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《环境化学》第二版 (戴树桂 著)课后习题答案 高等教育出版社.pdf
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A002 N2在丙醇中亨利常数的分子模拟计算中有关问题
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军事科学院外国军事研究部
战场武器系统与技术?第5册 轻武器与机关炮
正版松鼠妖
第三章　影响口径选择的因素
弹丸能达到的射程取于所用的发射药的药量以及弹丸飞行时的能量。发射药的药量要取决于药室的可用容积、发射药的能量、以及制造武器的材料的质量。一般而言，以相同材料制成的弹丸，飞行时的能量是与其直径成正比的。依据这些基本原理去追溯一下轻武器的发展史是很有意义的，因为现代武器的设计必定会受到历史根源的影响。
　　早期的武器
最早的手持武器是用较差的材料造成的，经不住大的火药气体压力。而为了具有较大的初速以便能在一定的射击距离上杀伤敌人，就必须使用较大直径的子弹。例如：滑膛枪最初的口径为0.79英寸，以后在1700年采用了“布朗?贝斯”滑膛枪，口径则减为0.753英寸，它发射的弹丸重约32克，发射药重约4.5克。由于使用的是黑色火药，发射时的烟很大，因此步兵必须进行齐射。它的初速很小而且各发之间的偏差也很大，因此最大使用距离一般不超过80米。这种“布朗?贝斯”枪从1824年起就不在现役部队中使用了。
由于采用了膛线枪、使用了能量更大的发射药以及质量更好的钢材，武器的口径逐渐减小了。同时，射击的距离也增加了。1800年出现的“贝克”燧发枪，使用与“布朗?贝斯”滑膛枪一样的发射药，发射0.612英寸直径的铅质子弹，它的表尺上有100码和200码两个刻度。所取得的进步主要是由于采用了效果良好的膛线而获得的。但是应该注意，不要认为表尺上的刻度就等于武器的有效射程。因为表尺上的最大刻度往往并不能真正代表武器的有效射程。
1853年的“恩菲尔德”P／53型步枪，口径为0.577英寸，表尺最大刻度达800码。这种枪在1864年改成后膛装填并改名为“施奈德”步枪，发射重量为31克的弹丸，使用重约为4.5克的经改进的黑色火药。“马提尼?亨利”步枪(1871年)的口径为0.45英寸，表尺最大刻度为1200码。它的弹丸重量也是31克但发射药增加到5.5克。
　　近代武器
到19世纪末时，就已经能将弹丸发射到相当远的距离了。目的是为了满足步兵能在远距离上攻击目标的要求。当时还没有认识到机枪是主要的远距离轻武器，而希望步枪手能对2000米以上的目标进行射击。例如，“李?米特弗尔”MKI步枪的最大表尺距离就达2800码，不过这可能有点太乐观了。
“李?米特弗尔”步枪的子弹是由直径为0.303英寸14克重的铅合金弹头和4.5克的黑色火药组成的。但黑色火药不久就被柯达无烟药代替了，这是第一次使用无烟发射药。在南非布尔战争中，证明了“李?恩菲尔德”长步枪使用很不方便，因而在1902年就改短了枪管，并把这种有膛线的、短枪身、弹匣供弹的“李?恩菲尔德”步枪作为1号步枪。人们很快认识到，在远距离上机枪比步枪更为有效。不过觉得步兵应该使用机枪和步枪都通用的弹药。那种直径为0.303英寸，重量为11.3克的弹丸就一直沿用下来，直到为现用的北约7.62毫米标准子弹所取代，这种子弹的弹丸重量下降到了9.35克。
关于选择弹药的分析
