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弹道之痕

2024-01-31军事

首先在这里问一个问题,当弹丸被发射时,它处于哪一位置达到最大速度。

一般来说,都认为在膛口处就达到了最大速度。

弹丸的最大速度并不出现在膛口处,而是在离开膛口一段距离的地方,这段距离大约是20至46倍口径的长度。如果画出弹丸速度大小随距离变化的曲线,就应该是下面这个样子:

那么现在麻烦的问题就来了。因为火药气体冲出身管形成的流场短暂而混乱,对弹丸的作用复杂,既不好观察又不易测量,迄今为止也并没有一个成熟理论来描述弹丸在这期间的运动规律,所以在真正定量研究弹丸运动规律时,如何处理「后效期」一度成了十分棘手的问题。

不过,牛逼的砖家们总是有办法的……,强攻不行,但是可以迂回嘛!如果费了牛劲也没不好搞清楚这一截是咋回事,索性就回避这一问题。于是,「初速」这一概念便应运而生了。具体还是来看下图:

各位小伙伴们,看到那多出来的一段红色虚线了吗?初速就是这样来的:它实际上是沿着后效期结束后的速度—距离曲线的反方向,逆推到膛口处的一个速度,在多数文献和著作中,它的符号是v0。请注意下标是数字「0」,不是英文字母「o」。很显然,这个速度的的确确是在膛口处的速度,但同时也确实是一个「虚构」出来的速度。在各种专业书籍中,初速大致这样定义:「对于枪炮武器来讲,初速是弹丸在半约束期结束时的瞬时速度,由炮(枪)口外的速度变化曲线反推至炮(枪)口处得到。」是不是仍然会觉得有点绕?不要紧,理解并不一定要死记文字,小伙伴们只需理解上面两个图,并自行脑补相关画面就行啦。

这样定义的好处是我们可以不再纠缠于后效期内复杂而又混乱的气体+弹丸的乱斗,而是好像没有后效期一样,弹丸在脱离身管后就只受空气和重力的作用(这两个因素还是能研究清楚的……),这不就简单多了吗?各位小伙伴们,看到了吧,迂回战术不光是在战场上好使,有时候科研也能用得上啊!

最后还要强调一下,对于火箭类武器来讲,初速就必须严格定义为「半约束期结束时的实际速度」,原因也很简单—由于推进原理不同,火箭弹并没有「后效期」。我们可以来看看火箭弹的发射:

虽然火箭弹的能量来源也是火药,但它是向后喷出火药气体来推进的,所以总是把火药气体甩在身后,因而又就不会「后效期」出现了。

说了这么多,现在搞明白初速的定义了吧?不过,具体到某一门炮,一支枪,它们发射的弹丸初速到底是多少呢?这个还得想办法测量……怎么测?

初速是一件武器的重要技战术指标。现在我们已经明白了它的定义,但这只是第一步,之后要做的就是要能够准确地把它测量出来。在引入了初速的概念后,弹丸在出膛口后就被认为只受空气和重力的作用(这是有规律可循的),所以只需要在足够的距离外(但是也不能太远)测一个点的速度就可以反推出初速了。如果条件允许,多测几点也无妨,不过嘛,大家似乎都还是怕麻烦的……所以往往也就只测一点了。

那么现在的问题变成如何测速了。速度应该怎么求呢?最早出现的测量装置叫做「弹道摆」,由英国科学家本杰明·罗宾斯在1742发明,主要原理是利用动量守恒定律来求得速度。弹道摆有两种,其中之一就是下面这个:

事先称出枪和子弹的重量,然后把枪水平挂起来,击发,记下枪向上摆的高度,可以换算出枪在击发时获得的速度,从而进一步算出子弹的速度。这方法的好处是比较简单,但是相对比较粗糙(得用眼去瞅枪摆了多高),而且严格的讲,最后测到的也不是「初速」,而是子弹出膛时的真实速度。另一方面,此装置只能测枪,不能测炮(把大炮吊起来的话……)。所以现在基本不使用这种装置了。

另一种弹道摆也叫做「冲击摆」,就是下面这个:

它的原理依然是动量守恒,不同的是变成了让子弹直接撞击一个连接在摆杆上的摆锤,摆锤吸收了子弹的全部动能,获得一定速度并向上摆动,然后通过摆动的最大角度来反算子弹在撞击时的速度。

这种装置的优点是结构简单价格低廉,现在仍然可用于测量某些低速弹丸的初速。但它还是有不能测量高速或大口径弹丸的问题,因为速度太高会打穿摆锤,自然也就测不准了,至于大口径弹丸,可以想象一下得做个多么巨大的摆才行……。所以早期的火炮大都不知道初速是多少,实战中只能靠调节装药量的多少来估计射程。

其实,测速最简单的思路就是用距离除以时间了(这个应该是学渣们也懂的……),这种方法用在测量枪炮弹丸的初速上就被叫「区截法」。于是,只要量出一段合适的距离(一般在两米以内),两端放上能计时的感应装置,测出弹丸飞越这一距离所用的时间,速度不就求出来了吗?就像下面这样……

不过,学霸们可能会觉得有什么地方不对……要测的是一点的速度啊,这样求出来的不就成这一段上的平均速度了吗?好吧,这样的办法其实也只能测出平均速度……不过由于这段距离比较短,速度变化近似是线性的(中点处的量等于两端的量相加除2),可以认为这个平均速度就是这段距离中点处的速度,算是间接测量到了一个「点」的速度。