Внешняя баллистика занимается движением снарядов в пространстве между пусковой установкой и целью. Когда снаряд приведен в движение, его центр масс прочерчивает в пространстве кривую, называемую траекторией. Основная задача внешней баллистики состоит в том, чтобы описать эту траекторию, определив положение центра масс и пространственное положение снаряда в функции времени полета (времени после запуска). Для этого нужно решить систему уравнений, в которых учитывались бы силы и моменты сил, действующие на снаряд.

Вакуумные траектории. Самый простой из частных случаев движения снаряда - движение снаряда в вакууме над плоской неподвижной земной поверхностью. В этом случае предполагается, что на снаряд не действуют никакие другие силы, кроме земного тяготения. Уравнения движения, соответствующие такому предположению, легко решаются и дают траекторию параболической формы.

Траектории материальной точки. Другой частный случай - движение материальной точки; здесь снаряд рассматривается как материальная точка, и учитываются его лобовое сопротивление (сила сопротивления воздуха, действующая в обратном направлении по касательной к траектории и замедляющая движение снаряда), сила тяжести, скорость вращения Земли и кривизна земной поверхности. (Вращение Земли и кривизну земной поверхности можно не учитывать, если время полета по траектории не очень велико.) Следует сказать несколько слов о лобовом сопротивлении. Сила лобового сопротивления D, оказываемого движению снаряда, дается выражением

D = ?Sv2CD(M),

где . - плотность воздуха, S - площадь поперечного сечения снаряда, v - скорость движения, а CD(M) - безразмерная функция числа Маха (равного отношению скорости снаряда к скорости звука в среде, в которой движется снаряд), называемая коэффициентом лобового сопротивления. Вообще говоря, коэффициент лобового сопротивления снаряда можно определить экспериментально в аэродинамической трубе или на испытательном полигоне, оснащенном точным измерительным оборудованием. Задача облегчается тем, что для снарядов разного диаметра коэффициент лобового сопротивления одинаков, если они имеют одинаковую форму.

Теория движения материальной точки (хотя в ней не учитываются многие силы, действующие на реальный снаряд) с очень хорошим приближением описывает траекторию ракет после прекращения работы двигателя (на пассивном участке траектории), как и траекторию обычных артиллерийских снарядов. Поэтому она широко применяется для вычисления данных, используемых в системах прицеливания оружия такого рода.

Траектории твердого тела. Во многих случаях теория движения материальной точки неадекватно описывает траекторию снаряда, и тогда приходится рассматривать его как твердое тело, т.е. учитывать, что он будет не только двигаться поступательно, но и вращаться, и принимать во внимание все аэродинамические силы, а не только лобовое сопротивление. Такого подхода требует, например, расчет движения ракеты с работающим двигателем (на активном участке траектории) и снарядов любого типа, выпущенных перпендикулярно траектории полета высокоскоростного самолета. В некоторых случаях вообще невозможно обойтись без представления о твердом теле. Так, например, для попадания в цель необходимо, чтобы снаряд был устойчив (двигался головной частью вперед) на траектории. И в случае ракет, и в случае обычных артиллерийских снарядов этого достигают двумя путями - при помощи хвостовых стабилизаторов или за счет быстрого вращения снаряда вокруг продольной оси. Далее, говоря о стабилизации полета, отметим некоторые соображения, не учитываемые теорией материальной точки.

Стабилизация посредством хвостового оперения - это очень простая и очевидная идея; недаром один из самых древних снарядов - стрела - стабилизировался в полете именно таким способом. Когда оперенный снаряд движется с углом атаки или рыскания (углом между касательной к траектории и продольной осью снаряда), отличным от нуля, площадь позади центра масс, на которую действует сопротивление воздуха, больше площади впереди центра масс. Разность неуравновешенных сил заставляет снаряд повернуться вокруг центра масс так, чтобы этот угол стал равен нулю. Здесь можно отметить одно важное обстоятельство, не учитываемое теорией материальной точки. Если снаряд движется с отличным от нуля углом атаки, то на него действуют подъемные силы, обусловленные возникновением разности давлений по обе стороны снаряда. (На этом основана способность самолета летать.)

