嗑药炮原理

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嗑药炮，在同等级的火炮中拥有惊人炮口动能的火炮，神教在其《什么是嗑药炮？》中提出以嗑药系数衡量嗑药炮：

“在此，请允许我引入一个概念：炮口动能密度。众所周知，炮口动能是火炮性能方面的重要参数，在发射同一款炮弹时，长身管火炮的威力通常要比短身管火炮来的大，原因就是前者的炮口动能更大。

可什么是炮口动能密度呢？我所说的炮口动能密度，指的是单位口径的炮口动能，其计算公式为：炮口动能密度 = (0.5*弹重*初速的平方)/弹径的三次方，如此便能对各种不同口径的火炮进行对比了。

而若是将这炮口动能密度再除以其身管倍经，则能得到单位身管倍径的炮口动能密度，如此便能对各种不同口径和身管长度的火炮进行对比了。这个单位身管倍经的炮口动能密度，我称其为嗑药系数。”

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那么一个显而易见的问题就是：如何实现一门嗑药炮？即嗑药炮的原理

最为简单粗暴的思路是，要想获得强大的炮口动能，就需要更多的发射药，因为火炮的动能只能从发射药中取得
那这会造成什么后果？简单的使发射药增多意味着产生气体增加——膛压提高——做功能力上升、炮口动能增加

英国381 L42倍径火炮的强装药模式是一个典型的例子，发射药量由196kg提升到了222kg、膛压由3150kg/mm^2增加到了3620kg/mm^2。这一切将炮口动能提升了15%。当然膛压的升高对炮管强度和寿命提出挑战

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然而作为典型嗑药炮的黎塞留与维内托并不完全遵循这一简单粗暴的模式

如果我们仔细观察，就会发现黎塞留与维内托的嗑药系数分别为俾斯麦的120.7%和114.2%、发射药分别为288kg和270kg

但是它们的最大膛压均为3200kg/mm^2。且黎塞留与维内托发射药能量利用率分别为俾斯麦的83.3%和95.2%，即嗑药系数上升的同时，能量利用率也在下降

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注1：德法意发射药的能量参数相近，火药力大约为960kJ/kg左右
注2：维内托发射药取45kg药包6个共270kg的说法

关于意大利M1934发射药重量和威力的猜测
https://www.warships.com.cn/thread-4121-1-1.html

注3：我此前已经介绍过发射药燃烧的规律

内弹道技术
https://www.warships.com.cn/thread-8591-1-1.html

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我们不仅能从俾斯麦与黎塞留、维内托的对比中得到这一结论，如果我们考查二战的大口径战列舰火炮，就会发现这一结论应当是普适的（弹道效率相当于能量利用率，后文有解释）

注1：发射药火药力是依据此前的公式大概估算，发射药的种类和重量一些火炮有多个版本，我必须承认在有多个数据的火炮上选择了更有利于结论的数据
注2：炮口动能、嗑药系数来源于神教原帖

什么是嗑药炮？
https://www.warships.com.cn/thread-5947-1-1.html

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这一数据似乎隐含着某种内在的规律，为了发现这一规律，我们需要思考这一问题，即：
黎塞留与维内托如何在最大膛压相同的情况下，获得更大的炮口动能的？特别是黎塞留的倍径还短于俾斯麦的条件下

唯一合理的解释是：
黎塞留与维内托尽管最大膛压和俾斯麦相同，但是它们的平均膛压更高
如此才能解决这一问题

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此前在我对发射药与内弹道的介绍中着重强调了一项指标——发射药能量利用率——它的正式名称是：弹道效率


弹道效率只是内弹道众多指标的一个，另一个重要指标是：示压效率
如果说弹道效率描述的是发射药能量利用率
那么示压效率可以理解为最大膛压利用率，平均膛压越接近最大膛压，示压效率就越高——当然嗑药系数就越高

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接下来我们回答如何调整弹道效率和示压效率

简而言之，可以通过调整发射药量和发射药粒尺寸大小（也就是调整燃速）来调整弹道效率和示压效率
不过一般而言，如果保持发射药的渐减性/渐增性不变，通过上诉方法会造成弹道效率和示压效率的矛盾（最大膛压相同），即

小装药、高燃速导致弹道效率上升、示压效率降低
大装药、低燃速导致弹道效率下降、示压效率升高

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小装药、高燃速很好理解，这会导致发射药更快的燃尽，留给发射药做功的行程更长
大装药、低燃速与之相反，这会导致发射药更慢的燃尽，留给发射药做功的行程更短
但是可以调整发射药量和燃速度的值，使大装药、低燃速方案刚好可以在相同位置达到最高膛压，此后逐渐下降

一个例子是将发射药的燃速降低到原来的80%，但是将发射药量增加到原来的125%，这样在一开始的气体产生量不会发生变化，因此会在相同位置达到最大膛压，但是当原方案发射药燃尽时，新方案仍然有相当于原方案25%的发射药没有燃烧，他们会继续燃烧产生气体，此后的膛压将会超过原方案，会提供更大的加速度