弹药的选择要从战术和技术两方面进行考虑。首先要按照战术要求来提出弹丸的性能指标。通过技术设计就能获得可以满足战术性能要求的多种方案。再通过方案审查就能确定出子弹的具体规格要求，并提出发射这种子弹的武器的初步设计。
图3.1是选择子弹过程中要考虑的技术和战术因素的图解说明。为了明确起见，图中对这个过程中的某些环节进行了简化。
在设计时，设计师必须了解要射击的目标，要求的射击距离以及射击的精度。然后他计算出弹丸、药室和枪管的设计对要求的初速(保证在要求的射击距离上具有所需的撞击能量)的影响。此时再对最初提出的军事要求作些综合平衡工作也是常有的事。弹丸的直径实际上也是在这个阶段确定下来的。
标称口径相同的武器并不一定能发射相同的子弹。例如，北约和华约部队都使用口径为7.62毫米的武器，但他们的子弹却是不能通用的，这一点从图3.2中就可以看得很清楚。
为明确起见，最好同时说明子弹的标称口径以及弹壳的长度。北约部队的枪支使用的子弹是7.62×51毫米无底缘子弹。苏联中型机枪使用7.62×54毫米有缘子弹，而其AKM突击步枪则使用较短的7.62×39毫米无底缘子弹。当一种武器可以发射几种可供选择的子弹时，那么这些子弹的型号必须予以说明。例如美国AR15“阿玛雷特”步枪使用的一种子弹就称为M193 5.56×45毫米子弹。本章以下的四节将更详细地叙述设计的过程，首先讨论对目标要求的效力。
杀伤力用来表述弹丸的效率。子弹必须将它的一部分能量传递给目标才能发挥其效力。要使一名伤员在30秒钟之内丧失战斗力，弹丸具有的最低能量应达到80焦耳的水平。如第二章所述，绝大多数轻武器在进行效率评价时都采用“防御30秒”这个标准。
图3.3是几种弹丸在不同射距离上所具有的能量，从图中可以看出这些弹丸对于没有防护的人员目标的不同杀伤距离。没有防护的人员是指穿一般军服不带钢盔和不穿防弹服的士兵。
由图3.3可以看出以下几个问题。首先是北约的7.62×51毫米子弹在射距离超过2000米时还具有80焦耳以上的能量。其次是苏联的7.62×39毫米子弹较北约的7.62毫米弹轻而且初速也小，因此其杀伤距离要小得多。M193 5.56×45毫米子弹的杀伤距离就和这种子弹差不多。具有80焦耳以上的能量，实际上还不是真正的最低极限能量界限，因为弹丸还必须能把这么大的能量传递给目标。轻武器在其作战使用距离上具有的能量一般要比80焦耳大得多，因此即使是直穿人体时，传递的能量也将大大超过80焦耳。
　　毁伤目标
使无防护的人员丧失战斗力是比较容易的。但如果目标是隐蔽的或穿了防弹服，要使他们丧失战斗力就比较困难了。表3.1列出了两种不同口径的弹丸在破坏各种不同目标时所应具有的撞击能量。表中的数据是弹丸的弹道与目标表面垂直时得出的。
表3.1　两种枪弹击穿不同目标时所需的能量
所需能量(焦耳)
M193 5.56×45毫米子弹
北约7.62×51毫米子弹
无防护的人
9英寸厚木材
无装甲车辆
钢盔或极薄装甲
15毫米厚飞机硬铝板
50毫米厚水泥板
120毫米厚砖墙
表中的数字不包括杀伤防护物后面的人员所需的80焦耳能量。
由表中可以看出，随着口径的增大，弹丸穿透防护物体时所需的能量也增加了。也就是说，弹丸越大，它在材料上开的孔也大。从表中可见，在枪口处的能量也只有1800焦耳的M193子弹，是不可能穿透4又1/2英寸厚的砖头的。而北约的7.62毫米子弹在距离约为100米处，还具有穿透砖头所需的3000焦耳能量。从理论上讲，要制造出能穿透砖房的5.56毫米子弹也是可以做到的。但是如果使弹丸的质量增加，则可能在稳定性方面出现问题；而如果使其初速大大超过1000米／秒，则会使枪膛磨损过大。后坐量和武器的重量也可能增大到难以接受的程度。
