图文版:https://zhuanlan.zhihu.com/p/504329902 17世纪的枪枝都使用黑火药，在英国内战期间，火药在专门的城镇制造；比如保皇党的约 克和纽瓦克，以及议会控制的许多城市，这些地方会有驻军守护。火药工厂需要木炭、硝 石和硫磺来制造火药，而後两种原料特别难找到，伊莉莎白时期就是靠收集人的粪尿来制 硝。一战会打起来的原因之一，就是协约国掌握了南美的硝矿，协约国自以为扼住了同盟 国的咽喉，没想到德国已经发明了化学制氮的方法。 大家都知道黑火药是硝石(硝酸钾)、木炭和硫磺所混合。当它燃烧时，释放出烟雾气体( 主要是氮和二氧化碳)，这些气体会急速膨胀，体积胀到粉末本身的300倍，然後这些膨胀 的气体把子弹给推出去。欧洲早期的火药配方，硝石、木炭和硫磺的比例是4:1:1，到了 1700年，普通火药的比例改为6:1:1，1787年，黑火药的配方被改为75:15:10，然後该配 方沿用至今。 黑火药最初是粉末或粉尘的形式，到了大约1450年，火药制造商开始生产颗粒火药，也就 是说，他们把它黑火药弄成更大的颗粒；火药变成颗粒的好处在於(1)容易保存(2)产生更 大的推力(3)燃速低。 燃速顾名思义，就是黑火药燃烧的速度。黑火药的燃速对於子弹在枪管内的运动(内弹道) ，有很重要的影响；黑火药燃速过快，过於急速增高的压力，极有可能伤害枪管；黑火药 燃速过慢，子弹出膛时火药没燃烧完全，火药被浪费了；所以适当的枪管长度、火药量、 火药的燃速都要适当；最理想的状况，是子弹刚离开枪口的那一瞬间，火药就烧完了，并 且产生气体。一个沈重的弹丸需要使用缓慢燃烧的推进剂沿着枪管逐渐加速，而一个轻弹 丸在短枪管内需要能快速燃烧的火药，在重量相同的情况下，低密度、细颗粒、多孔的粉 末会比高密度、大颗粒、光滑的粉末燃烧得更快，引火药也要比推进药[注]燃烧得更快。 注:引火药跟推进药的成分是不同的；引火药需要快速地燃烧，然後点燃推进药。 内弹道 内弹道循环可以描述如下图；一旦引火药被点燃，热气体被强制进入膛内，导致压力迅速 增加，热量被推进剂吸收，压力下降。接者推进剂表面能够点燃，反过来释放更多的热气 体，这再次增加膛内的压力，直到弹丸开始移动，这被称为发射开始压力(Shot Start Pressure)。然後体积逐渐增加，气体体积增加等於弹丸运动引起的体积增加；一旦超过 了峰值压力(Peak Pressure)，弹丸运动的距离超过了气体产生的体积，压力就下降了。 一旦所有推进剂被全部燃烧(All burnt)，气体膨胀是处於热力学的绝热过程，直到弹丸 离开枪口。 在英国内战期间，因为工艺所限，枪只的口径并没办法做到标准化，就算同种类的火枪 ，口径都存在正负0.5mm的公差；与其用口径分类当时的枪枝，还不如用当时人的习惯， 用多少子弹数量重达１磅来当标准。当时火绳枪一般使用重量是12发为1磅的子弹，也就 是12号(口径18.51mm)的铅弹，重量为37.9克；现代学者分析了17世纪的子弹，平均硬度 为6.32维氏，铅含量为99.7%。 枪管口径与弹丸直径的差异被称为游隙，游隙太大，黑火药的气体大量从游隙中露出，火 药的推力被浪费了；游隙太小，子弹难以被装进枪管。以当时人的习惯，它们喜欢使用10 号弹的枪管(内径19.68mm)，发射12号的子弹，为何要选游隙相差如此之大的枪管与子弹 ，原因就在於很多士兵很懒，连开数枪後才想要清枪管，游隙大，就算枪管有积垢，还是 好装填。 黑火药比起硝基化合物，燃烧後会产生很多的废弃物；黑火药大约只有50%会燃烧殆净， 会产生50%的烟、液体与颗粒残渣；这些颗粒残渣会阻碍弹丸的装填，如果颗粒残渣太多 ，也会阻碍弹丸的运动；所以有人拿游隙大来讥笑英国枪械工艺烂，这是不对的；工艺烂 是一个其中一个原因，更多的原因是为了能快速装弹。 如何降低游隙的影响，方法就是纸弹药筒；比如像18世纪那样，把推进药与子弹全装入纸 里做成纸弹药筒，然後一起塞入枪管，这办法在英国内战期间是很罕见的，绝大多数的士 兵都是配备粉盒，每个粉盒内都刚好是一次射击所需的火药。还有一种办法是装完子弹後 再塞入一把填充物(毛、草、棉絮)进枪管里，当时的士兵为了能快速地开枪，其实没时间 这样做；为了能填装快速，士兵往往用上不正当的填装法，那就是装完火药与子弹後，并 不用通条把火药与子弹压到枪膛底部，而是用枪托在地面上用力撞击，让子弹能滚到底部 ，这样做往往会伤害枪枝性能。 