浅析榴弹炮、坦克炮和高射炮的设计差异

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　——兼谈三用火炮的实用性

一、概要
　　本文主要讨论榴弹炮、坦克炮和高射炮这三种类型火炮在性能上的需求以及因此带来的设计上的不同点，只讨论火炮炮身，不涉及炮架和装载平台。其中坦克炮的概念同样适用于其他用于用于平射且能适应装甲战车狭窄空间的火炮，例如步兵战车/装甲侦察车/装甲突击车上面的机关炮和车载反坦克炮。
二、性能需求差异
　　首先简单介绍三种火炮性能需求上的差异。
　　榴弹炮属于低膛压火炮，主要用于间接射击，依靠可变装药和较大范围的射角拥有灵活多变的弹道，对炮口初速的波动十分敏感。榴弹炮要求持续射击能力强，甚至不排除以天为单位的连续射击，炮管的尺寸和重量限制则相对宽松。
　　坦克炮属于高膛压火炮，主要用于直接射击，射角调整幅度小，对炮口初速的波动不敏感。坦克炮对短时间爆发射速有较高要求，但不苛求长时间持续射击，为了能够塞进炮塔，炮管的尺寸和重量限制非常苛刻。
　　高射炮同样属于高膛压火炮，主要用于直接射击，射角调整幅度大，但是同样不依靠增减发射药改变射程，对炮口初速的波动十分敏感。高射炮对爆发射速和长时间持续射击能力的要求跟坦克炮一致，但炮管的尺寸和重量限制比坦克炮宽松。
　　必须强调的是，以上所列举的特性都是相对特性，即仅限于榴弹炮、坦克炮和高射炮这三者当中的比较。例如榴弹炮虽然在三者中属于低膛压火炮，但相对无坐力炮、迫击炮之类仍然属于高膛压火炮。三种火炮的特性在表格1中列出：

三、设计差异
　　性能需求上的差异必然带来设计上的差异。
（一）装药区别
　　榴弹炮以间接射击（曲射）为主，要求能够在高射角（大于45度）时通过改变装药和射角覆盖整个射程范围，因此必然采用可变装药并且拥有较多的装药号。为了实现可变装药大多选择分装弹，也有半定装弹（调整完装药后把弹头和药筒组装起来再发射）的实例。坦克炮使用定装弹和分装弹的都有，但是分装弹主要是为了解决狭窄空间内的装填问题，不依靠增减发射药改变射程。高射炮则至今为止未见到使用分装弹的实例。
（二）内弹道差异
　　发射药在炮管内燃烧推动弹头做功，其值为弹头受到的压力F乘以弹头移动的距离l，显然这个l不可能大于身管长度。其中压力F又等于膛压P和炮管截面积S的乘积，因此火药力对弹头做功=P*S*l。在整个内弹道中炮管的截面积S是恒定的，因此可以绘制出内弹道过程中膛压和弹头移动距离的关系图。

图1、膛压和弹头移动距离关系图示例
　　图中纵轴表示膛压，横轴表示弹头移动距离，红色竖线与横轴交点的l值等于身管长度，浅绿色阴影的面积乘上截面积S就是火药力对弹头做的功，显然这个值越大越好。

　　现代火炮通过调整发射药的药形和燃烧速度，可以在发射药燃烧的整个周期内膛压维持近似不变。发射药燃烧完毕后膛压持续下降，但只要火药推力还大于炮弹受到的空气阻力加上炮管摩擦力，弹头受力就仍然是正推力，火药力持续对弹头做功。因此从充分利用火药力的角度，炮管长度l的最优值是“膛压持续下降直至推力刚好等于阻力”时弹头前进的距离。但是从充分利用炮管长度的角度，炮管长度l的最优值是“发射药刚好燃烧完毕，膛压开始下降”时弹头前进的距离。两个最优值不可能一致，前者一定大于后者。
　　对于坦克炮而言，由于炮管的尺寸和重量限制最苛刻，宁可多费些火药也要保证炮管长度得到充分利用，因此坦克炮的长度l直接选择的就是后一个最优值——“发射药刚好燃烧完毕，膛压开始下降”时弹头前进的距离。因此理想的坦克炮内弹道中膛压和距离的关系是图2这样的：

