Для начала он переделал 15-дюймовую (381-мм) корабельную гладкую пушку Родмана по так называемой «гаечной системе». В этой системе в дно канала обычной гладкой пушки ввинчивался стержень. На наружной поверхности стержня было 4 спиральных нареза. В продолговатом снаряде делалось по его оси отверстие с нарезами, соответствующими нарезам стержня. Таким образом, снаряд представлял собой как бы гайку, навинченную на стержень. Говоря более образно, стержень в канале орудия можно сравнить с шампуром, на который вместо куска шашлыка нанизывался снаряд.
15-дюймовая пушка, переделанная по системе Пембертона, была успешно испытана в Англии в 1865 г. При стрельбе лишь возникла проблема с досылкой в канал картузного заряда. Поэтому Пембертон изготовил специальное пневматическое устройство для заряжания орудия порохом без картуза.
Тем не менее и эта оригинальная система орудий также не получила широкого распространения из-за своей сложности и малой живучести.
Инженер Витворт еще в 1858 г. предложил так называемые полигональные орудия. В сечении канал орудия и снаряд имели форму правильного многоугольника (большинство орудий Витворта — шестиугольники). Таким образом, отпала надобность в нарезах, медных поясках, поддонах и т.п. Появилась возможность стрелять более длинными снарядами, до 5—6 калибров длиной. Для сравнения, длина крупповских снарядов 2,3—2,8 калибра. Снаряды Витворта имели лучшую в мире бронепробиваемость.
Стоит отметить, что идея полигонального ствола не принадлежит Витворту. Кто первый изобрел полигональный ствол — неизвестно. Но в 1753 г. русский оружейник Цыгаев изготовил полигональную винтовку, в сечении канала которой был треугольник.
Витвортом были созданы опытные пушки калибром от 38 до 280 мм. Первое орудие, испытанное в 1858 г., было сделано из чугуна, но в дальнейшем Витворт изготавливал орудия из стали.
В 1868 г. 230-мм пушки Витворта показали рекордную для того времени дальность стрельбы 10 300 м при угле возвышения 33° и весе снаряда 133 кг.
Однако самой крупной пушкой, принятой на вооружение британского флота, стала 7-дюймовая (178-мм) пушка Витворта. Ствол ее имел длину 17,1 калибра. Снаряд весом 40,7 кг при заряде 5,4 кг пороха имел начальную скорость 343 м/с.
В 1874 г. в Англии был заложен броненосец «Индепенденсия» для бразильского флота. Его стандартное водоизмещение составляло 9310 т, а скорость 14,3 узла. Броненосец имел полное фрегатское парусное вооружение. Бразильские военные были очарованы системой Витворта, и главный калибр броненосца был представлен казнозарядными орудиями Витворта с шестиугольным сечением канала. (Четыре 305-мм пушки весом по 35 т и две 8-дюймовые пушки.)
Однако в 1878 г. в ходе «очередной военной тревоги» британское правительство со страху купило строившийся броненосец за 600 тысяч фунтов стерлингов. Для сравнения, броненосцы «Девастейшн» и «Дредноут» обошлись британскому Адмиралтейству меньше, чем в 377 тысяч фунтов стерлингов каждый. В отличие от них «Индепенденсия» был еще на стапелях.
После покупки броненосец был переименован в «Нептун». Лорды адмиралтейства и слышать не хотели о казнозарядных орудиях и велели заменить пушки Витворта на дульнозарядные пушки вульвичского типа: четыре 305-мм весом 38 т и две 9-дюймовые весом 12 т. Однако конструкция броненосца не позволяла стрелять из 305-мм орудий полным зарядом весом 90,7 кг, и заряд пришлось снизить до 81,6 кг, что, естественно, сказалось на баллистике. Замечу, что вперед могли стрелять только две 9-дюймовые пушки, а 12-дюймовые пушки не могли вести огонь ни назад, ни вперед. Назад вообще могли стрелять только малокалиберные орудия.
Переделки на «Нептуне» обошлись еще в 90 тысяч фунтов стерлингов. И этот корабль, по мнению британского историка Паркса, стал самым дорогим и неудачным кораблем британского флота.
Полигональные орудия могут быть только казнозарядные, и Витворт создал для них затвор, который представлял собой крышку с прочным дном, навинчивающуюся на задний конец ствола. Крышку охватывала рамка, шарнирно соединенная с телом орудия. Заряды помещались в оловянные картузы (прообраз гильз). Винтовые затворы действовали очень медленно, прочность их была низка, а конструкция оловянных гильз неудачна. А главное, полигональные снаряды имели ряд неустранимых недостатков — сложность изготовления снаряда, трудность заряжания, заклинивание снарядов в канале при стрельбе и др. Все это заставило Адмиралтейство отказаться от полигональных орудий.
О покойниках принято говорить только хорошее. Но вот по случаю смерти Витворта в 1877 г. английский журнал «Engineering» писал: «Летопись всех артиллерийских опытов с орудиями Витворта представляет собой источник стыда для английской нации и позора для ее администрации».