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[達人專欄] 槍械基本原理No. 0 彈藥與槍械的技術演進(下)

作者:子珅│2022-09-03 10:12:02│巴幣:3,476│人氣:2950
(上篇)

在上一篇,我介紹到了彈藥的點火方式如何演進到中央式底火,今天則要從火藥的改朝換代開始。

無煙火藥
在真的開始進入無煙火藥的介紹之前,我想先說清楚兩件事:
1. 與黑火藥不同,無煙火藥指的是一大堆不同種類火藥的總稱,而不是單一一種火藥。
2. 無煙火藥不是完全沒有煙,只是在輕兵器上使用基本上感覺不到煙,在大型火炮上還是可見的。

黑火藥一直是數百年來的唯一主流火藥,但這並不代表黑火藥沒有缺點,相反的,黑火藥的問題非常多(想不到吧)。首先,黑火藥每次燃燒後都會有大約55%的質量變成殘餘物留在槍管裡,這有許多影響,包含腐蝕槍管、裝填困難與需要大量清理等等,就算到了後裝槍時代也可能造成複雜結構被殘留物卡住。

發現
雖然如此,一直到一場幸運的意外之後,才有人開始試著使用新的火藥。1846年時,有一名瑞士化學家克利斯蒂安·尚班(Christian Schonbein)被他夫人禁止在家做實驗,但克利斯蒂安很皮,他會在他老婆出門的時候偷偷在家做實驗,結果1845年有一天他不小心在廚房裡潑了一地濃硫酸與濃硝酸的混和液,他馬上用他老婆的棉製圍裙把那堆強酸擦掉,然後掛在爐子上烘乾,沒想到那件圍裙突然間就燒掉了,而且幾乎沒有灰燼。對化學比較熟的讀者可能已經知道了,克利斯蒂安意外製作出了硝化纖維。

克利斯蒂安意外發現硝化纖維,1845年,藝術家詮釋。

因為這次的意外,克利斯蒂安踏上了偉大的征途,最後在其他化學家的協助下發展出了世界上第一套硝化纖維的製程,先以一分的棉纖維對上十五份的濃硝酸/濃硫酸一比一混和溶液,浸泡兩分鐘後以冷水洗去酸液,之後陰乾。硝化纖維是人類第一種無煙火藥,其產生的熱比等重黑火藥少、幾乎無燃燒殘留物,而且產生的爆炸有六倍的推動力。雖然如此,硝化纖維在槍枝中的使用試驗中被認為太不穩定,所以很快就被英國、法國與普魯士政府放棄,但其中法國並沒有放棄無煙火藥的潛力,繼續實驗讓無煙火藥穩定下來。

硝化纖維工廠的當代描繪。

實用化與製程與改進
1884年,法國化學家保羅·維埃耶(Paul Vielle)發現了一種製程,可以進一步將硝化纖維穩定,他的做法是用酒精與乙醚的混和液糊化(gelatinize)硝化纖維,之後將糊狀物壓成薄薄一層,最後切成小塊再用2%二苯胺溶液穩定。這樣處理的硝化纖維除非被加壓,否則不會爆炸(而只會燃燒),而且與黑火藥不同,這產物就算濕了也能使用,爆炸產生的推力是同體積黑火藥的三倍。

※我是認為我們的化學品管制夠嚴,而且如果有人真的打算犯罪要用火藥,他們也只會去拆現成的空包彈,所以我寫出來沒差,以下皆同。

長這樣:

新的顆粒狀火藥被命名為Poudre B(B火藥),並且被列為法國國家機密,很快也製造出了使用Poudre B的新的口徑與伴隨的步槍,分別是8×50mmR Lebel與Lebel Mle 1886步槍。

在當年是最新潮的步槍彈,不過很快就過時了,這是1870年代到1900年代之間大多數槍枝的命運,8×50mmR Lebel也不例外。

Lebel步槍。

Lebel步槍激起了繼中央底火彈藥後的新一波軍備競賽,第一個競爭對手在1888年由諾貝爾獎設立者阿佛列·諾貝爾(Alfred Nobel)製造出的,他的配方是45%硝化甘油、45%硝化纖維與10%樟腦混和。他在蘇格蘭設廠生產這種火藥,名稱為Ballistite。

使用Ballistite的散彈。

1889年,英國成立了一個「爆裂物委員會(Explosive Committee)」來觀察其他國家或民間的無煙火藥發展。他們弄到了一些Poudre B與Ballistite的樣品做測試,但是英國認為這兩種都不適合採用。委員會中的兩個成員於是自己測試不同的火藥成分,最後測試出了新的一種火藥,使用58%硝酸甘油、37%硝化纖維與5%凡士林,用丙酮溶解成糊之後,壓過有小孔的模具,製成1~5mm直徑的絲狀物,之後再切成適用大小使用。因為成條狀,這種火藥被命名為Cordite。

被拆開的.303 British與裡面的義大利麵Cordite。

Cordite的特點在於這些條狀物必須要在密閉空間才會爆炸,在開放空間內Cordite只會慢速燃燒,有著黃色火焰;另外Cordite也非常抗震,就算使用Cordite的彈藥被直接射擊命中也不會爆炸。

有趣的是,Cordite的兩名發明人有被諾貝爾告過,因為諾貝爾覺得他們兩個只是微調了他的配方而已,這個案子甚至一路鬧到了上議院,最後諾貝爾敗訴。

Cordite有多種不同版本,因為最早的Cordite Mk. 1一樣會腐蝕槍管,所以Mk. 2配方被調為30%硝化甘油、65%硝化纖維與5%凡士林,不過這導致Mk. 2的威力比Mk. 1低,所以使用Mk. 2的彈藥需要使用Mk. 1的1.15倍份量才能補足威力。