图2、理想的坦克炮膛压变化曲线
　　到了榴弹炮这里事情变得复杂了。炮弹作为大批量生产的军工产品不可避免存在误差，每一发炮弹发射药的燃烧速度都不尽相同。如果按照跟坦克炮一样的原则设计炮管长度，实际射击时就会出现有些炮弹在发射药尚未燃烧完毕弹头就已经离开炮管的情况，发射药加工的误差直接转化成炮弹炮口初速的误差。坦克炮当然也有这个问题，但是坦克炮是直射武器，炮弹初速是1710米/秒还是1690米/秒，外弹道都不会有显著变化，属于可以容忍的误差。但是榴弹炮是曲射武器，初速的波动会直接造成炮弹落点远近的波动。因此榴弹炮内弹道设计的一个原则是让发射药燃烧完毕时炮弹前进距离l尽可能小于炮管长度，尽可能把发射药加工的误差消化在内弹道里。而且榴弹炮对炮管的尺寸重量限制也不如坦克炮那么苛刻，可以允许适当的长一些。因此理想的榴弹炮内弹道膛压和距离的关系是图3这样的：

图3、理想的榴弹炮膛压变化曲线
　　高射炮跟坦克炮一样属于高膛压火炮，但是高射炮需要精确确定炮弹的初速，很多现代高射炮因此还特地安装了初速测定装置。所以高射炮的内弹道设计同样需要让发射药燃烧完毕时炮弹前进距离l尽可能小于炮管长度，为此增加一定的身管长度和重量则是可以容忍的。例如苏联的D-10T坦克炮和KS-19高射炮使用同样的100×695弹药，这意味着发射药燃烧完毕的时刻一样，但是高射炮的炮管就比坦克炮长一大截。因此理想的高射炮内弹道膛压和距离的关系是图4这样的：

图4、理想的高射炮膛压变化曲线

三、两用/三用火炮的可行性
　　既然三种火炮在装药和内弹道的设计上有着巨大差异，那么还有可能设计出一种火炮同时满足三种用途吗？
　　如果不苛求“榴弹炮”，放宽成“间接射击的支援火炮”，那么能够同时充当三种角色（间接射击的支援火炮、坦克炮、高射炮）的火炮在历史上还是不少的。例如著名的法国Mle 1897 75mm野战加农炮，既是一战时期法国炮兵间接射击的主力装备，又安装在“圣沙蒙”坦克、M3“李”中型坦克、M4“谢尔曼”中型坦克上充当坦克炮，还曾经被改造成高射炮。当然事实证明这三个角色她都表现一般：当炮兵间接射击时毁伤力不足，当坦克炮时穿甲威力不足，当高射炮基本只具有有限的威慑作用。三种角色，不同的要求，都是凑合。
　　那么如果在三种角色的不同要求中“就高不就低”，选择坦克炮级别的高膛压、高射炮级别的长身管、榴弹炮级别的持续射击耐力，能够设计出一种满足三种用途（或者说满足两种、兼顾第三种）的火炮吗？
　　现代火炮中这样的例子还是有的，例如莱茵金属Rh202 20mm/L100机关炮和厄利空KBA 25mm/L80，既可以作高射炮，也可以做步兵战车的平射炮，还可以发射榴弹兼顾火力支援的用途。火炮本身比较小，各方面“就高不就低”，虽然完成各种任务时都有部分性能“过剩”，也是可以容忍的。
　　但是更大型的火炮就比较困难了。例如厄利空KDA/KDE 35mm/L90高射炮和ATK大毒蛇III机关炮，同样发射35×228的弹药，前者（KDE数据）身管长达3.15米，全长4.27米，全重510千克，后者身管仅有2.22米，全长4.02米，全重218千克。高射炮比平射用的机关炮重了一倍有余。所以KDE高射炮仅被日本的89式步兵战车采用作为主武器，大毒蛇III则被荷兰、丹麦、爱沙尼亚装备的CV9035采用，昔年的“黄鼠狼2”和M2布雷德利也曾经计划装备。
　　重量超过半吨的机关炮作为步兵战车主武器是个什么概念？这里列出其他一些步兵战车用机关炮的重量：
　　25mm/L87 大毒蛇I：119千克
　　30mm/L80 大毒蛇II：160千克
　　35mm/L50 大毒蛇III：218千克
　　30mm/L80 2A42：115千克
　　30mm/L80 L21A1“拉登”：110千克
　　至于口径看起来最吓人的博福斯40mm/L70，重量仅有175千克左右，比大毒蛇III还要轻一些。
　　相比之下，KDE这样的专业高射炮作为平射炮使用时“过剩”的性能已经过于沉重，89式步兵战车主炮没有安装稳定系统，不具备行进间射击能力，主炮过重难辞其咎。
　　综上所述，在火炮设计越来越强调挖掘每一分重量潜力的今天，想要设计出一种实用的、能够胜任三种不同角色的较大口径火炮是不现实的。