大多数士兵在战场上是戴着钢盔的，因此对轻武器杀伤力的要求往往同时要求子弹具有一定的穿透能力。试验时，是以厚约3毫米的软钢板来代表现代的钢盔材料的。能穿透3毫米软钢板的弹丸，也就足以穿透在战斗中可以舒适地穿着的全身防弹服了。一般不要求轻武器弹丸去穿透在野战筑城中可能使用的沙土和木材，以保持轻武器的轻便性。
穿透钢盔时所需的能量就用来作为决定弹药的最大杀伤距离的依据。对于高速的流线型弹丸来说，这个距离和它的曳光剂燃尽距离以及能保证命中精度的射程是非常接近的。
由于杀伤力是武器及其弹药设计中的一项基本指标，因此武器使用人员必须提出射击目标和射击距离的明确要求。例如，对某一种武器可以要求它能用来在1000米距离上对无防护的人员，以及在600米距离上对有防护的人员射击。这些指标应依据战术条件来确定。例如：武器的用途、在特定的地形条件下的常用射击距离、以及能否获得其他武器如迫击炮和火炮的支援火力等等。
武器的射程
根据对第二次世界大战、朝鲜战争和越南战争中步枪射击的情况进行分析的结果表明，在战斗中的步枪火力的使用范围要比人们通常想像的近得多。图3.4是步枪在不同距离上的累积射击频率曲线，从图中可以看出：
　　射击距离在100米以内的占总数的30％，
　　射击距离在200米以内的占总数的70％，
　　射击距离在300米以内的占总数的90％，
　　射击距离在400米以内的占总数的95％。
应该说明，这些数字是把夜间射击距离较近和白天射击距离较远的情况平均在一起计算出来的。而且这些数字中也没有体现由于不同地形而引起的射击距离的差别。
于是人们可能会对这一点提出问题，即步枪是否还需要具有能在400米以外距离上去杀伤那些极少数目标的能力。北约的轻武器试验表明，利用轻型的小口径子弹能在远达400米的距离上来提供有效的火力。这种子弹能够使用后坐力很小的轻型武器来发射。而且由于这种子弹能以很低伸的弹道来进行射击，因此它的命中概率是较高的。
对于机枪的射程要求就不那么容易确定了。中型机枪通常要求能在防御阵地之间提供掩护火力，这些阵地相距可能远达2000米。射击的目标可能是暴露的步兵，他们可能戴着钢盔。但身体的其他部分则没有什么防护物，因此是比较容易杀伤的。所以只要弹丸的能量稍高于80焦耳就能有效地对付他们了。为了能达到2000米，弹丸就要重一些，一般来说使用的口径要大于7毫米(详见后述)。
班用机枪常常称作轻机枪，轻机枪要求能在较近的距离提供较强的火力。射击的目标可能是冲击中的步兵或者掩体内的敌人。绝大部分冲击中的步兵都是没有防护的，因而射弹有80焦耳的能量就可以了。而掩体内的步兵暴露的面积较小，而且大部分戴有钢盔。各国陆军对于轻机枪火力对有防护和无防护步兵射击时的射程要求是不一样的。如果轻机枪和步枪在对有防护的目标射击时的射程要求是一样的，那么这两种武器就可以使用同一种弹药。但如果对轻机枪的射程要求更大一些，那么分别使用不同口径的子弹就更为恰当。
有的军队用一种机枪同时作为轻机枪和中型机枪，并且称之为通用机枪。图3.5为美国的M60通用机枪，图中为用作轻机枪时的情况，在作为中型机枪使用时要装上三脚架。
通用机枪的口径一般是按照中型机枪的远射程要求来决定的。中型机枪广泛采用曳光子弹来帮助判定弹着。大口径子弹的弹道受曳光剂缓慢燃烧的影响较小，因此通用机枪一般采用7～8毫米口径。
　　弹道系数和稳定性
现在我们从理论上来探讨一下影响弹丸飞行距离的因素。初速显然是很重要的。同样，使弹丸减速的空气阻力也是一个重要的因素。阻力的大小受弹丸外形和尺寸的影响极大。
