[心得] 蒙斯·梅格的威力与弹道分析

楼主: helldog (妈宝地狗)   2022-11-28 00:13:49
图文版:https://zhuanlan.zhihu.com/p/586854721
蒙斯·梅格(Mons Meg)是一门典型的15世纪巨型轰击炮(bombard),砲重6.97吨、炮长
4.06公尺、口径有510mm、发射175 公斤重的花岗石弹。
1454 年,好人菲利普把此炮作为礼物送给苏格兰国王詹姆斯二世;1455年詹姆斯二世围
攻Threave城堡,蒙斯·梅格就是攻城火炮之一,1540年,这门火砲退休,被带到爱丁堡
当装饰;此后,只有在重大庆典,蒙斯·梅格才会被当作礼炮,为典礼锦上添花;1558年
7月3日苏格兰女王玛丽与法国王太子婚礼时,蒙斯·梅格再次发出怒吼,工人在2英里外
找回炮弹。
1680年10月30日,为了庆祝奥尔巴尼和约克公爵-詹姆斯(未来的英国詹姆士二世)到访,
蒙斯·梅格又充当一次礼炮,当英国砲手装上火药后,这门炮却炸膛了;对此,苏格兰人
认为是英国人蓄意破坏,因为它们妒忌苏格兰人有这样大的大砲,当然有更多的耳语说这
是国王药丸的象征,1688年,苏格兰与英国共同的国王詹姆士二世在光荣革命中被赶下台

