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【科普】关于达尔格伦炮线膛炮一些事儿、、、

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达尔格伦炮是根据实际膛压的测量结果绘制出的图纸火炮形状,然后根据图纸制造出的炮型。

膛压的测试:就是在一根厚壁的长管子上平行的按照等距离预先加工出一系列的垂直与炮膛轴线的孔,孔里面塞进小铁球,厚壁母管里面塞入发射药射击,炮身上的孔里面的小铁球就会由于膛压作用射出。利用仪器(单摆式动能测量仪器),就是子弹射击物体然后圆周运动上升到一定高度,根据动能和势能相互转变原理(动量守恒、机械能守恒)求出初速铁球子弹初速,再根据相应数据绘制出膛压曲线图。


然后根据这个曲线图来确定炮体周身所需要的厚度。(笔者:这个过程可能有能量损失带来的误差)
很明显可以看出,达尔格伦炮的炮膛底部与炮口处的壁厚比例十分悬殊,已经远不是传统火炮那种类似线性逐渐减薄壁厚的样式。
而且,根据膛压曲线来看,黑火药最佳的推力在弹径的15倍径左右;
据查到的资料,达尔格伦炮的倍径基本上也在这一范围内。当身管再延长以后膛压曲线趋于平直,加速度不再增大(注意是加速度),由于有膛压存在加速度仍然是有的,理论上加速度逐渐减少为零时速度达到最大,此时的身管长度为最佳,火药利用最充分,超过这个身管长度后弹丸会与炮管内壁摩擦导致速度降低。事实在黑火药时代尤其是前装滑膛炮时代这是不可能做到的。
在最短距离内加速到一个可以满意的最大速度是设计师们的终极目标!
当然,火药的力度、配比、制造工艺、装填压装密度都严重影响这火药的燃烧速度和膛压。
身管短的火炮需要燃速较快一些的火药,比如传统的粒状黑火药,但是这样会造成局部膛压过大。
身管长一些的火炮有更长的加速距离,那么火药就需要燃烧“慢”一些来使得火药燃烧对弹丸有更长的加速时间,比如栗色火药或者大药粒火药。
按照达尔格伦炮的身管倍径推断,当时使用的火药应该不是慢燃火药。
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闲话休提,找到了一段很有意思的文字和图片:


看图片,笔者第一印象是:罗德曼线膛炮这玩意明显不是单肉身管而是复合身管,或者说嵌套身管。
当然找到的线图也说明了一切。
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为啥会有这种情况???找到的一段资料:
During the War, and immediately after, attempts were made to cast rifled Rodman guns. Unsuccessful attempts were made to cast a 12-inch rifle in 1861, an 8-inch rifle in 1862, and another 12-inch rifle in 1868.[8] However Robert Parker Parrott at the Cold Springs Foundry near the United States Army Military Academy at West Point used the Rodman water core method of casting to produce large bore rifled guns in 200, 300, and 400 pound models. Parrott rifles that had been cast using the Rodman method were inscribed with the initials WC in order to differentiate those guns from ones that had been cast using ordinary methods. Primarily these guns were used on naval vessels especially large monitors. In the 1870s and 1880s efforts focused on converting existing Rodman guns into rifles. 10-inch Rodman smoothbore guns were converted into 8-inch rifles. The first method used was inserting a wrought iron rifle sleeve through the muzzle, a similar steel sleeve was also used later. The last method involved drilling and tapping the breech of the 10-inch Rodman and inserting a rifled steel sleeve and screwing it in tight with a threaded breech plug. These breech inserted guns are easily recognized by the square “cascabel” which was designed to provide purchase for screwing the breech plug and liner securely into the gun.
These conversions were not viewed favorably and were primarily seen as cheap stopgaps until modern breech-loading rifles could be developed and emplaced.
大意就是,战争期间尝试着制作了一些罗德曼线膛炮,在1861年制造的12英寸、1862年制造的8英寸、1868年制造的12英寸都是不太成功尝试。然而罗伯特帕克帕洛特在冷泉铸造厂附近的美国陆军军事学院西点军校用罗德曼水芯连铸法成功的生产大口径线膛炮的200,300,和400磅的型号。。。。。。
。。。。。。。10英寸的罗德曼滑膛炮要想转换为8英寸的线膛炮。所使用的第一种方法是在炮口内插入一个变形的膛线铁质套筒,后来一个类似的螺纹钢套也被使用。最后一种方法是在的10英寸罗德曼臀位(尾部)钻孔攻丝然后插入螺纹钢套筒拧入螺纹闩插紧。
不过这些改装并不被看好,应该主要是看做成本比较便宜的权宜之计。。。。
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笔者分析:线膛炮的炮弹比同口径的滑膛炮重的多,而且需要的发射药估计也会多一些(这里姑且不算按照滑膛炮设计的身管长径比加上膛线缸套就发射相应的线膛炮弹的劣势),更重的炮弹更多的发射药使得这种形状的炮身根本不合适!
更重的炮弹和更多的发射药,加上密封更严密,膛压更高,炮弹与身管之间的摩擦和炮管本身受到的扭矩毫无疑问都将剧烈增加,这对于炮膛底部和炮口处严重悬殊的壁厚是非常大的挑战。
无怪乎早期直接在炮体上拉膛线会不成功!!
后来采用的加厚壁厚的方法:其实说白了就是将口径较大的滑膛炮里面塞上一根一定壁厚的口径较小的线膛钢套管(10英寸滑膛变成8英寸线膛),这样总体算下来火炮的“总壁厚”增加,能承受的膛压更大,况且由于较小的口径级别发射的线膛炮弹重量也能减轻,安全性增加。
当然,这属于“大口径”炮变成“小口径”炮了,而且加工上更复杂,很显然,先铸造大口径炮身再嵌套小口径内钢管,闲的**。。。
所以还不如直接铸造更厚壁加强的炮管然后直接拉膛线更节省制作工艺和成本。。。再者,当时的铸炮材料主要是灰铸铁,抗拉强度也是捉急。与后来的流行的多层套筒式身管火炮性能是不可同日而语的。