Идея стабилизации вращением не столь очевидна, но ее можно пояснить сравнением. Хорошо известно, что если колесо быстро вращается, то оно оказывает сопротивление попыткам повернуть ось его вращения. (Примером может служить обычный волчок, и это явление используется в приборах систем управления, навигации и наведения - гироскопах.) Самый обычный способ привести снаряд во вращение - нарезать в канале ствола спиральные канавки, в которые врезался бы металлический поясок снаряда при разгоне снаряда по стволу, что и заставляло бы его вращаться. В ракетах, стабилизируемых вращением, это достигается при помощи нескольких наклонных сопел. Здесь тоже можно отметить некоторые особенности, не учитываемые теорией материальной точки. Если выстрелить вертикально вверх, то стабилизирующее действие вращения заставит снаряд и после достижения верхней точки полета опускаться донной частью вниз. Это, конечно, нежелательно, а потому из орудий не стреляют под углом более 65-70. к горизонту. Второе интересное явление связано с тем, что, как можно показать на основании уравнений движения, стабилизируемый вращением снаряд должен лететь с отличным от нуля углом нутации, называемым "естественным". Поэтому на такой снаряд действуют силы, вызывающие деривацию - боковое отклонение траектории от плоскости стрельбы. Одна из этих сил - сила Магнуса; именно она вызывает искривление траектории "крученого" мяча в теннисе.

Все сказанное об устойчивости полета, не охватывая полностью явлений, определяющих полет снаряда, тем не менее иллюстрирует сложность задачи. Отметим лишь, что в уравнениях движения необходимо учитывать много разных явлений; в эти уравнения входит ряд переменных аэродинамических коэффициентов (типа коэффициента лобового сопротивления), которые должны быть известны. Решение этих уравнений - очень трудоемкая задача.

Применение. Применение баллистики в боевых действиях предусматривает расположение системы оружия в таком месте, которое позволяло бы быстро и эффективно поразить намеченную цель с минимальным риском для обслуживающего персонала. Доставка ракеты или снаряда к цели обычно разделяется на два этапа. На первом, тактическом, этапе выбирается боевая позиция ствольного оружия и ракет наземного базирования либо положение носителя ракет воздушного базирования. Цель должна находиться в пределах радиуса доставки боезаряда. На этапе стрельбы производится прицеливание и осуществляется стрельба. Для этого необходимо определить точные координаты цели относительно оружия - азимут, возвышение и дальность, а в случае движущейся цели - и ее будущие координаты с учетом времени полета снаряда.

Перед стрельбой должны вноситься поправки на изменения начальной скорости, связанные с износом канала ствола, температурой пороха, отклонениями массы снаряда и баллистических коэффициентов, а также поправки на постоянно меняющиеся погодные условия и связанные с ними изменения плотности атмосферы, скорости и направления ветра. Кроме того, должны быть внесены поправки на деривацию снаряда и (при большой дальности) на вращение Земли.

С увеличением сложности и расширением круга задач современной баллистики появились новые технические средства, без которых возможности решения нынешних и будущих баллистических задач были бы сильно ограничены.

Расчеты околоземных и межпланетных орбит и траекторий, учитывающие одновременное движение Земли, планеты-цели и космического аппарата, как и влияние различных небесных тел, были бы крайне трудны без компьютеров. Скорости сближения гиперскоростных целей и снарядов столь велики, что совершенно исключается решение задач стрельбы на основе обычных таблиц и ручное задание параметров стрельбы. В настоящее время данные для стрельбы из большинства систем оружия хранятся в электронных банках данных и оперативно обрабатываются компьютерами. Выходные команды компьютера автоматически приводят оружие в положение с азимутом и возвышением, необходимыми для доставки боезаряда к цели.

Траектории управляемых снарядов. В случае управляемых снарядов и без того сложная задача описания траектории усложняется тем, что к уравнениям движения твердого тела добавляется система уравнений, называемых уравнениями наведения, связывающая отклонения снаряда от заданной траектории с корректирующими воздействиями. Суть управления полетом снаряда такова. Если тем или иным путем с использованием уравнений движения определяется отклонение от заданной траектории, то на основе уравнений наведения для этого отклонения рассчитывается корректирующее действие, например, поворот воздушного или газового руля, изменение тяги. Это корректирующее действие, изменяющее те или иные члены уравнений движения, приводит к изменению траектории и уменьшению ее отклонения от заданной. Такой процесс повторяется, пока отклонение не уменьшится до приемлемого уровня.