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彈道之痕

2024-01-31軍事

首先在這裏問一個問題,當彈丸被發射時,它處於哪一位置達到最大速度。

一般來說,都認為在膛口處就達到了最大速度。

彈丸的最大速度並不出現在膛口處,而是在離開膛口一段距離的地方,這段距離大約是20至46倍口徑的長度。如果畫出彈丸速度大小隨距離變化的曲線,就應該是下面這個樣子:

那麽現在麻煩的問題就來了。因為火藥氣體沖出身管形成的流場短暫而混亂,對彈丸的作用復雜,既不好觀察又不易測量,迄今為止也並沒有一個成熟理論來描述彈丸在這期間的運動規律,所以在真正定量研究彈丸運動規律時,如何處理「後效期」一度成了十分棘手的問題。

不過,牛逼的磚家們總是有辦法的……,強攻不行,但是可以迂回嘛!如果費了牛勁也沒不好搞清楚這一截是咋回事,索性就回避這一問題。於是,「初速」這一概念便應運而生了。具體還是來看下圖:

各位小夥伴們,看到那多出來的一段紅色虛線了嗎?初速就是這樣來的:它實際上是沿著後效期結束後的速度—距離曲線的反方向,逆推到膛口處的一個速度,在多數文獻和著作中,它的符號是v0。請註意下標是數碼「0」,不是英文字母「o」。很顯然,這個速度的的確確是在膛口處的速度,但同時也確實是一個「虛構」出來的速度。在各種專業書籍中,初速大致這樣定義:「對於槍炮武器來講,初速是彈丸在半約束期結束時的瞬時速度,由炮(槍)口外的速度變化曲線反推至炮(槍)口處得到。」是不是仍然會覺得有點繞?不要緊,理解並不一定要死記文字,小夥伴們只需理解上面兩個圖,並自行腦補相關畫面就行啦。

這樣定義的好處是我們可以不再纏結於後效期內復雜而又混亂的氣體+彈丸的亂鬥,而是好像沒有後效期一樣,彈丸在脫離身管後就只受空氣和重力的作用(這兩個因素還是能研究清楚的……),這不就簡單多了嗎?各位小夥伴們,看到了吧,迂回戰術不光是在戰場上好使,有時候科研也能用得上啊!

最後還要強調一下,對於火箭類武器來講,初速就必須嚴格定義為「半約束期結束時的實際速度」,原因也很簡單—由於推進原理不同,火箭彈並沒有「後效期」。我們可以來看看火箭彈的發射:

雖然火箭彈的能量來源也是火藥,但它是向後噴出火藥氣體來推進的,所以總是把火藥氣體甩在身後,因而又就不會「後效期」出現了。

說了這麽多,現在搞明白初速的定義了吧?不過,具體到某一門炮,一支槍,它們發射的彈丸初速到底是多少呢?這個還得想辦法測量……怎麽測?

初速是一件武器的重要技戰術指標。現在我們已經明白了它的定義,但這只是第一步,之後要做的就是要能夠準確地把它測量出來。在引入了初速的概念後,彈丸在出膛口後就被認為只受空氣和重力的作用(這是有規律可循的),所以只需要在足夠的距離外(但是也不能太遠)測一個點的速度就可以反推出初速了。如果條件允許,多測幾點也無妨,不過嘛,大家似乎都還是怕麻煩的……所以往往也就只測一點了。

那麽現在的問題變成如何測速了。速度應該怎麽求呢?最早出現的測量裝置叫做「彈道擺」,由英國科學家本傑明·羅賓斯在1742發明,主要原理是利用動量守恒定律來求得速度。彈道擺有兩種,其中之一就是下面這個:

事先稱出槍和子彈的重量,然後把槍水平掛起來,擊發,記下槍向上擺的高度,可以換算出槍在擊發時獲得的速度,從而進一步算出子彈的速度。這方法的好處是比較簡單,但是相對比較粗糙(得用眼去瞅槍擺了多高),而且嚴格的講,最後測到的也不是「初速」,而是子彈出膛時的真實速度。另一方面,此裝置只能測槍,不能測炮(把大炮吊起來的話……)。所以現在基本不使用這種裝置了。

另一種彈道擺也叫做「沖擊擺」,就是下面這個:

它的原理依然是動量守恒,不同的是變成了讓子彈直接撞擊一個連線在擺桿上的擺錘,擺錘吸收了子彈的全部動能,獲得一定速度並向上擺動,然後透過擺動的最大角度來反算子彈在撞擊時的速度。

這種裝置的優點是結構簡單價格低廉,現在仍然可用於測量某些低速彈丸的初速。但它還是有不能測量高速或大口徑彈丸的問題,因為速度太高會打穿擺錘,自然也就測不準了,至於大口徑彈丸,可以想象一下得做個多麽巨大的擺才行……。所以早期的火炮大都不知道初速是多少,實戰中只能靠調節裝藥量的多少來估計射程。

其實,測速最簡單的思路就是用距離除以時間了(這個應該是學渣們也懂的……),這種方法用在測量槍炮彈丸的初速上就被叫「區截法」。於是,只要量出一段合適的距離(一般在兩米以內),兩端放上能計時的感應裝置,測出彈丸飛越這一距離所用的時間,速度不就求出來了嗎?就像下面這樣……

不過,學霸們可能會覺得有什麽地方不對……要測的是一點的速度啊,這樣求出來的不就成這一段上的平均速度了嗎?好吧,這樣的辦法其實也只能測出平均速度……不過由於這段距離比較短,速度變化近似是線性的(中點處的量等於兩端的量相加除2),可以認為這個平均速度就是這段距離中點處的速度,算是間接測量到了一個「點」的速度。