弹丸的弹道系数可以下式进行表述：
　　　　C0 ＝ 1/K0×m/d^2
　　其中：C0－标准弹道系数
　　　　　 m－弹丸质量
　　　　　 d－弹丸直径
　　　　　K0－形状和稳定系数
在初速相同的条件下，C0值愈大，弹丸飞行的距离愈远。因此，设计师就力求能获得较大的m／d^2值。为了能进行精确的射击，弹丸在飞行时必须稳定。对于旋转稳定的弹丸来说，在稳定性，弹丸形状和旋转速度之间可以建立起下述关系：
　　　　S ＝ A^2×N^2/4Bu
　　其中：S－稳定系数
　　　　　A－轴向转动惯量
　　　　　B－横向转动惯量
　　　　　N－旋转速度
　　　　　u－随弹丸形状变化的空气动力系数
弹丸的稳定系数应介于1.6至2之间。为了获得合适的S值，必须对A、B和u三个系数加以仔细地平衡。u值随弹丸长度的增加而迅速增大，但随弹丸直径的增大而增大的速度则较慢。当长径比(l／d)较大时，A值就小而B值较大。于是S值就会减小，但可以通过提高旋转速度N来进行补偿。不过旋转速度是受到一定限制的，因为如果要求的旋转速度太高，则枪膛和弹丸都会受到损伤。因而也就限制了实用的长径比(l／d)的范围。
从稳定性的角度来看，理想的弹丸应该是短而粗的。但这样就会使m／d^2值减小，从而使弹道系数减小。适中的方案是使长径比(l／d)保持在3～5左右。
根据内弹道测试的结果表明，较重的弹丸能吸收更多的发射药气体的能量。而外弹道研究表明，较重的弹丸在空气中飞行时，能比较轻弹丸更好地保持其能量。表3.2为口径与初速相同的情况下，射程随弹重增加而增大的情况。
表3.2　射程随弹重增加的变化情况
对某一种特定目标的有效射程(米)
大多数弹丸是由几种材料制成的。弹丸的密度取决于这些材料的比例。可以用来制造弹丸的材料的密度列表如下：
表3.3　弹丸材料的密度
密度(克／厘米^3)
复铜(90％铜10％锌)
虽然曳光弹要比普通弹长一些，但还是轻一些。由图3.6可见，7.62×51毫米普通弹和曳光弹的密度及其长度差别是很大的，它们之间只有口径和弹头部形状是一样的。
曳光弹在飞行中的重量是随着曳光剂的燃烧而改变的。因此它的弹道系数和稳定系数也是不断改变着的。所以曳光弹和普通弹的弹道是不可能一样的。最多也只能使这两种子弹的弹道在要用曳光来观察弹着的常用射击距离范围内达到基本的一致。
弹丸重量的上限由下列因素决定。其一是要考虑到还需要一种比普通弹更长的曳光弹，而任何子弹的长度都是要受它的稳定性制约的(l／d要小于5)。其次是因增加弹重而使长细比增大的弹丸，稳定性下降，就需要减小膛线的缠度来提高转速，而这样做就会出现身管磨损问题。
为了满足弹丸能在较远的距离上穿透钢盔这一要求，小口径子弹都带有钢尖或钢芯。这种趋势可以从下表中看出，表中列出了各种不同的小口径弹丸的结构。
表3.4　弹丸的结构
北约7.62×51毫米
被甲铅心弹丸被甲通常是由复铜或涂铜钢制造的。
M193 5.56×45毫米
SS109 5.56×45毫米
被甲的钢尖＋铅心
AK74 5.45×39毫米
被甲的钢尖＋铅心原书为“被甲的铅尖＋钢心”
命中概率某些方面是与武器口径的选择有关的。其中最主要的有三个方面：最大弹道高度、风偏以及后坐。以下将依次叙述这三个问题，其它与命中概率有关的问题将在第五章中叙述。
　　最大弹道高度
如果忽略空气阻力的影响，而认为重力是射弹飞行期间作用在弹丸上的唯一的力，则弹丸飞行时的下降距离为：
　　　　S ＝ 0.5×gt^2
　　其中：S－下降距离
　　　　　g－重力加速度
　　　　　t－射弹飞行时间
