[心得] 17世纪的西方弹道学

楼主: helldog (妈宝地狗)   2023-07-14 21:23:54
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虽然16~17世纪就出现了砲兵论文,这些阐述了论文炮兵的职责和大炮应该如何运行,但
这时代毕竟是早期现代(early modern),这些作者写出来的东西,往往就是它们观察到的
现象,带有概括性、浓厚的思辨色彩,是纯定性的;因为当时要准确地测量炮弹的性能,
也无法做到。这些论文对当时的火炮性能的描述,也让后世的学者不够满意,毕竟火砲制
造商对他们的产品也无法量化。
这些论文也缺乏砲弹的速度资料,往往只有射程资料,但这些资料往往也不是正确的;这
不是他们的错,这是当时时代的限制。
西方最早的砲兵论文,可能是范诺西奥·比林古乔于1540年出版的《De la pirotechnia
》(火焰学);作者在文中提到:“一定要知道,所有的炮,除了臼炮,如果制造精确的话
,都能向目标直线射击;.它会使球准确地击中你指定的位置,除非球在发射过程中受到
什么阻碍。是炮身不直,或者是炮膛不够干净,或者是火药残渣;作为一个警告,只要炮
是直的,出现的每一个错误就是砲手的错,而不是炮自己的错。”
考虑到当时抛射物空气动力学的知识水平,在伽利略之前,大家以为砲弹是直线的击中目
标,所以比林古乔想当然尔地认为,如果弹丸离开炮管直奔目标,就一定会击中,如果没
击中目标,就是砲弹在射出前就出了问题,要嘛是弹丸在炮管内出错(火炮不直),要嘛就
是砲手操作错误。
1537年,尼科洛·塔尔塔利亚(Niccolo Tartaglia)将重物定义为“不明显受空气影响的
物体”,到17世纪初,伽利略已经正确地认识到,所有的弹丸都遵循一个减速抛物线轨道
,而这种减速完全是由于空气阻力造成的;外部弹道当然会影响击命中率,但除了“弹丸
在发射过程中受到某些东西的阻碍”之外,还有其他误差来源”;其他误差来源指的就是
内弹道;当时的炮手们肯定都知道这个常识,虽然当时无能力能证明。
制造工艺带来的内弹道表现不佳
所谓的内弹道,就是弹丸在炮管内的运动;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,最后被射出炮管外。
比林古乔关于炮不直或“镗孔钻的不好”的评论可能意味着火炮的炮膛不是一个完美的圆
柱体,或者炮膛核心的轴线与火炮的轴线不重合;第一种可能性并非没有道理,因为在18
世纪早期马里兹系统[注]引入之前,火炮镗孔机相对原始状态,肯定会使镗孔鉆头在前进
过程中发生偏移。后者的可能性则更大,炮手们知道,要确定一门新铸造的大炮的真实轴
线,是很困难的;然后把大炮垂直或水平放在鉆孔平台上也很困难。
直到18世纪,大炮才被铸成实心,然后被鉆孔;在此之前,火炮都是空心铸造的,先把模
具直立,然后浇注青铜,为了形成炮芯, 工匠会使用使用一根铁棒作为芯子来占据预定
的膛孔空间。铁棒的长度要长于预定的膛孔,上面有一个穿孔,铁条穿过这个孔洞,以防
止铁芯在熔化的青铜里乱动,这样会让炮膛跟火炮的轴线不重合。
注:让·马里茨 ( Jean Maritz, 1680–1743),也叫约翰·马里茨 (Johan Maritz) ,是
一位瑞士发明家,出生于伯尔尼州布格多夫,后来移居法国,成为斯特拉斯堡的“
Commissaire des Fontes” (国王铸造厂的专员),[1]和18世纪发明了立式钻孔机,以
及大砲的卧式钻孔机。他的发明彻底改变了大砲制造,并成为德瓦利埃系统的关键组成部
分,并为后来的格里博瓦尔系统的发展做出了贡献。
炮弹与炮膛之间的游隙,也会影响弹丸在内弹道的运动,所谓的游隙,即炮弹直径与炮膛
直径之间的差异;理论上,游隙不可过大也不可过小,如果炮管的黑火药残渣没有清干净
,过小的游隙会影响弹丸在炮管内的运动,弹丸碰撞炮膛,损害炮管之际,还有可能让炮
管破裂。如果游隙过大,则该火炮的释压阀太大,露出的气体会太多,浪费火药能量。但
游隙的存在使得弹丸在沿着内膛行进的过程中反复从碰撞炮壁,最后以不确定的角度抛出
炮管。
而且当时的铸造技术,弹丸极有可能不是完美的圆形,且整个球体的材质也不均匀。
火药配方的混乱
另外比林古乔关口中的炮膛不够干净,这反映了黑火药燃烧混乱的特点;与几乎没有固体
残留物的现代发射药相比,黑火药分解成液体盐,然后在桶壁上凝固;残渣(“水垢”)会
积聚起来,让炮膛的圆柱体变得不完美,除非炮手非常小心地把它除去。
火药配方的混乱也让火药的表现变成一个不稳定的因素,粉末的成分、制造方法导致的不
均匀的强度和燃烧速率;比如1573年彼得·怀特霍恩(Peter Whitehorne)写的《训令》
,里面就列出23种火药的配方,每一种的配方其硝硫炭的比例都不一样,从1:1:1的1号配
方(最古老的粉状火药或炮药),到10:20:37的9号配方(新式的粗火药),跟19号的手枪火
药,其配方则变成8:1:1。
越长的炮管能让弹丸飞得更远?