当然如此一来发射药燃尽的位置更靠尽炮口，弹道效率必然是下降的
因此新方案示压效率提高、炮口动能增加、弹道效率下降

两种方案的Matlab定性模拟如下：
蓝色为旧方案、红色为新方案，行程-发射药燃烧量曲线趋平意味着发射药燃尽
发射药量增加了25%，炮口动能增加了12%，当然需要再此强调此模拟只是定性

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注：
我写的Matlab程序并不合理，例如这里假定气体恒温，然而随火药燃气膨胀做功，其温度必然是下降的

其次假设气体是理想气体，然而火药燃气需要进行非理想气体修正，如维里数

同时并非把参数设计的与现实一致，有些简化和等比缩放，诸如此类等等

当然趋势应当是对的，因此只是定性的解释问题

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因此这就不难解释黎塞留为何在药形、火药力没有多少劣势的情况下，弹道效率只有俾斯麦的83%了
因为它的最大膛压和俾斯麦一样都是3200kg/cm^2，黎塞留倍径更短，而嗑药系数是俾斯麦的121%，因此它必然要提高示压效率，这当然会降低弹道效率

如果要同时提升弹道效率和示压效率，就只能依靠增面性更好的发射药，因为它提升的是前半段的示压效率，而非增加发射药方案的后半段
此外，增面性好的发射药可以承受更高的装药密度，这会缩小药腔体积。这既减少了体积，使更少火药燃气产生更大的压强，同也能缩小药腔长度，在总炮管长度一定时增加炮弹行程

管状发射药和柱状发射药Matlab定性模拟如下：
蓝色为管状发射药、红色为柱状发射药，最后一张图是柱状发射药炮口动能/管装发射药炮口动能
在装药量一致的条件下，管状药相比柱状药，弹道效率和示压效率均有所上升，动能增加了约4.5%

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这样看上去嗑药炮虽然浪费了火药能量，但是却能使相同的火炮有更好的炮口初速——那么代价是什么？

代价之一就是发射药的燃尽点会更接近炮口，这被称为：火药燃烧相对结束位置

火药燃烧相对结束位置过于靠近炮口确实会产生一系列问题，这是单纯增加嗑药系数的局限性

seven_nana

很不错的帖子，据我所知BB党群体内，这个话题之前很少有人探讨

楼主有兴趣的话可以研究下美国炮的案例，我印象中美国炮/发射药的组合，属于最大膛压偏低但平均膛压还不错的例子

JeanBart

数据上可能有些问题，主要还是当前NavWeaps上各国舰炮参数不够准确。
根据Ansaldo的设计图，意大利381/50舰炮初速870mps的实际最高膛压达到3800kg/cm2。

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seven_nana 发表于 2024-4-12 10:17
很不错的帖子，据我所知BB党群体内，这个话题之前很少有人探讨

楼主有兴趣的话可以研究下美国炮的案例，我 ...

美国人使用的是七孔发射药，它的增面性是二战大口径舰炮中最好的，具有很好的平台效应，如果最大膛压再高一些，它的弹道效率应该比俾斯麦还好，俾斯麦高膛压、低嗑药系数有利于提升效率

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JeanBart 发表于 2024-4-12 10:55
数据上可能有些问题，主要还是当前NavWeaps上各国舰炮参数不够准确。
根据Ansaldo的设计图，意大利381/50舰 ...

涨见识了，我选择3200kg/mm^2、850mps、270kg的主要原因是比较符合规律

carica 292是发射药重292kg吗？感觉膛压上涨了这么多，发射药不增加都够了，还是说850mps初速也不是3200kg/mm^2？

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seven_nana 发表于 2024-4-12 10:17
很不错的帖子，据我所知BB党群体内，这个话题之前很少有人探讨

楼主有兴趣的话可以研究下美国炮的案例，我 ...

需要补充一张图片，解释最大膛压和弹道效率的关系，即最大膛压越高、弹道效率越高

简单解释就是动能一样意味着膛压曲线下的面积一样，如果前面高了些，后面就可以更低些，意味着发射药可以更少；同样如果最大膛压比较低，后部曲线就需要更高的值来填补了，发射药也会更多

相比俾斯麦，美国火炮膛压比较低，弹道效率比嗑药系数低于俾斯麦的幅度更大，相必是增加发射药、降低燃速、控制膛压、膛压曲线趋平的设计了

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seven_nana 发表于 2024-4-12 10:17
很不错的帖子，据我所知BB党群体内，这个话题之前很少有人探讨

楼主有兴趣的话可以研究下美国炮的案例，我 ...

上一张图是等发射药的，这一张图是等炮口动能的

可以看出最大膛压的影响

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还有一张需要补充的图片，它显示了不调整发射药燃速直接增加发射药量的方案

可以看出最大膛压显著提高，好处是比增加发射药、降低燃速的方案弹道效率更高

seven_nana

Matlab 发表于 2024-4-12 11:48
美国人使用的是七孔发射药，它的增面性是二战大口径舰炮中最好的，具有很好的平台效应，如果最大膛压再高 ...

美国药毕竟是单基药，能量密度低，最大膛压不高可以理解

另外，考虑到战列舰炮管只有几百发的寿命，而提高最高膛压会让寿命下降，所以综合来看还是把最高膛压控制在一个合理程度，然后降低火药燃烧速度，让燃尽点靠后，提高平均膛压来的更聪明吧