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火炮的身管是不是越長越好?為何有的奇短?
2021/12/04

首先,我們從能量的角度來評價一下身管長度、口徑、彈丸、膛壓對初速的影響。

大家知道,彈丸離開炮膛,是發射藥燃燒產生的火藥氣體推動的結果。但是火藥燃燒產生的能量並不是全部用于推動彈丸前進,而是由很多部分組成,包括用于彈丸直線運動的動能、彈丸旋轉運動的能量、未燃燒的火藥顆粒及火藥氣體本身具有的能量、炮身及其他部分後坐的能量、彈丸擠進膛線的能量、火藥氣體傳遞給身管、藥筒、彈丸的熱能。

由此可以看出,只有用于彈丸直線運動的能量才是有效功,其他的都稱為次要功。內彈道學中有一個次要功係數,就是次要功與火藥氣體總能量的比例。次要功係數越低,彈丸獲得的用于直線運動的能量越高,初速就越高。

彈丸是在火藥氣體的推動作用下運動的,我們知道彈丸獲得的能量越大,初速就越高。而彈丸獲得的能量與膛壓、口徑、身管長度有關,膛壓越高、口徑越大,彈丸受火藥氣體的作用力就越大,身管長度越長,彈丸受火藥氣體作用的時間越長。很顯然,提高初速的辦法無非是提高彈丸獲得的能量,和降低彈丸質量。

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提高膛壓顯然是個有效的辦法,可以使彈丸初速有明顯的提高。提高膛壓的辦法很多,如增大藥室容積,提高發射藥的火藥力f等。增大藥室容積的辦法,大家聽說的比較多,實質就是多裝火藥。這是當前提高彈丸初速的常用方法,也是主要方法。提高發射藥的火藥力,也是很有效的方法。這相當于提高了同等質量的火藥能夠產生的能量。

但是,膛壓提高也會使身管的燒蝕增大,降低身管的壽命。過去,地面壓制火炮一般壽命在3000發以上,二戰期間,蘇制某型122毫米榴彈炮甚至達到1萬發。可是高膛壓火炮的壽命很少超過1000發,有些高膛壓火炮甚至只有數百發。有個說法,某型滑膛炮打一發穿甲彈,身管磨損1道。要提高身管壽命,一般採取的辦法是降低火藥燃燒的溫度、加護膛劑、內膛鍍鉻等。

增加身管長度,實質上是增加火藥氣體對彈丸做功的距離,使彈丸獲得更多的能量。如著名的105毫米坦克炮,發射穿甲彈的初速是1455米/秒,加長身管後初速達到1500米/秒。

在彈丸獲得的能量一定的情況下,減小彈丸質量可以大幅度提高初速。比如美M68式105毫米坦克炮,破甲彈初速1173米/秒,彈丸質量約20千克,而穿甲彈質量約5千克,初速可以達到1455米/秒。脫殼穿甲彈能獲得如此高的初速,主要原因就是大炮打小彈。

在次要功中有一個彈丸旋轉運動的能量,還有一個彈丸擠進膛線的能量,這些主要是針對線膛炮而言的。而滑膛炮就沒有這些問題,從而降低次要功,增加有效功。

增大口徑也有相當的作用,這樣做可以使火藥氣體對彈丸的作用面積增大,從而使彈丸獲得的能量增加。120/125毫米坦克炮發展到現在,穿甲能力的提高已經接近了極限,要想進一步提高穿甲彈的動能,就必須要增大口徑了。所以各國都在研究140毫米坦克炮。

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其次,我們再來看看彈丸質量、射程、初速之間的關係。

初速和射程之間的關係比較好理解,提高初速,通常都會增大射程。彈丸質量對初速有影響,彈丸質量大,初速就低,在一定距離內,射程就會降低。但是超出一定射程後,射程反而會增大。再次,我們看看身管長度、初速、精度之間的關係。

我們知道,增大身管長度,可以提高初速,從而提高動能彈的威力。但是增大身管長度,也會使身管更易于彎曲,並增大發射時的橫向振動,使彈丸散佈增大,平均彈著點偏離預期命中點。提高初速,在對同一個目標射擊時,又可以使彈丸飛行時間減小,從而減少受外界環境(如橫風、縱風)因素影響的時間和效果。

如何使增大身管長度時,在提高威力和保持精度兩方面保持平衡,始終是一個比較難解決的問題。

在坦克炮、反坦克炮等對直瞄射擊精度要求高的武器上,一般採取的方法是在身管外增加熱護套、在炮口安裝炮口基準系統。

提高射程的手段有兩種,一是提高火炮初速,二是減小彈丸阻力。但是為了戰備和簡化後勤的需要,通常很少改動彈丸。在彈丸阻力一定的情況下,提高射程就只能通過增加火炮初速來實現。內彈道學原理告訴我們,火炮射程和初速可以通過以下兩種手段得到提高:一是增大發射藥裝藥量,也就是增加彈丸發射時火藥能量;

二是延長身管長度,也就是增加彈丸被火藥燃氣加速的時間。但是,火炮藥室容積(影響裝藥量的主要參數)和身管長度並不是可以隨意選擇的。通常情況下,科研人員在設計一種火炮時,會首先根據預先制定的火炮性能指標所給出的口徑、彈重、初速等初始條件,選取適當的最大膛壓、藥室擴大係數和火藥品種,以此為起點計算出火炮所需要的裝藥量。裝藥量的增加可以通過增加火藥裝填密度或者增大藥室容積來實現。

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裝填密度和藥室容積都不是能無限制增大的,過高的裝填密度會影響發射藥燃燒的均一穩定性;而過大的藥室容積會導致火炮炮尾結構重量和體積超標,影響後坐及俯仰動作。一旦設計人員確定了合理的藥室容積,除非出現特殊情況,否則這個參數在火炮的整個發展和改進週期中都將固定不變。

因為一旦藥室容積發生變化,就意味著整個彈藥系統結構都要重新設計,這是火炮設計人員所不能接受的。相對于藥室容積的變化,火炮身管長度發生改變對彈藥的影響很小。但是改變身管長度就會引起火炮外彈道特徵的變化,身管長度還受到材料和加工工藝水準等因素的限制。另外,身管長度過大也會導致火炮體積和戰鬥全重增加,進而影響火炮機動性能的發揮。

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