现代人知道,因为弹丸在炮管内加速的时间越长,所以弹丸初速度就越快,射程自然也更
长,但早期现代的人对这样的common sence并不认同;比林古乔是认可这一点的,他在书
上说:“无数的实验表明,当一支枪的枪管较长,装上与短枪相同的子弹和火药时,长管
的枪能射得更远;因为如果枪短了,火药在外面燃烧,当它飞到空中时,火力就分散了,
就不能达到你放它的目的。”
但另一派的人不茍同,他们觉得加农炮和蛇炮的有效射程是一样的,射程与炮管长度没有
关系,但实际上并不是这样的;蛇炮的装药比较多,弹丸比较轻,射程比较远;加农炮的
装药比较少,弹丸重,射程比较近,但这样的争论在16世纪时并没有定论,有人还觉得枪
管越短,射程越长。
威廉·伯恩(William Bourne)[注]也认为长管子应该能射得比较远,但他没胆子把他的想
法公诸于世;直到1628年,罗伯特·诺顿(Richard Norton)大胆提出炮管越长,射程就越
长的论点,在他的名著《炮手,展示炮术的实践》(The Gunner, Shewing the Whole
Practice of Artilerie)第14条定理里提到"The longer the Chase of the Peece the
stronger the Stroake。"
注:
威廉·伯恩(William Bourne,1535-1582),是一位英国数学家、炮学家、旅馆老板和前
皇家海军砲手,他被视为英国砲兵之父;重要著作是《重型火炮的射击技艺》、《海上军
团》。
罗伯特·诺顿的理由是由于球的燃烧和排出都是瞬间发生的,所以炮管越长,燃烧的力量
作用在球上和加速球的时间就越长(即更多的暴力(violent)[注]的效应转移到球上),因
此球会飞得越远;它飞得更远,这必然意味着它以更快的速度离开枪口。
注:
violent这词是亚里斯多德物理学用语,其意思是人为所造成的运动,不是现代语词的暴
力、猛烈之意。
为了试验炮长与射程的关系,路易斯·科拉多(Luis Collado)曾故意造出一门48口径的火
炮,然后每次试验时切下6个倍径的长度,比如第一次射击是48倍径,第二次是42倍径,
第三次是36倍径;他在报告里说随者长度的降低,火炮射程是增加的。随者工匠经验丰富
,它们找到更适合的倍径,火炮倍径越来越短;在阿玛达之战之前,西班牙蛇炮的倍径约
在26~32之间, 到无敌舰队时代,西班牙蛇炮的倍径缩短到18;这也是西班牙加农砲的倍
径。
安格拉博物馆收藏两门无敌舰队时代的英国火炮(MAH4与MAH7),这是两门"私生子",一种
缩短炮管的蛇炮变种,倍径不到18;为何要缩短倍径?根据实战,工匠觉得缩短倍径并不
太影响射程,最重要的原因是可以节省材料。
直到1778年,查尔斯·赫顿做了一连串的实验,才真正确认了倍径与射程的关系;在测试
3磅炮和6磅炮时,他发现,长3磅炮的平均初速比短3磅炮的平均初速高13.5%,但6磅炮却
是相反;短6磅炮的平均初速比长6磅炮的高2-4%。随者装药的增加,弹丸的速度也会增加
,但效益会逐渐递减。
直到18世纪,本杰明·罗宾斯发明了弹道摆,地球人才第一次能测试出砲弹/枪弹的速度
,洋人的弹道学向前迈进一大步。
是谁影响了外弹道?
当砲弹射出后,是啥影响了砲弹的射程?罗伯特·诺顿认为是风,风的强度、风向,是否
有侧风都会影响之;他这样提到:“当弹丸并不是个完美的圆形时,风力的强弱,如逆风
或侧风,都会把弹丸往某一侧驱赶,让弹丸向前或向后或偏向一方;冷热,风的粗细全都
会影响。”
他说风的粗细,以现在的观点来看,其实就是湿度,当代人说天气比较厚,其实就是湿度
比较高的意思;他们认为空气的厚薄会影响火炮的射程,以现代的观点来看,这是正确的
,因为空气密度与湿度成正相关;罗伯特说的冷热,并不是气温,而是炮管的温度;17世
纪的人觉得,温度高的火炮,弹丸能射得比较远。
装药量与射程的关系
乔纳斯·摩尔爵士于1674年撰写的《数学概要》(A Mathematical Compendium)中列出一
个表格,指出炮长、炮膛直径、装药量、射程之间的关系,我们从表中可以知道,乔纳斯
·摩尔爵士认为倍径越长越长的火炮,装药比倍径短的火炮更高;比如倍径30的蛇炮或半
蛇炮,装药比接近2/3, 而猎隼、奴仆、鹰这些倍径20的火炮,装药比是1/3;装药比越
高,射程就越长。
后记
学者比较17世纪的五本英国炮兵者作,以现代的角度来看,内容粗陋混乱,数字彼此的关
系是豪无逻辑且没有关联,甚至某些书还互相拆台;但洋人还是找对了工具-数学,走向
了正确的道路。相比于带明的炮术玄学,科学的优势在17世纪早期看来还不明显,但种子
已经种下,日后就是开花结果之时。
参考资料
Nakiry:【翻译】《1600年前后英格兰炮学书籍的发展》
Nakiry:小谈十六世纪青铜火炮的标准化及一些性能
Nakiry:【翻译】《炮术实践手抄稿中所反映之文艺覆兴时代的英格兰炮兵技艺》
Perceptions of the performance of cannon shot before 1700
The Art of Gunnery in Renaissance England
16TH CENTURY CAST-BRONZE ORDNANCE AT THE MUSEU DE ANGRA DO HEROÍSMO
作者: cjol (勤朴)   2023-07-16 11:47:00
作者: goodrain (mr.fu)   2023-07-16 23:45:00
一直觉得16甚至18寸砲的制造也是种黑科技

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