不久前，南京理工大学发一篇文章，理论上论证300毫米制导炮弹可以打过台湾海峡，被军米们吹为峡炮。文中给出了该炮炮弹的设计：炮弹口径300毫米，长4米，最大速度4马赫，最大射程420公里。看起来很吸引人，不过老王仔细研究了一下，发现论文中问题不小。 6park.com
 6park.com
南京理工大学的超远程制导炮弹用300毫米口径炮以700米/秒射出，初始射角为55°，在出炮口10s后，启动火箭发动机，炮弹速度增加，加速过程为40 s，如果是无控飞行的话，那么制导炮弹的射程达280 km。不过如果是在遥控下飞行。当炮弹到达弹道最高点后，鸭舵张开，以最大升阻比滑翔飞行，那么最大射程是420公里。该炮弹发射时重530公斤，装药230公斤，看起来不错，如果文中说的装药230公斤是指的战斗部炸药，那威力可不小。但如果仔细分析，就有问题了。下面是该文给出的速度曲线，在出炮口10 s后，炮弹速度降到500米/秒左右，启动发动机40秒后，从图上看速度增加到1500米/秒左右。假设加速是匀速的，那么
V2-V1=at
1500-500 = ax40
a = 25米/秒2
根据牛顿第二定律
F = ma
那么火箭提供的推力应该是530x25 = 13250牛或1352公斤。
南京理工大学设计的炮弹用固体火箭发动机推进。固体火箭发动机由药柱、燃烧室、喷管组件和点火装置等组成。药柱是由推进剂与少量添加剂制成的中空圆柱体（中空部分为燃烧面，其横截面形状有圆形、星形等）。药柱置于燃烧室（一般即为发动机壳体）中。药柱燃烧完毕，发动机便停止工作。固体火箭发动机有个重要参数，就是“比冲”，比冲是发动机推力与每秒消耗推进剂重量的比值，单位为秒。大量使用的火箭弹和多管火箭的推进剂绝大多数都是双基推进剂，其比冲在170～220秒。假设南京理工大学的固体火箭发动机使用的发射药，比冲达到220秒，那么每秒钟消耗的发射药重量是1352/220= 6.15公斤，火箭工作40秒，用掉245公斤发射药，由于消耗掉发射药后，炮弹质量减轻，假设发动机推力不变，那么其加速度不是恒量，会稍微增加，看上面南京理工大学提供的速度变化图确实如此，因此，实际消耗的推进剂量会少于245公斤，大概在230公斤左右。如此·分析下来，原来南京理工大学设计的超远程制导炮弹，论文里说的装药量230公斤是指的发射药的重量也就是固体火箭发动机推进剂的重量，而不是战斗部炸药的重量。这部分在飞行过程中烧掉了，在打到目标时这些推进剂已经烧光，并不会对目标起任何破坏作用。

南京理工大学的超远程制导炮弹设计重量是530公斤，除去230公斤推进剂重量后还剩300公斤，那么剩下的300公斤里是否包含战斗部装炸药的量呢？可能性几乎没有。原因是按照论文中炮弹的出口速度700米/秒。那基本上属于榴弹炮的范畴了。比如中国66式152毫米榴弹炮，炮弹初速才655米/秒，还没南京理工的炮弹初速高。而一般榴弹炮炮弹的装药量只有8%左右，比如155毫米榴弹全重48到50公斤，内装炸药只有7到10公斤，这是因为榴弹炮的炮弹，在发射瞬间都要承受巨大的膛压、高温和发射时的重力加速度，这种加速度甚至会超过1万个G。因此大多数身管火炮的炮弹外壳就不能做得很薄。如果炮弹重量是530公斤，那8%的装药量只有42公斤。南京理工大学的超远程制导炮弹装药量是230公斤，这已经远超了一般榴弹炮的装药量，而且那设计炮弹长4米口径300毫米，长径比高达13.3，这已经进入脱壳穿甲弹的范畴了。炮弹做得长，弹体下部要承受的力更大，弹壳就要做得比一般炮弹更厚，脱壳穿甲弹是实心的，根本不装炸药。这样的炮弹估计装药量42公斤都困难，装230公斤药基本不可能。而这230公斤装药只是推进剂，再装炸药的空间几乎没有。因此南京理工大学的超远程制导炮弹打到目标后实际上不爆炸，只是个铁疙瘩，杀伤力也许不如一枚手榴弹。 6park.com