浅析榴弹炮、坦克炮和高射炮的设计差异
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　——兼谈三用火炮的实用性

一、概要
　　本文主要讨论榴弹炮、坦克炮和高射炮这三种类型火炮在性能上的需求以及因此带来的设计上的不同点，只讨论火炮炮身，不涉及炮架和装载平台。其中坦克炮的概念同样适用于其他用于用于平射且能适应装甲战车狭窄空间的火炮，例如步兵战车/装甲侦察车/装甲突击车上面的机关炮和车载反坦克炮。
二、性能需求差异
　　首先简单介绍三种火炮性能需求上的差异。
　　榴弹炮属于低膛压火炮，主要用于间接射击，依靠可变装药和较大范围的射角拥有灵活多变的弹道，对炮口初速的波动十分敏感。榴弹炮要求持续射击能力强，甚至不排除以天为单位的连续射击，炮管的尺寸和重量限制则相对宽松。
　　坦克炮属于高膛压火炮，主要用于直接射击，射角调整幅度小，对炮口初速的波动不敏感。坦克炮对短时间爆发射速有较高要求，但不苛求长时间持续射击，为了能够塞进炮塔，炮管的尺寸和重量限制非常苛刻。
　　高射炮同样属于高膛压火炮，主要用于直接射击，射角调整幅度大，但是同样不依靠增减发射药改变射程，对炮口初速的波动十分敏感。高射炮对爆发射速和长时间持续射击能力的要求跟坦克炮一致，但炮管的尺寸和重量限制比坦克炮宽松。
　　必须强调的是，以上所列举的特性都是相对特性，即仅限于榴弹炮、坦克炮和高射炮这三者当中的比较。例如榴弹炮虽然在三者中属于低膛压火炮，但相对无坐力炮、迫击炮之类仍然属于高膛压火炮。三种火炮的特性在表格1中列出：

三、设计差异
　　性能需求上的差异必然带来设计上的差异。
（一）装药区别
　　榴弹炮以间接射击（曲射）为主，要求能够在高射角（大于45度）时通过改变装药和射角覆盖整个射程范围，因此必然采用可变装药并且拥有较多的装药号。为了实现可变装药大多选择分装弹，也有半定装弹（调整完装药后把弹头和药筒组装起来再发射）的实例。坦克炮使用定装弹和分装弹的都有，但是分装弹主要是为了解决狭窄空间内的装填问题，不依靠增减发射药改变射程。高射炮则至今为止未见到使用分装弹的实例。
（二）内弹道差异
　　发射药在炮管内燃烧推动弹头做功，其值为弹头受到的压力F乘以弹头移动的距离l，显然这个l不可能大于身管长度。其中压力F又等于膛压P和炮管截面积S的乘积，因此火药力对弹头做功=P*S*l。在整个内弹道中炮管的截面积S是恒定的，因此可以绘制出内弹道过程中膛压和弹头移动距离的关系图。

图1、膛压和弹头移动距离关系图示例
　　图中纵轴表示膛压，横轴表示弹头移动距离，红色竖线与横轴交点的l值等于身管长度，浅绿色阴影的面积乘上截面积S就是火药力对弹头做的功，显然这个值越大越好。

　　现代火炮通过调整发射药的药形和燃烧速度，可以在发射药燃烧的整个周期内膛压维持近似不变。发射药燃烧完毕后膛压持续下降，但只要火药推力还大于炮弹受到的空气阻力加上炮管摩擦力，弹头受力就仍然是正推力，火药力持续对弹头做功。因此从充分利用火药力的角度，炮管长度l的最优值是“膛压持续下降直至推力刚好等于阻力”时弹头前进的距离。但是从充分利用炮管长度的角度，炮管长度l的最优值是“发射药刚好燃烧完毕，膛压开始下降”时弹头前进的距离。两个最优值不可能一致，前者一定大于后者。
　　对于坦克炮而言，由于炮管的尺寸和重量限制最苛刻，宁可多费些火药也要保证炮管长度得到充分利用，因此坦克炮的长度l直接选择的就是后一个最优值——“发射药刚好燃烧完毕，膛压开始下降”时弹头前进的距离。因此理想的坦克炮内弹道中膛压和距离的关系是图2这样的：

