本帖最后由 seven_nana 于 2024-12-29 11:22 编辑
对马纪念系列 - 火炮与炮座专题
本帖内容未经允许不得转载
主要参考资料:
Naval Weapons of World War One,作者Norman Friedman
The Big Gun: Battleship Main Armament, 1860-1945,作者Peter Hodges
図解 日本帝国海军全舰船1868-1945 戦舰・巡洋戦舰,作者石橋孝夫
図解 日本帝国海军全舰船1868-1945 巡洋舰,作者石橋孝夫
Корабельная артиллерия Российского флота 1867-1922,作者А.Б. Широкорад
一、火炮的身管与炮闩
在19世纪末至20世纪初时,世界上最好、最出名的火炮,大多出自英法德这三个国家。当时,英国有三个主要的火炮制造商,分别是阿姆斯特朗公司(Sir W G Armstrong Whitworth & Co Ltd)、维克斯公司(Vickers, Sons & Maxim)、以及伍尔维奇皇家兵工厂(Royal Arsenal, Woolwich)。法国的中大口径火炮,有许多是古斯塔夫·加奈(Gustave Canet)设计的,另外还有专精于生产小口径速射炮的哈奇开斯公司(Hotchkiss et Cie)。至于德国的火炮制造生意,则基本被克虏伯公司(Fried. Krupp AG)所垄断。
在那个时代,日本的工业实力还很薄弱,因此当时的日本军舰,装备的火炮主要依赖进口,其中英国火炮是最多的,也有一些法国和德国火炮。至于日本自己的吴海军工厂,当时已经具备了制造小口径和中口径火炮的能力,但尚不具备制造大口径火炮的能力。
作为对比,当时的俄国的工业实力,显然要比日本高出许多,该国军舰装备的火炮,有些是本国设计的,还有一些则是引进的外国设计,但其制造工作通常都是由本国的奥布霍夫(Obukhov)工厂完成的。
在了解了以上背景后,我们接下来会首先以上述国家和军火商所推出的火炮产品为范例,来解读当时的火炮技术细节,随后再讲解日俄双方具体装备的火炮的情况。
火炮的身管结构
火炮身管结构的主流形式,包括“单肉结构”、“层紧结构”、“丝紧结构”三类。
单肉结构(Monobloc Construction),指由单一管体构成身管的制造方式。不过在19世纪末至20世纪初时,只有口径很小的火炮会使用单肉结构。原因在于,当时的技术条件下,单肉结构无法提供充分的结构强度。
层紧结构(Built-up Construction),指由多层管体互相组合,并形成更长及/或更厚的身管的制造方式。在19世纪末至20世纪初时,这是最为主流的火炮身管结构,各大列强均广泛使用。
丝紧结构(Wire-wound Construction),指在层紧结构的基础上,通过在内管外侧缠绕大长度金属丝,对身管进行加强的制造方式。在19世纪末至20世纪初时,有许多英国火炮都使用了这种结构。
典型的法式小口径火炮的层紧式身管的结构图
下图中展示的,是法国哈奇开斯的47mm速射炮的层紧式身管。日俄双方的军舰,普遍都装备了该型火炮。
可以看到,该炮的主体结构是一层全长度的身管(Tube),但其后段部分的外侧,还有一层起到加强作用的套管(Jacket)。

典型的英式中口径火炮的层紧式身管的结构图
下图中展示的,是英国4.7英寸/40倍径速射炮的层紧式身管。需要说明的是,该火炮不光有层紧式身管,并且还有丝紧式身管。日本海军有大量军舰,都装备了该型火炮的层紧版本。
可以看到,其身管由内外两层管体共同构成的,内层是全长度的内管(A Tube),火炮的膛线就位于内管上;外层则是分为三段的外管(B Tube/B Hoop)、位于身管后段的套管(Jacket)、以及连接外管和套管的箍套(C Hoop),它们以互相嵌套的方式箍在内管的外侧,起到加强结构的作用。

典型的英式中口径火炮的丝紧式身管的结构图
下图中展示的,是英国6英寸/40倍径速射炮的丝紧式身管。需要说明的是,该火炮不光有丝紧式身管,并且还有层紧式身管。日本海军有大量军舰,都装备了该型火炮的层紧版本。
可以看到,其身管由三层管体共同构成的,从内到外,分别是内管(A Tube)、外管(B Tube)、套管(Jacket)。其中,内管是全长度的,而外管则分成了三段。在套管和外管之间,还布置了缠丝(Wire),起到加强径向结构的作用。