所以,也就不难给出最后的评论就是“不过这些改装并不被看好,应该主要是看做成本比较便宜的权宜之计。。。。”了。


IP属地:内蒙古1楼2019-07-13 17:35回复
    线膛炮和滑膛炮的特点:
    一、如果相同的口径,相同的密封程度,相同的发射药和弹重,很显然是滑膛炮的初速更高,因为滑膛炮发射时没有与膛线那样的剧烈的摩擦。
    但是球形弹的蛋形系数渣渣(迎风面太大),外弹道也就渣渣,加之没有稳定结构,所以动能的损耗很大,也就是说在相同的距离内损耗的动能越大。
    线膛炮,由于炮弹呈锥形,蛋形系数较好,发射时虽然与炮管剧烈摩擦损失一部分动能,但是出膛后由于高速旋转的稳定方式使得炮弹十分稳定的飞行,相同的距离内损失的动能更小。再就是精度也高;
    这样一比较来看,线膛炮的优势还是异常明显的;
    二、同口径的火炮,滑膛炮的球形弹和线膛炮的锥形弹,后者的炮弹更重。理论上发射更重的弹丸需要更多的发射药,但是由于线膛炮弹高速旋转稳定的优势,飞行时动能损失更小,所以是不能用滑膛炮的发射药比例来对比的。
    前装滑膛炮时代发射药能够达到1/3的弹重,这是很惊人的。普通的也就接近1/4弹重装药,而线膛炮比较特殊的是内战时期的军械炮只有十分之一的装药,而且精度更高。这就是差距。
    三、膛内弹道,球形弹发射时炮弹与炮管有缝隙,所以实际上炮弹是与炮管呈不规则的点接触。线膛炮由于弹带(姑且这么叫吧,其实就是嵌入膛线的部分)与膛线摩擦是一直呈线或者面接触的(虽然内战时期的所谓线膛炮也不是很严密的说,稍后提到),因此炮弹与炮管之间的摩擦、炮弹对炮管形成的瞬间剧烈扭矩(发射过程也就千分之几秒)远不是滑膛炮能比的。
    四、其实内战时期的线膛炮,炮弹与炮管之间也是不严密的,当时有一大批的锥形炮弹使用的时间引信还是木质信管,靠炮弹与炮管之间游隙处泄露的燃气来引燃,这也是滑膛炮时代榴弹的“标准”引燃方式。如果说木质信管使用的年限一直到1895年(生产年限)您应该不需要觉得吃惊。。。
    五、我说的这些不是在比较滑膛炮和线膛炮哪个膛压更高,哪个更优秀。炮弹的威力取决于多方面的,无论身管如何,初动能只取决于弹丸重量和初速,外弹道系数则与蛋形、弹重都有很大关系。只要达到这个目的就是一种好的火炮。米帝的达尔格伦炮可以达到15、18甚至20英寸,在这样的巨大的炮弹面前当时的线膛炮确实没有什么优势可言。譬如勇士号等当时最先进的装甲战舰在这些巨炮面前就是玩具。。。
    六、说了这么多,回来说达尔格伦炮早期的那种酒瓶形,炮口处的身管确实太薄了,如果直接拉膛线发射质量更大的重型锥形炮弹,接近炮口处身管壁未必受得了。同样形状的加厚身管、缩减口径才是正途。这也符合火炮设计的基本原理。