表尺的装定考虑了这一点，因此弹丸是以一定的仰角而不是平行于地面发射的。最大弹道高度是指地面与弹道最高点之间的距离。图3.7是射手对目标的瞄准线，与修正了下降距离后的弹丸飞行弹道之间的关系。为了说明两者之间的差别，在图中作了有意识有夸张。
从F到T的实线是射手的瞄准线，虚线则是弹丸的弹道。如果目标是向射手方向运动的，那么尽管射手一直追随瞄准着目标，但在A点到B点之间的一段距离上由于弹丸超越目标顶部，目标是不会被击中的。提高初速就能使最大弹道高度下降。现代武器在300～400米以下的射击距离上只有一个表尺装定刻度，因此其最大弹道高必须很低。如果射手的目的是不让敌人前进，那么就有必要使其发射的弹丸大大低于人的高度。空气阻力不仅使弹丸的水平运动速度下降，同时也使其垂直下降速度减小。在考虑了空气阻力的条件下，在近距离上弹丸下降的高度如图3.8所示。
假定人员目标的平均高度为1.6米，而瞄准点选在目标中央，则高低偏差的允许范围为0.8米。由图3.7可以看出，对于初速大于750米／秒的武器来说，射距离在300米以内时使用一个表尺装定刻度就可以了。从图中还可以看出，为什么对于初速小的武器，正确地估测目标距离就更为重要。
侧风使弹丸偏离要求的弹道，风偏量不仅取决于风向和风速，同时也取决于弹丸的大小及其飞行时间。
当风向与弹道成直交时，风偏量最大。而斜风对方向的影响就稍小一些。风作用于弹丸的时间愈长，其影响也就愈大。因此，风偏量是随射程的增大而增大的。同样地，速度大的射弹要比速度小的射弹受风的影响小。弹丸的表面积愈小产生的风偏也愈小，但这种现象往往为小弹丸的质量也小所掩盖掉了。轻弹丸要比重弹丸更易于产生风偏。一般而言，速度和重量较大的射弹受横风的影响要小些。
人们认识到，进行点射时后坐量的大小会影响命中概率。但还没有可靠的证据证明单发射击时也是如此。武器在弹丸还没有脱离枪膛的时候就开始后坐了。通过精确的校正，应能消除这种影响，但这项工作必须在每个发射阵地上重新进行。这一点在战斗中是不可能有时间来做到的。这个问题将在第五章中详述。士兵在射击时，如果有肩部将受到一次沉重的撞击的顾虑时，他就会产生畏缩情绪，因此后坐过大是会降低命中概率的。
根据弹丸脱离枪管瞬间武器和弹丸的动量变化，即可确立武器重量与后坐之间的关系。
在第二章中已经给出了有关后坐量的数学表达式：
　　　　R ＝ (0.5(mv)^2)/M
　　其中：R－后坐能量
　　　　　M－武器质量
　　　　　m－弹丸质量
　　　　　v－初速
这是一个简化的公式，如果考虑了发射药气体的质量，就可以获得有关后坐量的更精确的公式。这些发射药气体增加了向前的动量。因此公式可改写为：
　　　　R ＝ 0.5×(v^2×(m + kc)^2))/M
　　其中：c－发射药质量
　　　　　k－与武器效率有关的常数，其值可由实验得出，一般在1.5～1.7之间。
弹丸的质量及速度应该较大为好。具体的数值要由在一定的距离上能贯穿特定目标的战术要求来决定。但士兵希望能有轻而后坐小的武器，可见上列公式是很难加以平衡的。表3.5是几种武器的后坐量。
表3.5　10种武器的自由后坐能量
弹药尺寸(毫米)
武器质量(公斤)
弹丸质量(克)
装药量(克)
初速(米／秒)
武器后坐速度(米／秒)
自由后坐能量(焦耳)
12目 GPrix
AKM突击步枪
“英格拉姆”冲锋枪
AK74突击步枪
L2A2冲锋枪
.HK33(带次口径发射装置)
　　影响命中率的诸因素