图2、理想的坦克炮膛压变化曲线
　　到了榴弹炮这里事情变得复杂了。炮弹作为大批量生产的军工产品不可避免存在误差，每一发炮弹发射药的燃烧速度都不尽相同。如果按照跟坦克炮一样的原则设计炮管长度，实际射击时就会出现有些炮弹在发射药尚未燃烧完毕弹头就已经离开炮管的情况，发射药加工的误差直接转化成炮弹炮口初速的误差。坦克炮当然也有这个问题，但是坦克炮是直射武器，炮弹初速是1710米/秒还是1690米/秒，外弹道都不会有显著变化，属于可以容忍的误差。但是榴弹炮是曲射武器，初速的波动会直接造成炮弹落点远近的波动。因此榴弹炮内弹道设计的一个原则是让发射药燃烧完毕时炮弹前进距离l尽可能小于炮管长度，尽可能把发射药加工的误差消化在内弹道里。而且榴弹炮对炮管的尺寸重量限制也不如坦克炮那么苛刻，可以允许适当的长一些。因此理想的榴弹炮内弹道膛压和距离的关系是图3这样的：

图3、理想的榴弹炮膛压变化曲线
　　高射炮跟坦克炮一样属于高膛压火炮，但是高射炮需要精确确定炮弹的初速，很多现代高射炮因此还特地安装了初速测定装置。所以高射炮的内弹道设计同样需要让发射药燃烧完毕时炮弹前进距离l尽可能小于炮管长度，为此增加一定的身管长度和重量则是可以容忍的。例如苏联的D-10T坦克炮和KS-19高射炮使用同样的100×695弹药，这意味着发射药燃烧完毕的时刻一样，但是高射炮的炮管就比坦克炮长一大截。因此理想的高射炮内弹道膛压和距离的关系是图4这样的：

图4、理想的高射炮膛压变化曲线

三、两用/三用火炮的可行性
　　既然三种火炮在装药和内弹道的设计上有着巨大差异，那么还有可能设计出一种火炮同时满足三种用途吗？
　　如果不苛求“榴弹炮”，放宽成“间接射击的支援火炮”，那么能够同时充当三种角色（间接射击的支援火炮、坦克炮、高射炮）的火炮在历史上还是不少的。例如著名的法国Mle 1897 75mm野战加农炮，既是一战时期法国炮兵间接射击的主力装备，又安装在“圣沙蒙”坦克、M3“李”中型坦克、M4“谢尔曼”中型坦克上充当坦克炮，还曾经被改造成高射炮。当然事实证明这三个角色她都表现一般：当炮兵间接射击时毁伤力不足，当坦克炮时穿甲威力不足，当高射炮基本只具有有限的威慑作用。三种角色，不同的要求，都是凑合。
　　那么如果在三种角色的不同要求中“就高不就低”，选择坦克炮级别的高膛压、高射炮级别的长身管、榴弹炮级别的持续射击耐力，能够设计出一种满足三种用途（或者说满足两种、兼顾第三种）的火炮吗？
　　现代火炮中这样的例子还是有的，例如莱茵金属Rh202 20mm/L100机关炮和厄利空KBA 25mm/L80，既可以作高射炮，也可以做步兵战车的平射炮，还可以发射榴弹兼顾火力支援的用途。火炮本身比较小，各方面“就高不就低”，虽然完成各种任务时都有部分性能“过剩”，也是可以容忍的。
　　但是更大型的火炮就比较困难了。例如厄利空KDA/KDE 35mm/L90高射炮和ATK大毒蛇III机关炮，同样发射35×228的弹药，前者（KDE数据）身管长达3.15米，全长4.27米，全重510千克，后者身管仅有2.22米，全长4.02米，全重218千克。高射炮比平射用的机关炮重了一倍有余。所以KDE高射炮仅被日本的89式步兵战车采用作为主武器，大毒蛇III则被荷兰、丹麦、爱沙尼亚装备的CV9035采用，昔年的“黄鼠狼2”和M2布雷德利也曾经计划装备。
　　重量超过半吨的机关炮作为步兵战车主武器是个什么概念？这里列出其他一些步兵战车用机关炮的重量：
　　25mm/L87 大毒蛇I：119千克
　　30mm/L80 大毒蛇II：160千克
　　35mm/L50 大毒蛇III：218千克
　　30mm/L80 2A42：115千克
　　30mm/L80 L21A1“拉登”：110千克
　　至于口径看起来最吓人的博福斯40mm/L70，重量仅有175千克左右，比大毒蛇III还要轻一些。
　　相比之下，KDE这样的专业高射炮作为平射炮使用时“过剩”的性能已经过于沉重，89式步兵战车主炮没有安装稳定系统，不具备行进间射击能力，主炮过重难辞其咎。
　　综上所述，在火炮设计越来越强调挖掘每一分重量潜力的今天，想要设计出一种实用的、能够胜任三种不同角色的较大口径火炮是不现实的。