由此可见远程炮射导弹使用火箭发动机是不行的，老王设计的超级大炮则使用冲压发动机提供推力。
https://club.6parkbbs.com/nz/index.php?app=forum&act=threadview&tid=1821106 6park.com
同空气喷气发动机相比较，火箭发动机的最大特点是：它自身既带燃料，又带氧化剂，靠氧化剂来助燃，常用的氧化剂为过氯酸铵(NH4ClO4),而常用的还原剂是某些碳氢化合物如聚丁二烯。下面给出一个烯(为简化反应式，用己烯)与过氯酸铵的反应： 6park.com
C6H12 + 6NH4ClO4 = 3N2 + 6HCl + 14H2O + 5CO2 6park.com
上面的反应中，氢碳是还原剂，总的原子量是94，氧和氯是氧化剂，氮是打酱油的，氧氯氮原子量加起来是681。对喷气发动机来说，氧化剂是用的空气里的氧，氧氮氯都是不需携带的，氧氯氮的原子量加起来是氢碳的7.2倍，因此固体火箭发动机比同样航程的涡轮发动机或冲压发动机理论上要多带至少7.2倍的推进剂，实际上可能是8-10倍。所以固体火箭发动机的缺点是“比冲”小，不适合于远程导弹。
另外在上面反应中过氯酸铵重量占总重量的90%，而市场上一吨过氯酸铵的价格是3000-4000美元，而一吨煤油价格大概不到一千美元，过氯酸铵的价格比煤油高约4倍，同样射程需要的量是喷气发动机所需煤油量的10倍，那么价格就高出了40倍了。
不过涡轮喷气发动机的燃料成本虽然不高，但涡轮的成本却不低，因为涡轮制造非常复杂，而且涡轮叶片的材料要求很高，非常昂贵，所以用涡轮发动机的导弹价格也很高，要进一步降低导弹价格需要使用结构简单的冲压式发动机。这种发动机没有旋转的涡轮叶片，就两个圆筒，一个大圆筒套中心的一个小圆筒，制造起来很容易，制造成本很低，另外冲压发动机推重比很高。现代涡轮喷气发动机的推重比约为3.5～4.0；中国的WS10推重比大概是8左右，WS15推重比可以达到10；美国F-14战斗机使用的F110推重比大约是7-8，F-22战斗机使用的F119可以达到10，相对之下，冲压发动机在2～3倍音速时，推重比在20左右，因此发动机占导弹重量不大。

       冲压发动机（上） 和涡轮喷气发动机（下） 6park.com
但冲压发动机有一点麻烦，就是低速时不工作，只有在速度达到0.5马赫时才能启动，下图是冲压发动机速度与推力的关系，冲压发动机的推力在马赫2-3左右（816米/秒）达到最高值，此后又会逐渐减少，所以这种发动机需要另备加速装置，先把它加速才行，一个解决问题的办法就是把炮和冲压式发动机结合在一起。一般炮口初速很容易达到2-3马赫，这足够启动冲压式发动机了，于是我们就可以制备廉价的炮射冲压式发动机炮弹。其实也不用一开始就加速到推力最大值，因为发动机工作时自己会给导弹加速。估计开始时加速到推力最大值的67%就够了，从图上看，就是速度大概在380米/秒左右。这个速度大概比一般的迫击炮的初速快一点。比如老美造的小大卫迫击炮，初速381米/秒，因此可以使用炮管给带冲压发动机的导弹加速，制造大口径炮射导弹。