典型的英式大口径火炮的丝紧式身管的结构图
下图中展示的,是英国12英寸/40倍径后装炮的丝紧式身管。日本海军的战列舰,装备的都是该型火炮。
可以看到,其身管由四层管体共同构成的,从内到外,分别是衬管(Inner A Tube)、内管(A Tube)、外管(B Tube)、套管(Jacket)。其中,衬管和内管都是全长度的,而外管和套管则不是,缠丝是布置在外管和套管之间的。火炮的膛线位于衬管上,当衬管的磨损和烧蚀达到一定程度后,可以单独更换;而内管、外管、套管及缠丝则无需更换。

老式的法式大口径火炮的层紧式身管的结构图
下图中展示的,是法国人加奈设计的320mm/38倍径后装炮的层紧式身管。日本海军的松岛级防护巡洋舰,装备了该型火炮。
请注意,图中所标注的40倍径,是按从炮口到炮尾的长度来计算的火炮倍径,如果按法国火炮惯用的从炮口到药室来计算,则为38倍径。
由于这款火炮是1880年代设计的,因此我们可以在图中看到,此炮除了最内层是全长度的之外,外面两层管体都分成了许多段,这显然与当时的火炮设计与制造技术还不够成熟有关。

老式的德式大口径火炮的层紧式身管的结构图
下图中展示的,是采用德国克虏伯式设计的俄国12英寸/35倍径后装炮的层紧式身管。俄国海军的纳瓦林号战列舰,装备了该型火炮。
有必要说明的是,俄国海军不仅向克虏伯公司订购了这种火炮,并且俄国自己的奥布霍夫工厂也有生产这种火炮,且在细节上与德国版本存在一些差异。
这款火炮也是1880年代设计的,我们可以在图中看到,其外层管体不仅层数非常多,而且每一段的长度也非常短,显然与火炮设计与制作技术较为落后有关。

有必要说明的是,虽然日俄双方海军,在1870-1880年代时都购买过不少克虏伯火炮,但进入1890年代后,日俄双方都不再购买克虏伯火炮了,其中日方转而购买英国火炮,俄方则是一边自研,一边引进法国加奈的技术。
火炮的炮闩结构
火炮炮闩结构的主流形式,包括“隔螺式”、“滑楔式”两类。
隔螺式炮闩(Interrupted Screw Breechblock),是一种在炮尾和炮闩上都刻有隔断螺纹(不连贯的螺纹),并通过螺纹的互相咬合或脱离来实现开启或封闭炮尾的设计。在19世纪末至20世纪初时,大部分军火商生产的中大口径火炮,配备的都是隔螺式炮闩。
滑楔式炮闩(Sliding-Wedge Breechblock),是一种炮闩可在炮尾的沟槽内滑动,从而实现开启或封闭炮尾的设计。具体又可细分为纵移滑楔式炮闩(Vertical Sliding-Wedge Breechblock)和横移滑楔式炮闩(Horizontal Sliding-Wedge Breechblock)。在19世纪末至20世纪初时,有许多小口径火炮都配备有滑楔式炮闩,但在中大口径火炮上应用滑楔式炮闩的,则只有以克虏伯为首的少数几家厂商。
隔螺式炮闩的技术细节
下图中展示了两款法国加奈的隔螺式炮闩,左侧为搭配药包发射药的三步骤式的隔螺式炮闩;右侧则是搭配药筒发射药的单步骤式的隔螺式炮闩。
这两款炮闩的结构,存在不少技术细节差异,核心差异在于炮闩的开启关闭机构、闭气机构(用来封闭炮尾、确保气密性的机构)、以及击发机构(用来点燃发射药的机构)的设计有所不同。

隔螺式炮闩的设计差异:三步骤式 vs 单步骤式
那个年代的隔螺式炮闩,在炮闩的开启关闭机构上,存在许多技术差异。整体来说,我们可以将其归类为三步骤式(Three-Motion)和单步骤式(Single-Motion)这两种大类,接下来我们具体来介绍一下。
三步骤式隔螺式炮闩的操作流程
下图中展示的,是法国加奈的大口径火炮的三步骤式的隔螺式炮闩。
在开启这种炮闩时,第一个步骤是旋转炮闩,使其从闭锁状态转换为开锁状态(图中的①→②);第二个步骤是将炮闩向后移动(图中的②→③);第三个步骤是将炮闩向侧面移开(图中的③→④)。在关闭这种炮闩时,则需将上述步骤的顺序和操作方向颠倒。由于开启和关闭都需要三个步骤,因此此类炮闩被称为三步骤式炮闩。
需要说明的是,下图中的加奈炮闩,只需要摇动炮闩左下方的那个把手,就能完成第二和第三个步骤。换句话说,从操作上来说,第二和第三个步骤是连贯的。但是,并非所有的三步骤炮闩都有这样的设计。

