[心得] 蒙斯·梅格的威力與彈道分析

作者: helldog (媽寶地狗)   2022-11-28 00:13:49
圖文版:https://zhuanlan.zhihu.com/p/586854721
蒙斯·梅格(Mons Meg)是一門典型的15世紀巨型轟擊炮(bombard),砲重6.97噸、炮長
4.06公尺、口徑有510mm、發射175 公斤重的花崗石彈。
1454 年,好人菲利普把此炮作為禮物送給蘇格蘭國王詹姆斯二世;1455年詹姆斯二世圍
攻Threave城堡,蒙斯·梅格就是攻城火炮之一,1540年,這門火砲退休,被帶到愛丁堡
當裝飾;此後,只有在重大慶典,蒙斯·梅格才會被當作禮炮,為典禮錦上添花;1558年
7月3日蘇格蘭女王瑪麗與法國王太子婚禮時,蒙斯·梅格再次發出怒吼,工人在2英里外
找回炮彈。
1680年10月30日,為了慶祝奧爾巴尼和約克公爵-詹姆斯(未來的英國詹姆士二世)到訪,
蒙斯·梅格又充當一次禮炮,當英國砲手裝上火藥後,這門炮卻炸膛了;對此,蘇格蘭人
認為是英國人蓄意破壞,因為它們妒忌蘇格蘭人有這樣大的大砲,當然有更多的耳語說這
是國王藥丸的象徵,1688年,蘇格蘭與英國共同的國王詹姆士二世在光榮革命中被趕下台