    IP属地:内蒙古2楼2019-07-13 17:36
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      再有就是大二格伦炮的铸造:
      书中没有找到具体详细参数和明确的制造过程,我想我可以大致的介绍或者推理一下:
      根据查到的资料,空心冷却铸造的时候使用的是加热模具的方式制造的,这点有历史图片证明:

      应该他也是采用金属模具造型,便于质量统一。毕竟几吨甚至几十吨的庞然大物没有金属构件支撑是不成的。
      采用加热模具的原理:就是铸铁(铸造生铁,灰铸铁)如果硅含量过低的话,冷却速度快的时候过冷度较大,所以容易白口化(清国的龚振林用铁模铸炮法生产的火炮都是白口铁),保险的做法就是浇铸之前将模具加热到一定温度(240--350),使得铁液不至于骤冷,再就是火炮冷却过程中也需要持续加热,使得基材有足够的时间析出石墨形成灰口铁。罗德曼当时使用的这种方法制造大口径的巨炮,动辄几天的持续加热,数十万加仑的冷却水,流速、温度控制、凝固时间的把握控制在理论上的量化阶段,如此才能铸成合格 的火炮,可见当时对于温度、水流以及金相组织之间已经有了很深的研究。
      所以说,内模水冷技术可不是简单的通个水管就成的,如果说原理的话,确实很简单,但是具体到量化就不是很容易的事,这玩意涉及到一系列的关于热力学(水、金属的比热、水流速度与温度变化的关系)、金相学、冶金学的相关知识,可以说是那个时代的分支科学的汇总!
      在那个时代需要几年甚至十年的时间来建立、完善整个火炮的数据体系确实是不容易的。


      IP属地:内蒙古3楼2019-07-13 17:37
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        Guns had been traditionally cast solid and the bore was bored out of the solid metal. With this traditional method, the gun cooled from the outside inward. Castings shrink as they cool. As each succeeding layer cooled it contracted, pulling away from the still molten metal in the center, creating voids and tension cracks. Drilling out the bore removed the voids, but the tensions in the metal were still toward the outside. Rodman devised a method of casting where the gun cooled from the inside out, so that as cooling occurred, it created compression rather than tension. This resulted in a much stronger gun.
        With Rodman’s method of casting, a cooling core was placed in the mold before casting. This core consisted of a watertight cast iron tube, closed at the lower end. A second, smaller tube, open at the bottom was inserted into the first. As the molten iron was poured into the mold, water was pumped through the smaller tube to the bottom of the larger tube. The water rose through the space between the two tubes and flowed out at the top. The water continued flowing as the metal cooled. To further ensure that the gun cooled from the inside out, a fire was built around the iron flask containing the gun mold, keeping the gun mold nearly red-hot. For an 8-inch Rodman columbiad, the core was removed 25 hours after casting and the flow of water continued through the space left by the core for another 40 hours. Over 50,000 gallons of water was used in the process. For larger guns, the cooling periods were longer and more water was used.
        After cooling the gun the machining process began. The bore was bored out to proper size, the exterior was turned smooth, the trunnions were turned on a trunnion lathe, and a vent was drilled.
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        传统的火炮制造方法(应该是钻孔法应用以后),是先铸造出金属实心柱体,然后在直接钻孔。这种传统的制造方法,火炮身管是由外部向内冷却。铸件冷却时会收缩,因为。当由表层向内部冷却时每一个后续层逐渐收缩,内层中心就会出现空隙和裂缝(缩松或者缩孔)。之后用钻头钻出中心孔的时候就恰好将这些质量不好的空隙和裂缝(缩松或者缩孔)除去,(虽然除去了疏松区)但是内部的应力还是趋于向外的;罗德曼设计铸造的火炮冷却方向从内向外的方法,使火炮冷却时它造成逐层向内压缩而不是外张。这就制造一种更加坚实的火炮。
        罗德曼的铸造方法,冷却芯被放置在模具铸造之前。这个系统的核心是一个水密的铸铁管,铁管的底是端封闭。之后,在铁管内部插入一个较小的管,一直到插到最铁管底部。当铁水倒进模具中时,水被泵入较小的管。水流动时水从两根管子间的间隙上升,并在大铁管顶部流出。当金属冷却后水要继续流动。为了进一步确保身管从内而外冷却,模具需要外置火源来保持枪模具一直接近红热(笔者认为这才是关键,保证铸铁的金相组织)。对于一个8英寸级别的罗德曼方法铸造的火炮,铸造(应该是液体一直到凝固时以后)核心的水密铁管需要25小时的时间来凝固,并且(凝固后)水流要继续持续不断流通40小时后才中断,这个过程中要消耗超过50000加仑的水。对于更大口径的火炮,需要冷却时间更长和需要更多的冷却水被使用。
        火炮完全冷却后,进行机械加工,应该包括内壁加工到合适的尺寸和外表面要加工的比较光滑。。。。


