фактически давление на цилиндрическую часть снаряда оказывается ниже атмосферного. Давление конечно же зависит от скорости полета, но кривая его распределения вдоль снаряда практически неизменна. При скорости ниже 800 футов (244 м)/с давление на головную часть снаряда невелико, но при скоростях, сравнимых со скоростью звука, оно резко возрастает, и область повышенного давления распространяется дальше по корпусу снаряда. Поэтому для всякого снаряда и взрывателя повышение скорости влечет за собой увеличение давления на выхлопные (или вентиляционные) отверстия. Кроме того, давление на взрыватель будет тем больше, чем больше будет снаряд, на котором он установлен, так как выхлопные отверстия на взрывателе снаряда крупного калибра будут выдвинуты дальше вперед от ската гильзы. Контуры взрывателя должны как можно меньше влиять на распределение давления по поверхности снаряда, поэтому они должны гладко вписываться в его формы. Необходимо избегать каких-либо выступающих частей, которые могли бы создать вакуум непосредственно за такими выступами.
Влияние температуры можно разбить на три фактора:
1. Начальная температура взрывателя.
2. Изменения температуры, связанные с «включениями» (горением) отдельных его частей.
3. Потеря тепла или нагрев за счет теплообмена с окружающими телами и атмосферой, учитывая, что повышение температуры приводит к увеличению скорости горения и, соответственно, времени срабатывания взрывателя.
Рассмотрим эти три фактора:
1. Изменения начальной температуры можно не рассматривать, поскольку они зависят лишь от температуры газов в стволе орудия.
2. Изменения температуры, связанные с теплопроводностью при «включении» (горении) отдельных частей, заметны лишь в состоянии покоя (тестовых режимах). В полете они компенсируются охлаждающим действием потока воздуха.
3. Потеря тепла или нагрев взрывателя происходят лишь при контактах с атмосферой и по следующим трем причинам:
а) начальная разница температуры взрывателя и окружающей среды;
б) падение температуры с высотой. При подъеме на высоту 10 000 футов (3048 м) над уровнем моря происходит падение температуры примерно на 21° Цельсия[84]. На высотах между 10 000 и 20 000 футов разница еще больше – 29°. Далее температура изменяется резче, так на 30 000 футах над уровнем моря, при половинной влагонасыщенности, температура воздуха будет составлять минус 31,2 °F, или ниже минус 60 °С, так что при больших углах стрельбы влияние температуры может быть значительным;
в) эффект быстрого движения заключается в сжатии воздуха вокруг головной части снаряда. Такое сжатие происходит быстро, и его энергия приводит к повышению температуры.
Приведенный выше обзор проблем, которые необходимо решить для создания надежного взрывателя, ясно показывает, почему канониры (пушкари) прошлого не смогли предложить сколь-нибудь стоящего устройства контроля времени взрыва, хотя им не усложняли жизнь вопросы высоких скоростей, больших высот и дальности полета. Скрытые под этим на первый взгляд простеньким устройством проблемы потребовали для их решения изобретательности самых современных инженеров, химиков и физиков. Приведенный анализ показывает также, что и при всех достижениях последнего времени мы еще не нашли эффективных решений против современных воздушных целей. Эта проблема практически нерешаема в рамках взрывателей воспламеняющего действия. По этой причине немцы после Первой мировой войны обратили свои поиски в область механических таймеров – устройств, работающих на принципах часовых механизмов, вместо горения. За ними последовали британцы. Преимущество механических таймеров прежде всего в преодолении большинства, если не всех, сложностей, связанных с горением. Дополнительные, весьма значительные их преимущества – возможность периодических испытаний без разрушительных взрывов и линейная установка времени срабатывания. Последнее позволяет использовать единую модель практически на всех снарядах, если известно время полета, поскольку оно практически не зависит от спина снаряда, кроме крайне высоких скоростей вращения. Однако взрыватели с механическими таймерами также не без недостатков, так, первая такая модель, утвержденная для использования в британских ВС, – Fuze, time, mechanical, No. 200 («взрыватель, время, механический, № 200»), была далеко не безупречна. Центральную роль в механизме играет спусковая (боевая) пружина, поскольку от ее качества изготовления и закалки зависит надежность и точность срабатывания взрывателя. К этому необходимо добавить условие сохранения упругости в течение долгого времени хранения. Нельзя игнорировать и стоимостные соображения. Это были основные факторы, сдерживающие широкое применение механических таймеров на первых порах их появления. В период между Первой и Второй мировыми войнами было рассмотрено порядка полдюжины незначительно отличающихся конструкций таких таймеров, и во Второй мировой войне их применение было значительно расширено.
