Эффективность средневековых арбалетов

Николай Борисов

Иногда возникают вопросы, связанные с технической стороной древнего метательного оружия. Например, какова была скорость и дальность полёта арбалетных стрел из разных арбалетов, каков КПД средневековых арбалетов и другие.
 На основании описаний древнего оружия, применяя эксперименты с современным метательным оружием, можно,  делать прикидки и расчёты по метательному оружию прошлых времён.
В книгу « Луки и арбалеты» составитель Рославлёв, 2002год, включена «Книга арбалетов», написанная исследователем древнего метательного оружия - Ральф Пэйн-Галлвеем и опубликованная в 1907 году.
Ральф Пэйн-Галлвейн описывает разные конструкции арбалетов, а также даёт их некоторые характеристики.
Вот, например, для мощного охотничьего арбалета со стальной дугой, он приводит такие интересные данные: тетива, которая надевается на дугу, должна быть короче расстояния между зацепами дуги на 1,25 ; 1,875см, Если больше, то энергия дуги не будет полностью использована, если меньше – то же самое. Для этого арбалета размер базы составляет 12,75см, а рабочий ход 15см. Длина его стальной дуги составляет 76см. Вес такого арбалета равен 6 кг без кранекина.
Из книги Ральф Пэйн-Галлвейна также следует, что минимальный рабочий ход тетивы средневековых арбалетов составлял 12,5см .
В книге есть рисунки и размеры средневековых арбалетных стрел.

Вот другой пример – большой осадный арбалет, весом 8,15кг. Ральф Пэйн-Галлвейн приобрёл его в начале 20-го века, отремонтировал и испытал.
 Основные данные арбалета: усилие натяжки 1200фунтов(544кг), рабочий ход тетивы 17,5см, дальность полёта арбалетной стрелы весом 85грамм, составляет 420,6 метров. Стрела имеет длину 35см.  Дуга арбалета – это прямой стальной лук длиной 96,5см.

Существует мнение, что полёт древних арбалетных стрел очень медленный и почти без потерь скорости, а начальная скорость древней арбалетной стрелы (болта)составляла около 50м/сек.
У меня это вызывает  скепсис, поскольку не верится, что болт, пролетевший расстояние 420м, имел такую низкую начальную скорость. 
Ральф Пэйн-Галлвейн, вначале 20 века, не имел хронографа, чтобы измерять скорости полёта стрел, а я, в 21веке, не имею древних арбалетов, чтобы испытать их непосредственно.
Но , несмотря на это, узнать начальную скорость стрелы( болта)из древнего арбалета, а, заодно, вычислить его КПД (или эффективность арбалета) – задача интересная и вполне допустимая в 21веке.
Чтобы решить такую задачу, необходимо сделать реплику средневекового болта и пострелять им из современного арбалета.
При изготовлении реплики, я ориентировался на стрелу, которой Ральф Пэйн-Галлвейн стрелял из мощного крепостного арбалета через Менайский пролив(Англия). О стреле известно, что она имела длину 35см и вес 85грамм. Кроме того, я ориентировался на его описание и детальный рисунок арбалетной стрелы несколько меньшей длины.
Готовая реплика средневековой стрелы имеет следующие характеристики: длина 35см, сечение деревянной части  имеет форму квадрата  со стороной 16мм вначале, затем идёт уменьшение сечения и к концу оно также представляет собой квадрат со стороной 13мм. В самом конце стрела заужена с обеих сторон до размера 10мм. Все рёбра квадратного сечения скруглены, и максимальный диаметр по рёбрам составляет 18мм. Вес реплики составляет 81,12грамма, в том числе вес наконечника – 43,53гр. Короче, вес реплики немного не дотянул до 85 грамм  но конструкции  этих стрел отличаются в основном длиной и вписываются в общую картину арбалетных болтов того периода.
Основное отличие реплики средневекового болта от аналога – заключается в конструкции оперения. Если в средневековой стреле 2 или 3 пера, то в моей – 4. Они несколько меньше, чем средневековые, но зато их больше и общая площадь оперения будет не сильно отличаться от площади оперения средневековых стрел. Нужно ещё иметь ввиду, что  часть средневековых арбалетных болтов изготавливалась вообще без оперения.