蒙斯·梅格的结构
蒙斯·梅格分为两个不同的部分,药室和炮管;药室长 1.16公尺,直径最宽是0.59公尺
,最窄是0.53公尺;炮管长度为2.88公尺,最宽是0.75公尺,最窄是0.63公尺;炮管是由
25根锻铁条排成中空的桶型,然后用33个箍固定到位;箍在炉子中加热,然后放置在锻铁
条上,当箍冷却时,它们会收紧以将枪管固定在一起。
弹丸是砂岩或花岗石做的,史料纪载蒙斯·梅格使用过130-140公斤的砂岩弹或160-170公
尺的花岗石弹;火药的分量在史料没有纪录,学者推断可能是29.5公斤或34公斤。
蒙斯·梅格的内弹道
弹丸在管内的运动被称为内弹道;内弹道的过程如下图:一旦引火药被点燃,热气体被强
制进入膛内,导致压力迅速增加,热量被推进剂吸收,压力下降;接者推进剂表面能够点
燃,反过来释放更多的热气体,这再次增加膛内的压力,直到弹丸开始移动,这被称为发
射开始压力(Shot Start Pressure)。然后体积逐渐增加,气体体积增加等于弹丸运动引
起的体积增加;一旦超过了峰值压力(Peak Pressure),弹丸运动的距离超过了气体产生
的体积,压力就下降了。一旦所有推进剂被全部燃烧(All burnt),气体膨胀是处于热力
学的绝热过程,直到弹丸离开枪口(Muzzle)。
为了要测试蒙斯·梅格的内弹道,我们需要先知道蒙斯·梅格使用的火药配方;因为史料
并无提及,学者采用14~16世纪常用的三种配方,该配方产生的气体压力与弹丸初速[注]
如下:
火药配方 压力(MPa) 弹丸初速(m/s)
14世纪 John Arderne Feuerwerkbuch 44–51 328.6
16世纪 Whitehorne 22–25 231.1
16世纪 Bruxelles 66–76 385.4
17世纪 British government Formula 92-105 425.3
把14~16世纪这三个初速平均,得出的初速是315m/s,以此初速作为计算蒙斯·梅格的外
部弹道参数。
注:Proteus是由Lab Center Electronics公司推出的EDA软件,用于计算气体燃烧和内部
压力,因为蒙斯·梅格已经是个骨董,无法对该炮进行实际测试,所以只能使用软件进行
模拟;蒙斯·梅格的弹丸初速就是由此软件估算出来的。
学者采用QinetiQ公司使用的QQ-BDAS软件,该软件用在火砲设计;安全最大压力(The
Safe Maximum Pressure)是QQ-BDAS预测大炮在不受伤害的情况下所能承受的理论最大压
力;最大内部压力(WH)显示了气体压力沿剖面的理想传播;安全裕度(The Margin of
Safety)的计算方法是安全最大压力与最大内部压力的比值,QQ-BDAS沿者火炮的每个点进
行评估,安全系数从1.3~9.6不等;安全系数1.3时,位于危险的边缘。
QQ-BDAS预估蒙斯·梅格最脆弱的地方位于距离药室0.2公尺~0.58公尺,这个位子的安全
系数最低;其安全系数下降的原因是砲管为了容纳砲弹,口径急遽增大;QQ-BDAS预估的
位置与蒙斯·梅格破损的地方(砲管第3箍到第7箍)相比,十分接近。根据论文A
technological success in the 15th century: Jehan Gambier's Mons Meg的说法,蒙
斯·梅格能承受的压力是87MPa,当压力超过110Mpa,砲管就会破裂。
该图显示14~17世纪,常用火药配方所带来的压力值,以Whitehorne这个配方来说,它产
生的压力大约在20~25MPa之间;而17世纪英国使用的官方规定配方(British government
Formula),压力值则高达110MPa。16世纪的士兵填入29.5公斤或34公斤的火药,对蒙斯·
梅格来说是安全的,但17世纪火药威力大于16世纪,1680年那次的射击,英国士兵使用的
肯定是英国官方的配方,如果再填入相同的药量,蒙斯·梅格焉能不爆?
蒙斯·梅格的外弹道
当弹丸离开枪管后,子弹的弹道被称为外弹道;法勒对外弹道的解释是一旦弹丸离开枪身
,受到气体逸出的影响,就开始了称为外弹道的飞行。
外弹道的影响因子可以参考此篇:妈宝地狗:[仙草]17世纪的火枪弹道
角度 10 15 30 40 45
射程(m) 2207.2 2888.5 4106.8 4413.3 4432.1
上图是角度对蒙斯·梅格射程的影响;跟大家知道的一样,角度为45°时,射程是最大的
;有趣的是,在10°和30°之间,弹丸速度是下降,原因是弹丸飞行弹丸的时间长,受到
的空力阻力的影响更大;然而,在30°和45°之间,弹丸速度再次增加。原因是弹丸到达
了更高的高度,重力产生的加速度有更大的影响;下表显示了射程随初速的变化:
弹丸初速(m/s) 210.8 299.4 388.0 432.3
射程(m) 1750.1 2880.3 4082.0 4647.8
蒙斯·梅格的火炮威力
江湖传说,1455年詹姆斯二世围攻Threave城堡,据说蒙斯·梅格发射的第一枚砲弹,打
穿3公尺厚的城墙,打断了玛格丽特的手,那时玛格丽特正在跟道格拉斯伯爵喝酒;但江
湖传说是真的吗?学者做了一系列的测试。
当代城堡建筑通常使用当地采购的石头和岩石,这些石头和岩石只是从地上捡起来的,这
意味着大多数城堡墙壁中的石头尺寸非常的大小不一,因此在模拟中复制这种结构是困难
的。因此学者改成另一种方式,学者用DYNA3D建立模型,在模型中设计出一道砖墙,该砖
墙是由260 mm × 260 mm × 520 mm的砖所建成的;砖是由抗压200MPa的混拟土造成(模
拟花岗岩的最小抗压强度),砖与砖之间的用石灰砂浆黏住,石灰砂浆的抗压值设为1.5
MPa(0.58MPa与 2.37MPa的平均值)。
当砲弹以319.1m/s的初速撞向第一道砖墙时,贯穿后还能以162m/s的速度撞向第二道砖墙
;贯穿第二道砖墙后,再以60m/s的速度撞向第三道砖,最后以24m/s的速度撞向第四道,
然后被第四道挡下。
结论
从模拟可知,蒙斯·梅格的砲弹不足以贯穿1公尺厚的花岗岩墙,所以要贯穿3公尺厚的
Threave城堡之墙,是不可能的;蒙斯·梅格的重量太大,重达6.9吨,加上它的砲车3.5
吨,在运送上是困难的,需要几十匹马要拉它;由于火药量巨大所产生的巨大威力,为了
安全,蒙斯·梅格被规定每天只能发射8-10次;低射速、危险、威力不足、低劣的机动力
,让这类的巨型轰击炮最后被青铜铸造的加农砲所取代。
后记
虽然现在某些两岸军事史也用科学方法与模型模拟来进行研究,但相较于广度与深度,跟
洋人相比, 还是有差距;举例来说,以洪武大砲をめぐって 明前期の火砲技术および制
度の一断面这篇论文来举例,虽然也做压力分析,但就浅浅带过;与The ballistic
performance of the bombard Mons Meg这篇文相比,有趣程度、科学方法分析与深度就
浅多了。
参考资料与出处
The ballistic performance of the bombard Mons Meg
洪武大砲をめぐって 明前期の火砲技术および制度の一断面
作者: LUDWIN (暑假已经过完了)   2022-11-28 09:55:00
作者: PAULDAVID (oops)   2022-11-30 22:02:00
祖宗之(药)法不可废 某种程度居然是对的

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