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古代大炮是怎么填装火药的?

2021-06-17  不沉俾斯麦

历史上火炮的发展经历了一个复杂而漫长的过程,早期火炮的制造工艺并不成熟,甚至非常原始。虽然佛罗伦萨的工匠们很早就掌握了以铜为原料铸造火炮的技术,但由于铁的熔点要远高于铜,受限于当时技术方面的瓶颈,工匠们不得不退而求其次,以锻铁来作为生产铁炮的原材料。锻铁炮的制作方法可以归结为以下三种,即铁条箍合法,短管相接法和卷管法。其中铁条箍合法也许是当时最普遍的制造火炮的方法:沿圆柱形轴芯铺设一层或数层烧热的锻铁条,经过反复的锤打使之形成一个整体,之后再套上大约十数条铁箍或铁环来进行加固,每个铁箍之间保持一定的距离。冷却之后向内收缩的铁箍会把炮管收得更紧密,最后炮管上任何的裂缝和缺口会用铅灌满。子铳也是由铁块或铁片锻打而成,只不过子铳的一头是密封的,另一头略呈锥型,方便与母铳相接。在专业有组织的火炮生产体系出现之前,火炮大多是在作坊里由铁匠们制造完成的。一个熟练的铁匠在助手们的帮助下,大约花费一周的时间就可以生产这样一门不太大的火炮。早期的锻铁炮以此类后装火炮为主,也就是我们所熟悉的佛郎机炮。虽然各国所产佛郎机炮在尺寸和外形上各有不同,但无论是以那种方法打造的火炮,后装炮的子母铳分离结构和条箍结构是无法改变的,这也就决定了此类火炮的气密性不强,无法承受过多的火药和膛压,因此其射程和威力远不能同整体铸造的前装滑膛炮相比(虽然后来出现了铜铸后装炮,炮管的整体性得到加强但其仍然是子母铳分离结构)。因此,以当时的整体环境来说,子母铳分离的后装火炮绝对不是一种先进有效的火炮。

(条箍结构锻铁回旋炮和铜铸回旋炮,后者结构更紧凑,但仍然无法改变子母铳分离的本质。因此其射程和威力无法同整体铸造的前装滑膛炮相比,主要作为一种反人员的小炮存在)

黑火药作为伴随人类火器发展的重要燃料直到19世纪后期才让位于无烟火药和其他新型燃料。组成黑火药的三种成分为:硝(硝酸钾),硫磺和木炭(碳),现代黑火药的配制比例一般为75:11: 14或75:10:15。硝酸钾是一种氧化剂,加热时释放出氧气,而碳和硫则容易被氧化。当燃烧时黑火药释放出大量的热量和含烟气体(主要为氮和二氧化碳),其体积约为火药本身的300倍左右。黑火药的科学配制并不是一蹴而就的,其探索过程漫长而危险。三种成分最初的配置比例为1:1:1 ,黑火药极不稳定,非常容易引起爆炸。因此木炭一般单独存放,只有在需要时才跟其他两种成分混合起来。另一个不提前将火药混合起来的原因是由于三种成分重量各不相同,在运输过程中经常发生分层沉降,影响火药的效率。活跃于16世纪的意大利数学家,工程师塔塔格里亚总结的火药配置比例为4:1:1。17世纪晚期的军用火药配比则为6份硝1份硫磺和1份木炭。直到15世纪中期之前,人们一直使用的都是粉末火药。粉末火药燃烧缓慢,其产生的膛压较低,因此比较适合早期条箍结构的锻铁炮。

(玛丽罗斯号上携带的铜铸寇菲林长炮和大型锻铁后装炮)

15世纪中期出现的颗粒火药比传统的粉末火药更为高效,其释放的能量约为粉末火药的1.5倍以上,燃烧速度则可达到前者的3倍左右。工匠们显然对这种新式火药的威力缺乏充分的了解,以传统方式制造的火炮难以承受颗粒火药爆炸时释放的巨大能量。直到16世纪中期,他们才学会了铸造能够承受颗粒火药爆炸威力的大型火炮。罗伯特·诺顿在他于1628年出版的书中记录了1475年-1525年铸造的火炮不像他那个时代所使用的火炮那么坚固粗壮。这是因为颗粒火药的出现改变了火炮的设计结构,使用粉末火药作燃料的火炮只需要一道加强箍就能应付火药所释放的能量,而配制颗粒火药的大炮则需要两道加强箍或至少一道强力加强箍。同时颗粒火药的应用也加速了锻铁炮和后装火炮的消失。

