彈道學 【內彈道學】槍炮的口徑 到底由什麼決定？

歡迎收看火藥與軍械庫第一期,我是Franklin 在各種影視遊戲作品中 我們經常能看到18世紀之前的熱兵器 無論是火槍還是大炮 往往都有着粗到離譜的口徑 相比現代火器那纖細的槍管 早期火器給人的印象往往是五大三粗粗枝爛棗 然而縱觀歷史我們卻會發現 輕武器的發展史就是一部升官由粗變細的歷史 比如這是一支16世紀的西班牙重型火神槍 口徑21.5毫米,槍管長度1米 而這是一支18世紀末期的法國查爾維埃華唐槍 17.5毫米口徑,1.1米長的槍管 兩者的時代相差近200年 可以明顯看出前者的口徑要大於後者 而槍管長度則與後者相當 我們再看看這支誕生於19世紀中葉的 雷明頓M1867滾軸必鎖式步槍 口徑13毫米,槍管長760毫米 相比兩個世紀前的查爾維埃 口徑又進一步下降 同時槍管也明顯的縮短了 看到這裏可能有人不禁要問了 到底是怎麼決定了槍管的粗細與長短 爲什麼過去600年來人們一直在嘗試 將主流單兵火器的口徑不斷縮小 這麼做到底有哪些難點 首先我們先引入一個概念 叫氣體生成速率 氣體生成速率指的是單位時間內 槍管中的氣體生成量 它由三個因素共同決定 分別是火藥顆粒的幾何形狀 火藥顆粒燃燒的表面積 與火藥本身的燃燒限速度 前兩者由火藥顆粒的尺寸 形狀與裝填密度決定 而後者則取決於發射藥成分的化學性質 毫無疑問火藥的成分與化學性質 是其中重要的一環 尤其是對於火藥顆粒較小 顆粒形狀加工較困難的槍械而言 發射藥的成分更是影響性能的關鍵因素 在1886年之前 火槍的裝藥幾乎都是黑火藥 其主要成分爲硝酸鉀 硫磺與木炭 硫磺與木炭很容易在自然界中找到純淨物 而硝酸鉀的製取卻沒那麼容易 在1845年 人們首次從礦石中開採出硝酸鉀前 其主要來源是人和各種動物的糞便 如法國化學家拉瓦西在其著作 中提到的方法 通過把肥料與灰漿混合 將其堆成高4英尺寬6英尺的堆肥 並留下孔隙 用藥液進行溼潤後再加以攪拌 最後在大約一年後用水清除 去除可溶性硝酸鉀後通過過濾制的硝酸鉀 這種方法生產出的硝酸鉀 雖然仍不可避免流有雜質 但相比之前的方法純度已經提升了許多 更早的方法生產出的硝酸鉀雜質含量只會更多 而其中的雜質絕大多數都不會參與 火藥燃燒時的氧化還原反應 因此越是早期生產的黑火藥 所含雜質越多燃燒的速度也就越慢 而當火藥的燃燒速度發生變化時 就會引起一系列連鎖反應 首先假如你是一名火槍手 你無疑想用盡可能少的火藥 發射出動能儘可能高的彈丸 而在這個過程中你一定不希望火藥燃燒後 所產生的火藥燃氣被白白浪費掉 爲了更直觀地展示接下來的內容 我們將這支查爾維爾M1777滑膛槍的槍管拆下來 並劈成兩半好方便大家理解 在最理想的情況下 火藥燃燒結束時彈丸已前進的距離LK 與彈丸總形成LG之比 即火藥相對燃燒結束位置的特徵量 ΔK通常在0.6左右 說人話就是 所裝填的火藥通常要在子彈前進至 槍管總長度的60%左右時 全部火藥理論上在此時就該燃燒殆盡 爲什麼要是60%而不是100% 因爲在火藥燃燒殆盡後 雖然隨着彈丸的繼續前進 彈後的空間在不斷變大 彈內的壓力也在變小 但此時彈丸後面的壓力 依然高出外界大氣壓許多 所以火藥燃氣仍在對子彈做夠 子彈還未達到最大出速度 關於火藥燃氣壓力曲線 與子彈最大出速度之間的關係十分複雜 以後有機會再給大家詳細講 我們今天要說的是 當一支槍所使用的火藥燃燒速度變慢時 這把槍的火藥燃燒結束位置LK也會變得更遠 具體體現就是當子彈都飛出槍口了 火藥還沒燒乾淨 最後在槍口形成巨大的火花 造成火藥燃氣被浪費 而如何在不改變爲火藥成分的前提下 解決這個問題就是本期節目的重點 假設你是一名宅男 在被一輛大卡車一頭撞死後 你一覺醒來發現自己轉身到了一個異世界 這個異世界的科技水平大致相當於我們這個世界的15世紀 並且這個異世界也和我們的世界一樣並不存在魔法 沒有可愛的藍頭髮魔族少女來你家給你教授魔法技巧 因此的本質來到了異世界就要拿出點真本事的精神 你決定靠你在前世學到的槍炮內彈道學知識 來在這個世界建功立業 所以你找到了當地一位有權有勢的領主 告訴他你可以爲他組建一支無敵的火槍手軍團來實驗他的王道征途後 領主很高興給了你一間工作室 然後給你一年的時間 