 Для расчётов по арбалетам, потребуется определить баллистический коэффициент подобной стрелы. Он не будет сильно различаться для  стрел средневековья близких по конструкции.
Чтобы определить баллистический коэффициент реплики средневековой арбалетной стрелы, я провёл опытную стрельбу из блочного арбалета Hunter Supreme SL фирмы Horton .
Характеристики арбалета следующие:
- усилие натяжения – 68,6кг;
- рабочий ход – 26,5см
При опытной стрельбе, начальная скорость реплики, определённая с помощью канадского хронографа CHRONY, составила - 48,31м/сек. Максимальная дальность полёта, под углом 43°к горизонту составила 205,3м. Согласно расчёту в электронной таблице  баллистический коэффициент реплики равен 10,3.
При опытной стрельбе поперёк направлению ветра, стрела улетала в прямом и обратном направлениях практически на одно и то же расстояние. Чего не скажешь о современной стреле, у которой разница в полёте туда и обратно составляла 7 ; 8%.
Для того, чтобы провести опытную стрельбу с репликой, мне пришлось снять с арбалета прижимную планку, которая мешала установить стрелу в арбалете.
Кроме того, чтобы стрела получала правильное направление, устанавливать стрелу пришлось ребром в направляющую канавку. Перья к стреле  приклеены к рёбрам, поэтому перо на направляющем ребре дополнительно помогало обеспечить правильное направление движению стрелы по канавке арбалета.

Расчёт показателей выстрела из арбалета Ральф Пэйн-Галлвейна.

Подставим в электронную таблицу баллистический коэффициент 10,3; угол вылета 43°и будем подставлять в исходные данные разные значения скорости, пока дальность полёта не составит 420,6 метра – расстояние, на которое выстрелил Ральф Пэйн-Галлвейн при испытании арбалета. Получится начальная скорость 75,м/сек. Энергия болта при этой скорости и весе 85гр. составит – 239дж.
Теперь определим КПД осадного арбалета. Для этого нужно иметь график кривой «сила – натяжение» такого арбалета
Поскольку  у нас  нет данных по соответствующей кривой, то можно  её построить с некоторыми допущениями, используя  сведения по прямым лукам типа Longbow, приведённые в интернете.
Адрес Интернет- ресурсов: http://crossbow.wikia.com/wiki/Bow_design 
http://www.dryadbows.com/Defining.pdf
а также, сайт ACS Bows.
Longbow без тетивы, представляет из себя прямую палку, также, как и арбалетный стальной лук, если с него снять тетиву. То есть оба они относятся в категорию «простой прямой лук».
 Теоретически наилучший вариант кривой «сила – натяжение» для прямого лука, представляет собой прямую диагональ, которая проведена на чертеже прямоугольника, нижней стороной которого является длина рабочего хода тетивы, а вертикальной стороной - значения усилий, при постепенном натяжении тетивы.
Площадь под диагональю прямоугольника – является потенциальной энергией, запасённой луком.
В реальных  длинных луках, кривая «сила – натяжение» несколько вогнута. Так, у Longbow площадь под кривой «сила – натяжение», составляет 91% от  идеальной. В нашем случае тоже длинная прямая дуга, и без большой погрешности, по аналогии с Longbow , можно принять запасаемую энергию равной 91% от идеальной.
Построив такой график и, сделав расчёты, найдём, что потенциальная энергия арбалета  Ральф Пэйн-Галлвейна, составит 425джоулей.
Теперь можно прикинуть КПД крепостного арбалета при стрельбе болтами весом 85гр. Начальная энергия 85 граммового болта, как было рассчитано выше, составляет 239дж. КПД такого выстрела составит:
239/425 = 0,562 или 56,2%.
Согласно расчёту в электронной таблице, на излёте, такой болт будет иметь скорость 58,3м/сек. При этом его энергия при ударе, составит 144 джоуля. Потеря энергии на дистанции 420,6м составит 40%.
Согласно раневой баллистике, поражение противника происходит, если удар имеет энергию 80 – 100джоулей. В нашем случае, на излёте болта, при попадании, в противника, его поражение гарантировано, причём, не спасут и латы.
Время полёта под углом 43градуса составит 10сек. Максимальная высота траектории полёта 123м.
В данном материале, приводится фотоснимок стрел, вошедших в таблицу 2, плюс реплика средневекового арбалетного болта, о котором речь шла в этой статье.