我們壹般將幾個因素的影響效果進行對比的時候,都假設其他因素不變,以便於比較。
首先,我們從能量的角度來評價壹下身管長度、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於推動彈丸前進,而是由很多部分組成,包括用於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,只有用於彈丸直線運動的能量才是有效功,其他的都稱為次要功。內彈道學中有壹個次要功系數,就是次要功與火藥氣體總能量的比例。次要功系數越低,彈丸獲得的用於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,根據動能公式E=0.5×m×v2,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。
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f,也是很有效的方法。這相當於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,地面壓制火炮壹般壽命在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,某型滑膛炮打壹發穿甲彈,身管磨損1道。要提高身管壽命,壹般采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。
在彈丸獲得的能量壹定的情況下,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。
在次要功中有壹個彈丸旋轉運動的能量,還有壹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,要想進壹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。
其次,我們再來看看彈丸質量、射程、初速之間的關系。
初速和射程之間的關系比較好理解,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,在壹定距離內,射程就會降低。但是超出壹定射程後,射程反而會增大。
再次,我們看看身管長度、初速、精度之間的關系。
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,也會使身管更易於彎曲,並增大發射時的橫向振動,使彈丸散布增大,平均彈著點偏離預期命中點。提高初速,在對同壹個目標射擊時,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,始終是壹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,壹般采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。
由於自然界的日照、橫風、降水等因素的影響,火炮身管的受熱情況和散熱情況都是不均勻的,通常是受太陽照射的壹面溫度高,迎風面溫度低,直接受到降水沖刷的壹面溫度低。身管在受熱、散熱不均勻的情況下,就會向溫度低的壹面彎曲,從而使平均彈著點偏移。采用熱護套後,會降低外界因素對身管散熱、受熱情況的影響,使身管受熱情況趨向壹致,降低身管的彎曲。如美國M68式105毫米坦克炮所做的試驗表明,采用熱護套後,彈著點的散布只有不采用熱護套時的39%。
如何進壹步提高精度?采用炮口基準系統是壹個有效的辦法。炮口基準系統壹般由照射光源、炮口反光鏡及其他機構組成。照射光源發出的光束,通過炮口反光鏡的反射,進入瞄準鏡視場中,這樣,射手就可以隨時在車內精確地觀察到炮口的位置,從而對瞄準指標進行精確地校正,提高射擊精度。
最後,我們再來談談脫殼穿甲彈。
大家都知道脫殼穿甲彈是當前對裝甲目標射擊的首選彈種,尤其是對復合裝甲,效果很好。當前的脫殼穿甲彈都是尾翼穩定的次口徑彈藥。大家普遍認為,線膛炮發射的旋轉穩定彈丸比滑膛炮發射的尾翼穩定彈丸散布小、精度高,那脫殼穿甲彈為什麽還要反其道而行之?
這主要是提高穿甲彈穿甲威力的要求。
很多人都認為,穿甲彈的威力大小,主要評價指標是炮口動能。其實不然,真正評價穿甲威力的指標應該是彈丸單位橫截面上的動能大小(比動能)。比如蘇制44式100毫米被帽穿甲彈,彈丸質量15.88千克,初速887米/秒,炮口動能6.24MJ,比動能198.1MJ,2000米穿甲威力155毫米/90度;美M735A型105毫米脫殼穿甲彈,彈丸質量4.99千克,初速1473米/秒,炮口動能5.41MJ,比動能1076.8MJ,2000米穿甲威力350毫米/90度。105穿甲彈比100穿甲彈的炮口動能低,但是比動能增大約4倍,穿甲威力提高1倍以上。
所以,采用次口徑彈丸,可以降低彈丸質量、提高初速、增大比動能,從而提高威力。要進壹步提高穿甲威力,就要努力減小彈丸直徑,提高長徑比。但是,在提高長徑比的問題上遇到了這樣的問題。開始,各國也是用線膛炮發射旋轉穩定的脫殼穿甲彈。但是旋轉穩定彈丸的長徑比不能大於5,否則將因為極轉動慣量的減小,赤道轉動慣量的增大,失去飛行穩定性。而尾翼穩定的彈丸,其飛行穩定性取決於空氣動力合力的作用點(壓心)和重心的相對位置,長徑比可以做得很大。於是從上世紀60年代開始,各國相繼采用了尾翼穩定的脫殼穿甲彈,保證了威力的不斷提高。美M735A型105毫米脫殼穿甲彈,長徑比已經達到12,目前,脫殼穿甲彈的長徑比已經可以達到30。
顯然,脫殼穿甲彈的長徑比與火炮身管長度與口徑之比沒有任何關系,也無法進行類比。火炮身管長度與口徑之比影響的是初速,該值越大,初速越大;而穿甲彈的長徑比影響的是穿甲威力。至於說什麽身管長度與口徑之比越大,身管磨損就越嚴重,理由並不充分。對線膛炮而言,真正磨損嚴重的是身管的兩頭,膛線起始部和炮口部分。真正對身管的磨損和燒蝕影響嚴重的是膛壓的高低和火藥燃燒的溫度,而不是長度與口徑之比。