蒙斯·梅格的結構
蒙斯·梅格分為兩個不同的部分,藥室和炮管;藥室長 1.16公尺,直徑最寬是0.59公尺
,最窄是0.53公尺;炮管長度為2.88公尺,最寬是0.75公尺,最窄是0.63公尺;炮管是由
25根鍛鐵條排成中空的桶型,然後用33個箍固定到位;箍在爐子中加熱,然後放置在鍛鐵
條上,當箍冷卻時,它們會收緊以將槍管固定在一起。
彈丸是砂巖或花崗石做的,史料紀載蒙斯·梅格使用過130-140公斤的砂巖彈或160-170公
尺的花崗石彈;火藥的分量在史料沒有紀錄,學者推斷可能是29.5公斤或34公斤。
蒙斯·梅格的內彈道
彈丸在管內的運動被稱為內彈道;內彈道的過程如下圖:一旦引火藥被點燃,熱氣體被強
制進入膛內,導致壓力迅速增加,熱量被推進劑吸收,壓力下降;接者推進劑表面能夠點
燃,反過來釋放更多的熱氣體,這再次增加膛內的壓力,直到彈丸開始移動,這被稱為發
射開始壓力(Shot Start Pressure)。然後體積逐漸增加,氣體體積增加等於彈丸運動引
起的體積增加;一旦超過了峰值壓力(Peak Pressure),彈丸運動的距離超過了氣體產生
的體積,壓力就下降了。一旦所有推進劑被全部燃燒(All burnt),氣體膨脹是處於熱力
學的絕熱過程,直到彈丸離開槍口(Muzzle)。
為了要測試蒙斯·梅格的內彈道,我們需要先知道蒙斯·梅格使用的火藥配方;因為史料
並無提及,學者採用14~16世紀常用的三種配方,該配方產生的氣體壓力與彈丸初速[註]
如下:
火藥配方 壓力(MPa) 彈丸初速(m/s)
14世紀 John Arderne Feuerwerkbuch 44–51 328.6
16世紀 Whitehorne 22–25 231.1
16世紀 Bruxelles 66–76 385.4
17世紀 British government Formula 92-105 425.3
把14~16世紀這三個初速平均,得出的初速是315m/s,以此初速作為計算蒙斯·梅格的外
部彈道參數。
註:Proteus是由Lab Center Electronics公司推出的EDA軟體,用於計算氣體燃燒和內部
壓力,因為蒙斯·梅格已經是個骨董,無法對該炮進行實際測試,所以只能使用軟體進行
模擬;蒙斯·梅格的彈丸初速就是由此軟體估算出來的。
學者採用QinetiQ公司使用的QQ-BDAS軟體,該軟體用在火砲設計;安全最大壓力(The
Safe Maximum Pressure)是QQ-BDAS預測大炮在不受傷害的情況下所能承受的理論最大壓
力;最大內部壓力(WH)顯示了氣體壓力沿剖面的理想傳播;安全裕度(The Margin of
Safety)的計算方法是安全最大壓力與最大內部壓力的比值,QQ-BDAS沿者火炮的每個點進
行評估,安全係數從1.3~9.6不等;安全係數1.3時,位於危險的邊緣。
QQ-BDAS預估蒙斯·梅格最脆弱的地方位於距離藥室0.2公尺~0.58公尺,這個位子的安全
係數最低;其安全係數下降的原因是砲管為了容納砲彈,口徑急遽增大;QQ-BDAS預估的
位置與蒙斯·梅格破損的地方(砲管第3箍到第7箍)相比,十分接近。根據論文A
technological success in the 15th century: Jehan Gambier's Mons Meg的說法,蒙
斯·梅格能承受的壓力是87MPa,當壓力超過110Mpa,砲管就會破裂。
該圖顯示14~17世紀,常用火藥配方所帶來的壓力值,以Whitehorne這個配方來說,它產
生的壓力大約在20~25MPa之間;而17世紀英國使用的官方規定配方(British government
Formula),壓力值則高達110MPa。16世紀的士兵填入29.5公斤或34公斤的火藥,對蒙斯·
梅格來說是安全的,但17世紀火藥威力大於16世紀,1680年那次的射擊,英國士兵使用的
肯定是英國官方的配方,如果再填入相同的藥量,蒙斯·梅格焉能不爆?
蒙斯·梅格的外弹道
當彈丸離開槍管後,子彈的彈道被稱為外彈道;法勒對外彈道的解釋是一旦彈丸離開槍身
,受到氣體逸出的影響,就開始了稱為外彈道的飛行。
外彈道的影響因子可以參考此篇:媽寶地狗:[仙草]17世紀的火槍彈道
角度 10 15 30 40 45
射程(m) 2207.2 2888.5 4106.8 4413.3 4432.1
上圖是角度對蒙斯·梅格射程的影響;跟大家知道的一樣,角度為45°時,射程是最大的
;有趣的是,在10°和30°之間,彈丸速度是下降,原因是彈丸飛行彈丸的時間長,受到
的空力阻力的影響更大;然而,在30°和45°之間,彈丸速度再次增加。原因是彈丸到達
了更高的高度,重力產生的加速度有更大的影響;下表顯示了射程隨初速的變化:
彈丸初速(m/s) 210.8 299.4 388.0 432.3
射程(m) 1750.1 2880.3 4082.0 4647.8
蒙斯·梅格的火炮威力
江湖傳說,1455年詹姆斯二世圍攻Threave城堡,據說蒙斯·梅格發射的第一枚砲彈,打
穿3公尺厚的城牆,打斷了瑪格麗特的手,那時瑪格麗特正在跟道格拉斯伯爵喝酒;但江
湖傳說是真的嗎?學者做了一系列的測試。
當代城堡建築通常使用當地採購的石頭和巖石,這些石頭和巖石只是從地上撿起來的,這
意味著大多數城堡牆壁中的石頭尺寸非常的大小不一,因此在模擬中復制這種結構是困難
的。因此學者改成另一種方式,學者用DYNA3D建立模型,在模型中設計出一道磚牆,該磚
牆是由260 mm × 260 mm × 520 mm的磚所建成的;磚是由抗壓200MPa的混擬土造成(模
擬花崗巖的最小抗壓強度),磚與磚之間的用石灰砂漿黏住,石灰砂漿的抗壓值設為1.5
MPa(0.58MPa與 2.37MPa的平均值)。
當砲彈以319.1m/s的初速撞向第一道磚牆時,貫穿後還能以162m/s的速度撞向第二道磚牆
;貫穿第二道磚牆後,再以60m/s的速度撞向第三道磚,最後以24m/s的速度撞向第四道,
然後被第四道擋下。
結論
從模擬可知,蒙斯·梅格的砲彈不足以貫穿1公尺厚的花崗巖牆,所以要貫穿3公尺厚的
Threave城堡之牆,是不可能的;蒙斯·梅格的重量太大,重達6.9噸,加上它的砲車3.5
噸,在運送上是困難的,需要幾十匹馬要拉它;由於火藥量巨大所產生的巨大威力,為了
安全,蒙斯·梅格被規定每天只能發射8-10次;低射速、危險、威力不足、低劣的機動力
,讓這類的巨型轟擊炮最後被青銅鑄造的加農砲所取代。
後記
雖然現在某些兩岸軍事史也用科學方法與模型模擬來進行研究,但相較於廣度與深度,跟
洋人相比, 還是有差距;舉例來說,以洪武大砲をめぐって 明前期の火砲技術および制
度の一斷面這篇論文來舉例,雖然也做壓力分析,但就淺淺帶過;與The ballistic
performance of the bombard Mons Meg這篇文相比,有趣程度、科學方法分析與深度就
淺多了。
參考資料與出處
The ballistic performance of the bombard Mons Meg
洪武大砲をめぐって 明前期の火砲技術および制度の一斷面
作者: LUDWIN (暑假已經過完了)   2022-11-28 09:55:00
作者: PAULDAVID (oops)   2022-11-30 22:02:00
祖宗之(藥)法不可廢 某種程度居然是對的

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