清疯

这篇文章我想要讨论一个纯技术性问题。很多人都喜欢讨论欧洲火炮是什么时期超越了中国，或者说欧洲火炮的先进之处。

每当在网上看这类月经问题时，我都很想翻一个大大的白眼。

因为网络世界尬吹了这么多年欧洲的火炮却连欧洲火炮究竟比同期大萌本土火炮先进在什么地方都搞不清楚，反而丢出来无数令人啼笑皆非的暴论，拿炮大小炮重量，炮弹重量出来比的最常见，还有什么冶金技术啊、弹道学啊、等等莫名其妙的东西。

比大小比冶金，比得过那口永乐大钟再说。至于弹道，连牛津的技术史都不得不承认直到17世纪，欧洲的炮手们都在依靠个人经验瞄准而不是使用当时并不靠谱的弹道学。而明人虽然没总结计算过弹道公式和计算工具，但是凭借经验，把炮口垫高一寸能打几里，垫高两寸能打几里这种粗浅的弹道理论应用还是很清楚的。



在实心球型弹丸的时代，炮弹要想打的远，具有足够的威力只能依赖增加弹丸的动能。

动能 = 1/2 * 质量 * 速度的平方 = 1/2 * 密度 * 4/3πD立方*速度的平方。

为了增加火炮的威力，要么增加炮弹的速度，要么增加炮弹重量。在确定好炮弹的材质前提下，增加炮弹质量，就会加大火炮的口径。增加火药，又容易炸膛，于是不得不加厚炮壁，重量越来越大。

出于抛石机的启发，早期的火炮为了追求威力很粗暴简单的将火炮口径越做越大，以便投射更重更大的弹丸，以增加炮弹的动能，增加火炮威力。因此在15世纪早期，欧洲出现了众多的射石炮(Bombard)。但是，这是误入歧途！



而东方在元末明初时期，为了攻克城池，也曾出现过重达1100斤的碗口铳，碗口内径达一尺八寸。可以发现东西方在早期火器发展的思路是完全一样的，将炮口做得更大，投射更大更重的弹丸。这样带来的问题就是火炮越来越重。

众多的射石炮中以1453年的乌尔班巨炮为代表。

其重量达到了16,800kg，长518 cm，口径1,054 mm。这种火炮虽然很大，但是其威力并不能匹配这个巨大身躯，尽管它的炮弹重达1027.5kg。



计算一下就可以知道，它的倍径比大约只有5。过低的倍径比使火药燃烧产生的能量在尚未做功到弹丸上就从炮口处浪费掉了。更不要讲欧洲早期射石炮还在使用粉末火药。火药常常塞满整个炮管，石弹则突出在炮管外面，因此发射谈不上什么精确度，而且初速也低。为了提高炮的效能，不得不将炮放到离城墙很近的地方，这样石弹才能轰击到目标[1]。

事实上这门火炮自诞生后在战场上的表现并不理想，奥斯曼寄希望它毁坏君士坦丁堡的城墙，但事实上它带来的更多是对守军心理上的震撼，实际杀伤效果有限[1]。

更可怕的是，为了运输这门巨炮，苏丹付出了四百人和60头牛作为运输的代价，显然这种火炮机动性差到了极点。并且过大的火炮制造上也将带来很多风险，例如炸膛，制造乌尔班炮的乌尔班本人很不幸的成为了炸膛的牺牲者，并且火炮的制造费用也令一般国家难以承受。

不断加大火炮的口径，增大火炮的重量显然不是一条正确的道路，火炮需要在威力射程与重量面前找到合适的平衡点。

明朝这边则在冶金技术的支持下开始追求装填更多火药，即明军常用的倍装法，给火炮塞进成倍比例的火药，熊廷弼就曾用倍装火药法试验吕宋大铜炮，将其炸裂，然后洋洋得意的告诉朝廷吕宋大铜炮很差，不如锻造法制造的灭虏炮[2]。但是其实这也不是一条正确道路，欧洲18世纪的研究表明，同一种火炮增加过多的火药，增加的威力极其有限，火药能量大部分都被浪费了，并更多带来炸膛的风险[3]，通常情况下，火药与弹重的比例为1:2更为合适。灭虏炮除了因为采用锻造低碳钢更结实之外，低倍径比使大量火药能量从炮口过早的溢出浪费也是未炸膛的原因所在。

革命性的技术产生时间为16世纪中叶，欧洲寻找到了一个平衡火炮重量与威力的技术点，就是这个技术点奠定了欧洲火炮的基础，乃至从16世纪影响到19世纪，欧式火炮一直在遵循这个设计思想制造火炮。