单步骤式隔螺式炮闩的操作流程
下图中展示的,是英国12英寸/40倍径后装炮的单步骤式的隔螺式炮闩。
在开启这种炮闩时,第一个步骤是旋转炮闩,使其从闭锁状态转换为开锁状态,第二个步骤是将炮闩向侧面移开,但由于机械机构设计的很精妙,因此在实际操作时,这两个步骤是一气呵成的(图中的①→②)。在关闭这种炮闩时,同样也能一气呵成地完成移动炮闩和闭锁炮闩的两个步骤。由于这个缘故,此类炮闩被称为单步骤炮闩。

相比于三步骤式炮闩,单步骤式炮闩的开启和关闭速度要快不少,能有效提升火炮射速。
隔螺式炮闩的设计差异:搭配药筒发射药 vs 搭配药包发射药
那个年代的隔螺式炮闩,在炮闩的闭气机构和击发机构上也存在不少技术差异。整体来说,我们可以将其归类为搭配药筒发射药(英文资料中简称为QF,既速射炮)和搭配药包发射药(英文资料中简称为BL,既后装炮)这两种大类,接下来我们具体来介绍一下。
搭配药筒发射药的隔螺式炮闩的结构设计
下图中展示的,是英国6英寸/40倍径速射炮的单步骤式炮闩的结构图。
在闭气机构方面,速射炮使用的隔螺式炮闩,是依靠药筒本身来实现闭气作用的。当炮膛关闭后,药筒底部的凸缘紧紧贴在炮闩(图中的A)前方,而药筒前部的开口部分,则正好嵌入药室内。当火炮发射时,发射药气体迫使开口向外扩张,开口紧贴药室内壁,以达到封闭炮膛的效果。
在击发机构方面,速射炮使用的隔螺式炮闩,是依靠击针(图中的C)来击发安装在发射药筒尾部的底火的。

搭配药包发射药的隔螺式炮闩的结构设计
下图中展示的,是英国12英寸/40倍径后装炮的单步骤式炮闩的结构图。
在闭气机构方面,后装炮使用的隔螺式炮闩,采用的是德浜式闭气机构,其核心设计是蘑菇头(图中的O)和环状的气密垫圈(图中的M)。在炮膛关闭时,随着炮闩上的螺纹的旋转,垫圈受到挤压,随之贴合在身管尾部的锥形段上。当火炮发射时,发射药气体推动蘑菇头向后运动,继续挤压垫圈,使它与锥形段之间贴的更紧,以达到封闭炮膛的效果。
在击发机构方面,后装炮使用的隔螺式炮闩,采用的是底火与发射药包分离的设计,炮闩后部设有一个单独的底火室(图中的Q),并且还设置有一根叫做底火孔的空心管道,一直延伸到蘑菇头的前端。击针击发底火后,产生的火焰沿着该管道向前蔓延,最终点燃药室内的发射药。

与后装炮使用的隔螺式炮闩相比,速射炮使用的隔螺式炮闩,在操作时减少了一个安装底火的步骤(因为速射炮的底火是在药筒上的,而后装炮的底火是单独的),所以更有利于提高射速。
滑楔式炮闩的技术细节
与隔螺式炮闩的情况类似,滑楔式炮闩同样是既可以搭配药筒发射药,也可以搭配药包发射药,并且在炮闩的开启关闭机构上也有不同的设计。
德国克虏伯的滑楔式炮闩的结构设计
下图中展示了德国克虏伯公司的某种不明型号的21cm火炮的炮闩的结构图,这是一款横移滑楔式炮闩搭配药包发射药的设计。
炮闩向内移动后,可封堵住炮尾,此时炮闩前端的垫片会紧贴药室,从而实现闭气。

日俄双方的老式军舰上配备的克虏伯火炮所采用的炮闩,与这款炮闩应当是大同小异的。
有必要说明的是,至19世纪末时,克虏伯公司的大口径火炮,将发射药类型从药包式更换成了药筒式,但日俄双方均未配备采用药筒式发射药的克虏伯火炮。
法国哈奇开斯的滑楔式炮闩的结构设计
下图中展示了法国哈奇开斯速射炮的炮闩的结构图,这是一款的纵移滑楔式炮闩搭配药筒发射药的设计。
装填完毕后,旋转炮尾侧面的杠杆,即可使炮闩上移并完成闭锁;闭气则是通过炮闩挤压药筒来实现的。
发射完毕后,旋转杠杆即可解锁并使炮闩下移,同时抽壳钩会将药筒抽出炮膛。