讓你用當時燃燒速度慢得要死的火藥 來生產出一款威力巨大的火神槍 於是故事便由此展開 當你不想減弱子彈的威力 卻又沒有太好的辦法提高火藥的燃燒速度時 你就要開始在其他地方找突破口了 最直接的 既然火藥燒的慢 在離開槍口後還沒有燒乾淨 那我們直接加長槍管不就行了 這樣一來彈丸總形成LG變長 A塔K的分母變大 特徵量A塔K又變回原先的0.6了 沒錯這種做法在15-18世紀十分常見 如奧斯曼帝國的贊巴拉克火槍 歐洲人的小玩意 甚至大清的臺槍叉子槍 無疑不至於有這一根纖細的槍管 加長槍管的好處 是子彈的重量和出速不會發生變化 出膛後子彈的彈道下墜 還是和火藥燃燒速度正常的槍一樣 能最大限度保障子彈的遠距離殺傷力 但壞處是槍管變長後 想在密集隊形中移動會變得很困難 像西班牙大方陣那種前排打完後就退到後面去換彈 幾列士兵輪流射擊的戰術 使用這種長槍管的武器就不合適了 因此這類長槍管武器更多是作爲支援武器單獨使用 而不是大規模配發給方陣中的步兵 如果我們不想加長槍管 又不想讓子彈的動能下降 我們還有什麼辦法 答案是加重子彈 我們在初中就學過關於動能的公式 假設單位時間內火藥燃氣對子彈所做的功不變 更重的子彈唯一會讓子彈在槍管裏的運動速度變慢 這樣一來LK變短 ETA-K又可以重新下降回0.6了 而燃燒速度卻不會因此變慢 相反因爲火藥燃氣的壓力升高 更高的氣壓實際上只會讓火藥的燃燒速度更快 但是怎麼讓子彈變得更重 在金屬P甲子彈出現之前 幾乎所有的子彈都是鉛製的 而你很難再找到和鉛一樣廉價 同時密度又比鉛高的金屬了 所以你只好增加氫彈的體積把子彈橫向拉長 把原先球形的子彈變成了長條形 但長條形的子彈在沒有彈線的前提下 飛行時容易受風的影響導致子彈前後左右到處翻滾做布朗運動 滑膛槍精度本來就差 換成長條形子彈後精度更加沒法看了 算了你心想反正這些雜兵的槍法也不怎麼樣 精度差就差吧 但與此同時更重的子彈還會讓槍管內的壓力曲線直線上升 給槍管帶來更重的負擔 如果不想炸糖的話要麼把槍管換成強度更高的材料 要麼就無腦加厚槍管吧 顯然你家老爺沒錢讓雜兵手上的步槍也用上太好的鋼材 所以你只好加厚槍管臂了 但這又帶來了另一個問題 加厚過的槍管變得過於笨重 這讓需要長途跋涉的士兵苦不堪言 問題到這裏似乎陷入了一個死循環 以當時的眼睛條件 你根本沒法在重量不變的前提下大幅提升金屬的屈服強度 直到某一天一位旅行者路過了你所在的城市 他的一番話讓你茅塞頓開 爲什麼不試着加大武器的口徑呢 是啊口徑 我們終於回到了視頻的開頭 爲什麼早期火器的口徑都那麼大 因爲相比現在 過去生產的火藥雜質較多 所以燃燒速度很慢 火藥的燃燒速度使我們不得不重新調整火藥燃燒結束位置LK 來最大限度的利用火藥燃燒所產生的能量 而爲了改變火藥燃燒結束位置LK 我們又不得不增加彈丸的質量 爲了增加彈丸的質量 我們又不得不增加彈丸的體積 而球形子彈體積的增加就必然導致口徑的增加 更大的口徑讓我們在增加彈丸體積的同時 維持住了原先球形的外觀 因此不會降低滑膛槍的精度 同時更大的口徑還讓槍管內側的受力面積更大 在火藥力不變的前提下 更大的槍管內壁面積分攤了受力 這樣就可以在不過分加厚槍管的前提下承受更高的彈壓了 只是槍管厚度不變 內外徑還是變大了 槍管的重量相比使用正常火藥的步槍 肯定還是要重一些的 但和威力比起來 士兵多吃點苦也是值得的嘛 到此爲止 我們終於講完了火藥燃塑與槍管長度口徑之間的關係 但內彈道學作爲一門發展了近400年的學科 我們今天所講的其實還只是它的皮毛而已 然而它卻是如此的重要 從1740年英國數學家魯賓斯發明彈道擺開始 到1979年鮑研育院士提出內彈道式平衡理論 如今的彈道學是一個涉及化學、熱力學、材料力學與流體力學的龐大學科 而內彈道學則是其中基礎中的基礎 然而相比研究子彈出膛後運動軌跡的外彈道學 與研究子彈對目標毀傷性的終端彈道學 內彈道學又似乎是所有學科中最不爲當代居民關注的 畢竟相比更直觀的機械結構 各零部件之間的尺寸數學關係就如一團不可名狀之物一般 叫人望而卻步 所以本系列節目的宗旨就是用盡可能直觀的方法 通過建模將槍炮內彈道學中的各項參數間的關係展現給大家 以上就是本期節目的全部內容 感謝收看 我是Franklin 我們下期再見