Cordite依然持續演進,有版本如海軍使用的Cordite RDB(一戰中由未來以色列第一任總統哈伊姆·魏茨曼調出的,免去了丙酮的使用)、Cordite SC(戰間期研發的,一樣免丙酮,使用在大型火炮中)、Cordite N(二戰中,多混了硝基胍)等等。Cordite到二戰中期開始被更新的火藥取代,最後在20世紀末停產。

我當然沒辦法介紹所有的無煙火藥,不過我會繼續寫一些影響比較大的。在一戰中,杜邦公司(DuPont)開始設計自己的無煙火藥,稱為IMR(Improved Military Rifle),這個產品線也是在兩次大戰中不停發展,配方是硝化纖維加上少許二硝基甲苯、石墨、二苯胺與硝酸鉀。二硝基甲苯可以降低燃燒速率到可用的程度,石墨用以消除靜電,二苯胺穩定,最後硝酸鉀用來減少槍口焰。IMR是擠壓成型的,在過程中成棍狀,所以有時候會被叫"stick powder"。

1940年的IMR。

IMR有非常多不同版本,使用的範圍極廣,從.30-06到7.92mm Mauser都使用過IMR,並且到現在還在市面上販售。

1933年,球狀火藥被發明,製法是用乙醚溶解硝化纖維滴入水中,這會形成球狀的硝化纖維,之後再加入硝化甘油加強威力、二苯胺或類似的物質降低燃燒速率。

球狀火藥有不少優點,其中比較重要的有:生產省時,大多數無煙火藥需要數個月製成,杜邦把IMR的生產時間壓到兩周,但球狀火藥可以在兩天內完成;球狀火藥生產時容易去除過多的酸,避免被過量的酸隨時間劣化,所以貯存期比其他類型火藥還長;球狀火藥的生產比較安全,因為成形是在水下完成,而且需要的特殊機具也少很多。球狀火藥在1950年代開始變得很普遍。

不同的無煙火藥有著不同的特性,不過概括起來說,無煙火藥都有著遠比黑火藥更高的膛壓,並且讓自動槍枝可以不被殘留物卡住,開啟了氣動槍枝的時代。黑火藥在1890年代開始在民用市場上被取代,並且促成約翰·白朗寧開創出一個一個新的槍枝類別。

要注意的是,黑火藥彈藥並不是不可能被用在自動槍枝中,像是Maxim機槍有使用.577/450 Martini–Henry的版本,但這是因為Maxim機槍使用的運作原理是結構很簡單的後座式,所以還算是可以承受一些髒污,在氣動式槍枝上,黑火藥很快就會阻塞住導氣系統,讓槍枝難以運作;就算是在其他種類的自動槍枝上,髒污還是一樣很容易影響運作。

無煙火藥有很多有趣的點,像是燃燒速率可以變化的範圍相當的大,由於無煙火藥燃燒速率在越高的壓力下越快,所以在密閉空間內引爆無煙火藥會導致一個正回饋。因此,手槍彈的火藥會比步槍彈的火藥還要燃燒的更快更spicy,因為手槍槍管長度明顯比步槍的更短,所以火藥必須在更短的時間內燒完,才不會有太多火藥在槍口外燃燒變成浪費;步槍彈則相對會希望降低燃燒速率,配合因為較長槍管而增加的燃燒時間,可以不讓最高膛壓過高而導致在設計槍枝時需要把過多的質量與材料浪費在加強槍機上。

因為這樣的設計,在把步槍縮短成卡賓時常常會發生有龐大槍口焰的狀況。槍口焰是由沒有在槍管內燒完、被噴到槍口外才燒掉的火藥造成的,而槍管越短就會有越多火藥來不及被燒掉就被噴出槍口,產生更大的槍口焰;如果用手槍用火藥裝填一顆步槍彈,然後拿一把普通的步槍發射那發子彈,那這把步槍很有可能會因為膛壓過高而膛炸。

把無煙火藥用在黑火藥槍枝中是絕對的禁忌,因為無煙火藥產生的膛壓比黑火藥大得多,這麼做等於是把你的黑火藥槍枝變成炸彈。

到了這裡,我們已經得到了現代主流的彈藥結構:無煙火藥、中央式底火、銅殼彈。當然還有很多我沒提到的東西,像是子彈本身,以及我不知道要塞哪裡的鋼殼彈,和歷史上的一些實驗性科技如無殼彈、可燃式彈殼、塑料彈殼與電擊發,這些會有補充的文章,不過我現在介紹過的部分已經可以讓我處理之後的其他概念了。
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留言共 5 篇留言

大大
所以我們所熟悉的【子彈】並不是一個人的發明,而是經過一群人不停改良與結合前人的創作所得來的東西

09-03 10:50

卡滋厚切洛排(央夜)
義大利麵 笑死

09-03 14:49

井爵
請問Cordite本身會腐蝕槍管的成分是丙酮嗎?

丙酮和槍管金屬的化學反應式是如何?

為什麼查不太到?

以上問題麻煩子坤大解惑,謝謝!

09-04 16:38

子珅
不是丙酮喔,他們要去除丙酮是因為在戰爭期間比較難用這麼大量的丙酮來製造Cordite,所以找替代物

造成腐蝕的是比例過高的硝化甘油會在擊發彈藥時造成過高溫度導致侵蝕,加上當時的底火都有腐蝕性,所以問題加重09-04 17:09
井爵
謝謝子坤大的回答,想再請教一下,底火的成分是哪一種東西才有腐蝕性?

09-04 17:39

子珅
氯酸鉀,擊發之後留下的鹽類有腐蝕性09-04 17:45
井爵
感謝子坤大的回答! > w < b

09-04 17:46

子珅
不客氣ㄛ09-04 17:47
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