要想对命中概率问题进行明确的技术性说明是比较困难的。因为以下几个对命中率有影响的因素是矛盾着的。首先，弹丸的初速愈大则其弹道愈低，因而使得精确的目测距离和表尺装定的重要性下降了，这能提高命中率。其次，重量较轻而初速较小的弹丸由于使用重量较轻而后坐较小的枪支，使得射手能进行更精确的瞄准，因而能提高命中率。第三，重而初速大的的弹丸由于不易受风的影响，因而能提高命中率。对战士来说最简单的办法是按照目前使用装备的性能来提出命中率的要求，而不是使用定量化的术语。例如，对一种步枪及其弹药的命中率要求可用以下方法来描述：最大弹道高不超过北约的7.62×51毫米子弹的最大弹道高度；后坐量与美国的“阿玛雷特”步枪相差不多；风偏应小于M193 5.56×45毫米子弹的风偏等。
还有一个影响口径选择的重要因素，就是武器的膨胀比，即：
　　　　膨胀比 ＝ (枪管容积 + 弹壳容积) / 弹壳容积
这是有关发射药气体燃烧容积的测度。如果这个值太小，则膛口压力就会太大，枪的效率就会下降而且发射时火光很大。第二次世界大战时英国使用的5号步枪与4号步枪所用的子弹是一样的，但枪管短了163毫米。由图3.9中可见，5号步枪就必须装上较大的消焰器。
枪管长度较长，则在装甲车辆及建筑物内等空间不大的场合下使用时就很不方便。因此这个要求对膨胀比规定了一个上限。绝大部分现代枪支的膨胀比等于8，对于不需进行猛烈射击的枪支，将膨胀比下降到7也是可以的。
在枪管长度和膨胀比已定的条件下，也就把弹壳容积和口径限制在很小范围内了。假定膨胀比保持不变，那么随着口径的减小弹壳容积也必然减小。于是装药量也就要减少，从而使枪口能量下降。因此，对于特定的口径，膨胀比就确定了其枪口能量的上限。
图3.10是后坐能量，弹道的低伸程度，风偏以及膨胀比之间的关系。
这四种影响的地位是可以改变的，图3.10就是它们之间的相互关系。在前一节“影响命中率的诸因素”中已对这个问题作了较详细的介绍。对于较小的口径来说，可以看出是风偏和弹道的低伸程度决定着枪口能量的最低可接受限度。同时在这种情况下，与弹道的低伸程度相比，风偏的限制还较宽一些。枪口能量的上限是以可接受的后坐能量和膨胀比(身管长度)来限定的。如果枪管长度和后坐能量都允许增大，那么就可以获得较大的枪口能量，使弹丸在较大的距离上也能有效。而在口径较大时，后坐量较小的枪就不能取得为使弹道比较低伸而必须具备的枪口能量。这些标准之间的关系可通过调整各自的数值来加以改变。
在武器设计中，规定出对目标所要求的效果是很重要的。这就必须确定要射击的目标，以及它们在战场上可能具有的防护程度。根据这样的分析结果，就可以决定出弹丸应具有的撞击能量。能量的大小随弹丸的口径不同而异，并且应按目标防护程度的不同来提出不同的要求。另一个重要的因素是弹丸的有效射程。据此就可以计算出某种弹丸所必需具有的初速。弹丸的初速还取决于另一些因素，诸如：弹道的低伸程度、后坐能量、允许的风偏以及枪的长度等等。理想的战术要求往往很难全部满足，因此在设计中就必须进行折衷处理，特别是对于口径较大的武器更是如此。
自我测验题
1．影响弹丸杀伤力的因素有哪些？
2．影响弹丸贯穿能力的因素有哪些？
3．7.62×51毫米子弹的最大有效射程是多少？
4．使用重弹丸有什么优点？
5．使用大口径子弹有什么缺点？
6．弹丸太长会出现什么问题？
7．短身管有什么优缺点？
8．曳光子弹会引起什么问题？
9．影响弹丸性能的主要因素应按什么顺序来加以考虑？
10．选择通用机枪口径时会出现哪些相互矛盾的要求？表面活性剂对正己烷表观亨利系数的影响--硕士论文下载
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