        IP属地:内蒙古4楼2019-07-13 17:37
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          当时的想法最初倒不是自紧技术,而是为了保证内外散热速度的均衡性,这样就不会出现应力偏置,后来也是解决了水冷速度的散热控制以后才将内部先冷却的,这样性能更加优异。
          在当时控制水流速度和温度变化的关系需要一系列的数学计算和材料参数,各种材料的比热容等、导热速度都需要建立模型进行计算。所以,不简单。
          大概就是这么个情况。。。。
          其实滑膛炮的巅峰就应该是:
          1.优质的高温灰口铁(铸造生铁)
          2.科学合理的炮型。
          3.火炮铸造工艺,内模水冷技术,保证火炮冷却时不会由于内外表面积而导致散热不均,温度差悬殊而裂纹。
          而且操作得当的话,还能使得身管适度自紧(内层先冷却,外层冷却逐渐收缩对内层加压)。


          IP属地:内蒙古5楼2019-07-13 17:39
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            我顶


            IP属地:湖北来自Android客户端6楼2019-07-13 20:50
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              相当不错 武大工业部长


              IP属地:浙江来自iPhone客户端7楼2019-07-14 09:33
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                叫吧主加精


                IP属地:广东来自Android客户端8楼2019-07-14 10:16
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                  南北战争时代,性能方面铸铁炮并不比青铜炮好。灰口铸铁脆性高了些。青铜延展性和散热性好不少。
                  南北战争时期的铸铁炮,寿命比同款青铜炮低。优势是便宜。


                  IP属地:北京10楼2020-01-22 08:32
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                    吧里真冷清


                    IP属地:内蒙古来自Android客户端11楼2020-05-31 15:02
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                      请教一个问题,同口径灰铸铁炮和青铜炮哪个更加轻便呢?


                      IP属地:广东来自Android客户端12楼2020-05-31 23:05
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                        想请教一个问题,南北战争时期美国的线膛炮的炮弹是是不是和法国人的炮弹一样,弹壳有凸起“钮钉”以嵌入膛线?


                        IP属地:江苏13楼2020-08-05 15:42
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                          冷却水的流量,管子的壁厚都是影响很大的事情,如果铁水穿透砂型碰到冷却水管,熔穿了管子,高温金属液接触冷却水,这事情就有意思了。
                          直接加工膛线失败,可以理解为生产的炮筒毛坯,内部是有缺陷的,表层质量较好,加工一定深度的膛线,结果遭遇缺陷,后果就会比较麻烦了


                          IP属地:浙江14楼2020-09-26 20:58
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                            将军 ,近期又把罗德曼法翻出来看了看,他这个水循环系统出水口应该是水蒸气吧,芯部的温度少说也有上千度了,水一进入应该就立刻蒸发为过热蒸汽了。看图来说内膜应该是密封的芯内部的气压也应该高,而过热蒸汽的温度与压力和密度都有关。总感觉与其说罗德曼法像是机箱水冷,更像一个可调进水的高压锅,通过调节锅内蒸汽的温度来调节锅壁温度。不知道对不对


                            15楼2021-11-23 04:03
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