这个技术点就是火炮“模数”：所谓火炮模数，即炮身各处尺寸与火炮内口径之比。即包括各处壁厚与口径之比，也包括身管长度与口径之比（身管从火门到炮口的长度与口径之比通常叫倍径比）。意大利人哈曼特发明了一个口径比例表，认为炮管长度为17~18倍口径最为合适，然后按火炮各部位与炮口直径的比例去计算各部位的尺寸。1598 年Capobianco的《实用炮学手册》出版，详细记载了火炮模数的理论。在中国，西法党在传教士的帮助下翻译了这本书，并将模数的概念引入了中国。[4]

只有按照一种科学的固定的比例设计火炮的各个部位的尺寸，火炮才能取得重量与威力之间的最佳平衡。



《火攻挈要》铸造战攻守各铳尺量比例诸法记载：

西洋铸造大铳，长短大小厚薄尺量之制着实慎重，未敢徒恃聪明创臆妄造，以致误事，必依一定真传比照度数推例。其法不以尺寸为则，只以铳口空径为则，盖谓各铳异制尺寸不同之故也。

将火攻挚要的攻铳、战铳、守铳数据列出如下：



也就是说，假设口径为a，则火门药室位置的炮身外径为3a，以此逐渐缩小外径直到炮口，炮口外径则为2a。依此法铸造就是我们所孰知的红夷大炮经典的纺锤体外型。这种设计很好的兼顾了重量与威力的平衡，炮身各处承受应力均衡，避免付出很多无用的重量。

此外，根据欧洲长久摸索出来的经验，根据模数理论确定的火炮倍径在22倍左右威力射程可以达到一个较理想的区间。

以模数理论计算，辽宁博物馆所存崇祯十五年吴三桂铸的定辽大将军炮，依此计算当为33倍径的战铳，天启四年泉州那两门22倍径铁炮则为攻铳。

当然，火攻挚要所述模数比例的前提是火炮材质为青铜，如果有更好的材料，壁厚与口径比例可以适当缩小以减少炮重。鸦片战争时期的英国火炮，采用灰口铸铁再加上更精良的铸造加工，身管模数比例就有所降低，炮壁厚度减薄。根据学者刘鸿亮的测算[5]，英国大部分火炮炮口外径与内径之比在1.2~1.8之间，低于模数2，炮壁减薄重量减轻，机动性更佳。

了解完模数之后再回顾一下明朝本土设计的火炮，以明前期洪武大铁炮和明中期锻造大将军炮这两门典型明炮为则，借助有限元分析可以计算出两种火炮的应力分布图[6]。





从应力分布图上可以看出，洪武铁炮的药室部分承受应力不足，有炸裂的风险。从药室到炮口，承受应力逐渐增强。身管应力水平有点过大，换句话说，洪武铁炮药室厚度不足，而炮身因为各处壁厚一致，实际上付出了相当多没有用处的重量。火药燃烧之后，药室部位受力最大，向炮口逐渐减轻，炮管壁厚前后一致完全没有意义。



锻造大将军炮从药室到身管各处可承受应力都是足够的，不会有炸膛风险。但是炮管前后壁厚一致，且有九道铁箍，设计的应力水平过高，显然炮壁过厚，尤其是9个铁箍纯粹成为了增加无用重量的东西。炮底部更加厚重，付出了无用的重量。这大概也是明军使用倍装火药法的产物。其实明人也意识到了铁箍的无用之处，于是就有人将铁箍去除，设计出了威远炮，炮重减少威力不变。



除此之外，无论是将军炮还是威远炮，以及戚继光设计的虎蹲炮，倍径比都在10-12之间，身管过于短小而威力不足。

#你有多久没读书了#明朝倒是也有百花齐放火器大创新的时期即嘉隆万三朝，武备志记载的大多是这类花里胡哨没什么屌用的玩意，被戚继光这类将领一一废除，真正到明末保留下的还常用的本土发明也不过是锻造将军，百子，快枪，灭虏威远之类火器，毕竟实践是检验的唯一真理。

显然，明朝火炮因为缺少模数理论，在火炮威力与重量之间始终找不到合适的平衡点，各类火炮要么付出了很多无用的重量，要么壁厚不足产生炸膛风险。直到引入欧洲模数概念后，纺锤体的红夷大炮在中国开始大量普及。

模数理论在引入中国之后，随着清朝闭关锁国，于乾隆时显然失传了，这就是此后清军火炮越造越大，威力反而没有增加的重要原因，更有将康熙火炮翻新后反而射程缩短的笑话。直到丁拱辰通过学习英炮后在第一次鸦片前才重新认识到了模数理论，并写入《演炮图说》一书。再此之后，清朝才重新以模数理论制造火炮，然而为时已经太晚，不久之后，欧洲发明出了后装线膛炮，轻松碾压清军。

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