科学家对三种不同的火药进行试验，(A)Swiss No.1是一种较粗粉末，颗粒约 0.226-0.508mm；(B)3A是一种细粉末，颗粒约0.25-0.5 mm；(3)G12是颗粒火药，颗粒约 1~2mm。三者都使用12.5克的火药量，去推动12号的铅弹；使用Swiss No.1，弹丸初速是 417m/s；使用3A，弹丸初速是341m/s；使用G12，弹丸初速是453m/s。比较这三种火药产 生的峰值压力与燃速，他们发现G12最像十七世纪火枪使用的火药。 科学家还实验游隙大小，枪管有无填充物对子弹威力的关系，也得到其结论；填充物对枪 枝威力的影响没有火药种类、游隙的影响那样大； 游隙越小、有填充物，子弹速度越快 。 外弹道 当子弹离开枪管後，子弹的弹道被称为外弹道；法勒对外弹道的解释是一旦弹丸离开枪身 ，受到气体逸出的影响，就开始了称为外弹道的飞行。 光论重力对弹丸的影响，如果我们用牛顿运动定律来计算，假设弹丸初速为400m/s，x和y 值可以使用0.1秒的时间计算，如下图所示，当飞行0.1秒时，弹丸前进40公尺，往下落 0.04公尺；当飞行0.3秒时，弹丸前进120公尺，往下落0.44公尺；当飞行0.5秒时，弹丸 前进200公尺，往下落1.2公尺。 但重力并不是影响弹丸的唯一外部因素；当球体穿过大气层时，它周围的空气被弹丸的动 能所取代，这种来自弹丸的能量损失称为阻力，并导致弹丸速度的持续损失。弹丸的阻力 大小受其形状的影响，这决定了其阻力系数(Ca)；Ca可以分为以下几个部分: (1)压力波 空气的压缩，发生在弹丸的前面，被传递到周围的空气作为压力波。这就造成了一种干扰 ，这种干扰在空气中以与声波相同的速度传播。当弹丸以低於声速(低於340米/秒)的速度 飞行时，扰动的速度比弹丸快，因此远离弹丸。当抛射体的速度快於声音时，扰动的任何 部分都不能直接从抛射体的前方逃逸。结果是压缩波“聚集”起来，在弹丸的前端产生了 冲击波。 (2)基础阻力 弹丸後面有相当大的湍流。这种乱流被称为尾迹，并引起进一步的阻力，称为“基础阻力 ”。底部阻力的产生是由於弹丸後面的一个低压区域，当气流不能快速返回填补弹丸後面 的空间时，就会出现这个低压区域。其结果是一种真空或吸力效应，表现为对运动的阻力 。基本阻力随着速度的增加而增加，直到达到声速，然後保持相当稳定；这是因为当弹丸 的速度接近音速时，基座後面的气压趋於零。 (3)表面摩擦 对运动的额外阻力是由於空气附着在弹丸表面造成的；弹丸表面的空气以与弹丸相同的速 度运动;下一层空气移动得稍微慢一点，以此类推。对於大多数抛射体，摩擦阻力通常相 对较小，通常影响最小。 (4)跨音速区 跨音速气流是围绕物体流动的空气，其速度会在该物体周围产生亚音速和超音速气流区域 ，速度的确切范围取决於物体的临界马赫数，跨音速区通常在0.8 到 1.2马赫之间。 球型弹丸速度与空气阻力的关系如下图: 在低於马赫数0.5的亚音速速度下，阻力系数是恒定的；在马赫数为0.5到1.4之间的跨音 速速度下，阻力系数近似与速度成正比；在更高的超音速，马赫数大於1.4时，阻力系数 再次接近恒定。 最後，我们加上重力与阻力，再次计算弹丸的弹道，直径为18.51mm的铅弹以高度为0.5公 尺，速度为400m/s发射，该弹丸的最大预测射程为109米，而在没有气动阻力的情况下， 预测射程为128米。 发射高度对子弹的射程也有关系；在1.7公尺(站姿)的高度发射， 火枪射程是182.99公尺 ；1.3公尺的度发射，火枪射程是163.99公尺 ；在 0.9公尺(跪姿)的高度发射，火枪射程 只剩139.99公尺。 如果有一位高1.83公尺的人，枪口以5度角朝天空发射，射程可达620公尺。 枪口角度跟命中率关系很大，如果你要射击一位5公尺外的目标，你瞄准他的胸口，枪口 只要擡高6度，子弹就会从他头上飞过。 参考资料与出处 Ballistics of 17th Century Muskets Artillery in the 17th-Century English Civil Wars --

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