日俄双方火炮的身管与炮闩配置的详情
在介绍完那个时代的火炮身管与炮闩的技术细节后,接下来我们将通过表格对比的形式,详细罗列双方火炮的身管与炮闩配置情况。
以下数据整理自石橋孝夫的【図解 日本帝国海军全舰船1868-1945 戦舰・巡洋戦舰】和【図解 日本帝国海军全舰船1868-1945 巡洋舰】,А.Б. Широкорад的【Корабельная артиллерия Российского флота 1867-1922】,以及Norman Friedman的【Naval Weapons of World War One】:
日方主力火炮一览
名称 | 口径 | 倍径 | 设计方 | 身管 | 炮闩 | 发射药 | 弹重 | 初速 | 炮口动能 | 搭载舰 | 12英寸/40倍径 安式 | 304.8mm | 40 | 英国阿姆斯特朗 | 丝紧式 | 隔螺式 | 药包 | 385.6kg | 700m/s | 94.47MJ | 富士级、敷岛级 | 10英寸/40倍径 安式 | 254mm | 40 | 英国阿姆斯特朗 | 丝紧式 | 隔螺式 | 药包 | 226.8kg | 701m/s | 55.72MJ | 春日号 | 8英寸/45倍径 安式 | 203.2mm | 45 | 英国阿姆斯特朗 | 丝紧式 | 隔螺式 | 药包 | 113.4kg | 756m/s | 32.4MJ | 浅间级、出云级、八云号、吾妻号、春日级、高砂号、笠置级 | 6英寸/40倍径 安式 | 152.4mm | 40 | 英国阿姆斯特朗 | 层紧式 | 隔螺式 | 药筒 | 45.3kg | 700m/s | 11.1MJ | 所有战列舰和装甲巡洋舰、部分防护巡洋舰 | 4.7英寸/40倍径 安式 | 120mm | 40 | 英国阿姆斯特朗 | 层紧式 | 隔螺式 | 药筒 | 20.4kg | 655m/s | 4.38MJ | 部分防护巡洋舰 | 12磅/40倍径 安式 | 76.2mm | 40 | 英国阿姆斯特朗 | 层紧式 | 隔螺式 | 药筒 | 5.72kg | 680m/s | 1.32MJ | 所有战列舰和装甲巡洋舰、部分防护巡洋舰 | 重47mm 保式/山内式* | 47mm | 40 | 法国哈奇开斯 | 层紧式 | 滑楔式 | 药筒 | 1.5kg | 610m/s | 0.28MJ | 所有战列舰、部分防护巡洋舰 | 轻47mm 保式/山内式* | 47mm | 30 | 法国哈奇开斯 | 单肉式 | 滑楔式 | 药筒 | 1.15kg | 450m/s | 0.12MJ | 所有装甲巡洋舰、部分防护巡洋舰 |
*所谓的山内式,本质上就是对哈奇开斯的原始设计做了细节调整,主要区别是炮耳设计有所不同。
俄方主力火炮一览
名称 | 口径 | 倍径 | 设计方 | 身管 | 炮闩 | 发射药 | 弹重 | 初速 | 炮口动能 | 搭载舰 | 12英寸/40倍径 M1892 | 304.8mm | 40 | 俄国 | 层紧式 | 隔螺式 | 药包 | 331.7kg | 792m/s | 104.03MJ | 伟大的西索伊号、彼得罗巴甫洛夫斯克级、列特维赞号、皇太子号、博罗季诺级 | 10英寸/45倍径 M1891 | 254mm | 45 | 俄国 | 层紧式 | 隔螺式 | 药包 | 225.2kg | 693m/s | 54.08MJ | 乌沙科夫海军上将级、佩列斯韦特号、奥斯利雅维亚号 | 777m/s | 67.98MJ | 胜利号* | 8英寸/45倍径 M1892 | 203.2mm | 45 | 俄国 | 层紧式 | 隔螺式 | 药包 | 87.8kg | 891m/s | 34.85MJ | 俄罗斯号、怒吼者号、巴扬号 | 6英寸/45倍径 M1891 | 152.4mm | 45 | 法国加奈 | 层紧式 | 隔螺式 | 药筒 | 41.4kg | 792.5m/s | 13MJ | 所有新锐战列舰和装甲巡洋舰、部分防护巡洋舰 | 120mm/45倍径 M1891 | 120mm | 45 | 法国加奈 | 层紧式 | 隔螺式 | 药筒 | 20.47kg | 823m/s | 6.93MJ | 部分防护巡洋舰 | 75mm/50倍径 M1891 | 75mm | 50 | 法国加奈 | 层紧式 | 隔螺式 | 药筒 | 4.9kg | 823m/s | 1.66MJ | 部分战列舰、装甲巡洋舰、防护巡洋舰 | 47mm 哈奇开斯 | 47mm | 43.5 | 法国哈奇开斯 | 层紧式 | 滑楔式 | 药筒 | 1.5kg | 701m/s | 0.37MJ | 大部分战列舰、装甲巡洋舰、防护巡洋舰 | 37mm 哈奇开斯 | 37mm | 22.8 | 法国哈奇开斯 | 单肉式 | 滑楔式 | 药筒 | 0.5kg | 442m/s | 0.05MJ | 大部分战列舰、装甲巡洋舰、防护巡洋舰 |
*胜利号的火炮与其余各舰的不同,其身管得到了加强,因此能使用更多的发射药,并实现更高的初速。
对日俄双方火炮的隔螺式炮闩的补充说明
不同的炮闩设计,在开启和关闭速度上是各不相同的,因此会对火炮的射速产生非常直接的影响。例如上文中介绍的隔螺式炮闩的单步骤式炮闩设计,显然要比三步骤式炮闩设计更容易提升射速。
目前已知,英国4.7英寸/40倍径速射炮和6英寸/40倍径速射炮,早期版本都是装备三步骤式炮闩的,但后续又出现了装备单步骤式炮闩的版本。而英国12英寸/40倍径火炮,则是从一开始就装备了单步骤式炮闩。因此很有可能,与其大致同时期的10英寸/40倍径和8英寸/45倍径,很有可能装备的也是单步骤式炮闩。
至于俄国火炮的炮闩设计,则缺乏详细的资料。
日俄双方的老式火炮
日方的战列舰和装甲巡洋舰,都是舰龄较短的新锐军舰,因此装备的都是新式火炮。铁甲舰和防护巡洋舰中,则有不少是老旧军舰。其中,浪速号和高千穗号防护巡洋舰换装了6英寸速射炮,和泉号防护巡洋舰则换装了6英寸和4.7英寸速射炮。不过,有几艘铁甲舰或防护巡洋舰仍旧保留了建成时配备的老式火炮,分别是:镇远号铁甲舰(305mm/25倍径 克式)、扶桑号铁甲舰(240mm/20倍径 克式)、松岛级防护巡洋舰(320mm/38倍径 加式)、济远号防护巡洋舰(210mm/35倍径 克式、150mm/35倍径 克式)。需要说明的是,上述军舰都不是一线主力。
相比之下,俄方的防护巡洋舰都是比较新锐的,但战列舰和装甲巡洋舰中,则不乏老旧的军舰。舰龄最老的,是弗拉基米尔·莫诺马赫号和德米特里·顿斯科伊号这两艘装甲巡洋舰,不过她们都换装了6英寸和120mm速射炮。其余老舰则仍旧保留了原先的火炮,具体情况分别是:尼古拉一世号战列舰(12英寸/30倍径 M1877、9英寸/35倍径 M1877、6英寸/35倍径 M1877)、纳瓦林号战列舰(12英寸/35倍径 M1885、6英寸/35倍径 M1877)、纳希莫夫海军上将号装甲巡洋舰(8英寸/35倍径 M1885、6英寸/35倍径 M1877)、留里克号装甲巡洋舰(8英寸/35倍径 M1885)。另外,与日本海军的情况不同的是,这四艘装备老旧火炮的军舰,在海战中都需要直接面对日本海军的新式军舰。
结论:日俄双方的新式军舰上所装备的火炮,都是当时比较先进的款式。虽然双方的身管设计有所不同,但在炮闩设计上则有一定的相似性:大口径火炮都是隔螺式炮闩搭配药包发射药的设计;中口径火炮都是隔螺式炮闩搭配药筒发射药的设计,且或多或少都配备了有利于提升射速的单步骤式炮闩;而小口径火炮则都是哈奇开斯公司的产品,都是滑楔式炮闩搭配药筒发射药的设计。
至于双方的老式军舰,则是有部分换装了新式火炮,另一部分则仍旧保留了原先的火炮。总的来说,老舰上的大口径火炮通常都不会更换,但中口径火炮则大多会更换为新式火炮。 |