黑火药的危险性和不稳定性体现在它不仅对于火源极为敏感,同时还会吸收空气中的水分。储藏火药的仓库既要做好防火措施,同时还要保持干燥通风。保存火药的桶要平放在地板上,并不时的滚动这些桶使各种成分充分混合,否则“硝会沉积到桶的底部,处于上层的粉末则失去了作用”。在火炮应用的初期及此后相当长的一段时间里,火药通常装在带盖的皮桶里再运送至军前供炮手们使用。而火药的装填则是通过长柄勺来完成的,炮手们根据自己的经验控制装药量来调节火炮的射程。这种情况一直延续到17世纪30年代瑞典大帝古斯塔夫二世时期,他麾下的士兵们把火药装在绒布袋里。布袋和炮弹则装在木头箱子里。随后弹药袋和药筒开始流行于除英格兰外的欧洲各主要国家。在丝绸弹药袋出现之前,人们还曾经尝试过以纸,帆布,尼龙,羊皮纸,羊毛甚至是木头来制作弹药袋/筒,但这些材料都无法完全满足人们的需要。这些材料大都难以燃尽,几轮炮击之后,炮手们不得不用长柄螺旋锥将未燃尽的残余药包勾出来。如果弃之不顾的话,堆积的残留物会阻塞点火孔。不仅如此,如果清理不彻底的话,残留在炮膛里的火药不仅会结成硬块影响炮弹的飞行轨迹,甚至还可能损伤炮膛,降低火炮的使用寿命。

以颗粒火炮为燃料的大炮的炮身经历了一个从长到短的发展过程。最初配制颗粒火药的火炮身管较长,是因为当时的炮匠和炮手担心火炮的安全性和效率,16世纪的炮手们更偏爱炮身长,重量大的寇菲林长炮。究其原因,是因为铸炮时采用炮口向上的铸造方式,位于底部的炮尾则承受了火炮全部的重量。因此,炮身越重,向下施加的压力越大,组成炮尾的金属结构也就越加坚固,而炮尾部也是整门火炮金属含量最多,最厚实坚固的部位。综上所述,寇菲林重量最大,炮身最长,炮尾结构最紧密,其装填的火药量也最大。而金属含量较低的加农炮装药量则小于寇菲林,为防止炸膛,早期一部分加农炮在炮尾部铸有一个狭长的药室。这固然降低了炸膛的风险,但却增大了装填火药的难度。佩德雷罗炮金属含量更少,管壁更轻薄,它们设计的初衷是用来发射石弹的。在发射相同重量的炮弹的情况下,佩德雷罗的装药量约是加农炮的一半。当炮手试图以佩德雷罗来发射铁弹,并装填了过量火药的话,火炮炸膛恐怕是难以避免的。

因为各类火炮的功能和构造各不相同,因此它们的装填方式和装药量也有所不同。16世纪的西班牙军事工程师克拉多曾写道:“火炮炸膛的现象每天都在发生,因为炮手们对于火炮的制成和作用不甚明了…….炮匠在铸造火炮时一定要考虑到每门炮应用的目的。”由此可见,熟悉火炮的特性,以合乎规定的方式维护和装填弹药可以降低炸膛的风险。但以当时的大环境来看,未免不切实际,因为当时的欧洲各国所制定的火炮标准并不统一。比如16世纪晚期的西班牙火炮在口径上通常比其他国家的同类火炮要大,以寇菲林长炮为例:最小的西班牙culebrina对应后世的20磅炮,1551年生产的法国大couleurine为15磅炮,而16世纪典型的英国寇菲林炮则发射18磅重的炮弹。为各类五花八门的火炮配置弹药不光费脑仁儿甚至可能减阳寿。试想一下,当炮手们费尽九牛二虎之力将过量的火药和大炮弹塞进小炮里,在施放时很可能造成炸膛。

制造火炮的材料也会影响火炮炸膛的几率。17世纪上半叶人们曾尝试以制造成本较低的铸铁炮代替昂贵的铜炮,但相当一部分的铁炮难以承受颗粒火药释放的能量,因此这一想法不得不被搁置。纯铜过于柔软,把90%的纯铜和10%的锡混合得到的合金称为青铜,青铜比纯铜更加结实坚固。长久以来,青铜被认为是最适合铸造火炮的金属,因此也被称为炮金属“gun metal”。但青铜具备良好的导热性,连续的施放使得铜炮温度快速升高,这不仅使得炮身变软松垂同时也会损坏炮膛。此外锡的熔点比铜低,当铜炮冷却时,部分锡会渗出形成白色的斑痕,称为“锡点”。锡点被磨去后会在炮身上留下裂缝或洞,降低火炮的质量和强度。同时,在铸造铜炮时可能出现的砂眼和蜂窝都会影响火炮的质量,这些都造成是火炮炸膛的潜在威胁。威廉·埃尔德雷德在1646年出版的书中记载火炮的发射频率为每小时8发。在连续发射40发炮弹后,必须让火炮冷却休息1个小时,如果不按此造作的话,连续施放80发炮弹以后积聚的热量会破坏火炮或引起炸膛。

(炸膛的火炮,上为铜炮,下为铁炮)

结论

引发火炮炸膛的情况是多种多样的,既要考虑到火炮本身的质量和构造,同时也要按照标准对火炮进行维护和保养。不合理的装填弹药或过度使用火炮都会损坏火炮甚至引起炸膛。事先包装好的火药毫无疑问可以提升射速,但是火药的保养是一个大问题。保养不当不仅会严重降低火药的质量,也可能引起爆炸,造成无谓的伤亡和损失。长期以来,人们都难以找到满意的材料来制作药包,直到丝绸药包的出现才改变了这一情况。未燃尽的药包不仅干扰了火药的充分燃烧,也增大了炮膛清理的难度。

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