冲压发动机推力与速度的关系
二战末期，为了突破德军修建的有7英尺厚的钢筋墙的齐格非防线，老美造了个小大卫迫击炮，该炮口径914毫米，炮筒重36吨，还有一个呈盒子形式的要埋在地下的固定底座，长4.8m 宽2.7m 高3.0m，重约46吨。炮弹重1678 kg（3700磅），其中726kg（1600磅）是爆炸物的质量，就是装药量高达43%。该炮炮筒长7.1米，不过为了多装炸药，需要降低加速度，以减轻结构重量，炮弹重量保持在1.7吨左右，可把炮筒要延长到21米左右.炮管延长三倍，加速度相应下降到原来的1/3，膛压也降到原来的1/3，由于膛压相应降低，因此炮筒可以做薄些，炮管总重量并不会增加，底座重量则因后座力大幅下降，重量降低到15吨，总重51吨，单节火车载重量60吨，这炮重量第一火车承载量，安在火车上，做成列车炮也不是不可能。现在钢铁价格大概4000元/吨，那么一门炮的材料成本也就20万元出头。小大卫是线膛炮，线膛炮的膛线加工非常困难，成本相当高。可是发射炮射导弹的炮不能让炮弹旋转，必须是滑膛炮，滑膛炮就一根光溜的炮管，加工制造比线膛炮容易得多，成本也低得多。小大卫迫击炮能够俯仰也能左右转动，带瞄准装置。而台湾不大，外形有如蕃薯，南北纵长394公里（245哩），东西最大宽度144公里，台湾海峡平均宽度只有180公里，导弹射程500公里就足够了。对一个射程500公里的导弹来说，发射装置不需挪动，固定在一个地方就可以了。由于发射的不是炮弹，而是炮射导弹，导弹自己在空中是可以拐弯的，因此该炮都不需要转动瞄准目标，只需对着台湾，俯仰角30-60度即可，射出去后，制导炮弹会自己转向，射向目标。所以系统简化很多，制造成本可以进一步降低，估计每门炮成本应该不会超过5百万元人民币。大和号上的460毫米炮是线膛炮，寿命也有250发。超级炮是滑膛，没有膛线磨损问题，估计炮管寿命增加到500发不成问题，那么发射一颗巨型炮弹的设备成本只要1万元，相当便宜。 6park.com

          
口径914毫米的小大卫迫击炮 6park.com
射出的炮弹重1.7吨，出口速度380米/秒，但射出后用冲压发动机逐渐加速到3-4马赫。南京理工的超远程炮弹初速700米/秒，处于榴弹炮范畴，榴弹炮装药量一般不超过8%，迫击炮炮弹则因加速度小，因此装药比例最高的炮弹，是迫击炮弹等低膛压炮弹。老王的超级大炮射出的冲压炮弹初速只有380米/秒，处于迫击炮范畴，因此装药量相对要比南京理工的超远程炮弹更多。
南京理工的超远程炮弹的火箭发动机只工作40秒，此后导弹是无动力滑翔，速度越来越慢，最后降到亚音速，最后飞行的1分多钟都在亚音速下飞行，落点速度只有297.8米/秒，这个阶段很容易被铁穹之类的防空系统摧毁。而老王的超级大炮射出的冲压炮弹，发动机是全程工作的，落点速度4马赫，高速突防，很难被摧毁。
如上面计算，南京理工的超远程炮弹重530公斤，其中携带的230公斤，都是发射药，如果换成冲压发动机炮弹，那么只用携带燃料，不需要携带氧化剂，氧可以从空气中获取，因此，飞同样距离，只需用23公斤煤油就足够了，剩下207公斤可以换成高爆炸药。小大王迫击炮炮弹重1678 kg，其中726kg是爆炸物的质量，老王的超级大炮，炮管比小大王迫击炮长度延长三倍，膛压进一步降低，因此装药量可以进一步增加，但扣除冲压发动机质量和燃料重量后，1.7吨重的冲压炮弹，估计也可装700公斤炸药，爆炸威力很大，所以精度只要在10米之类就足够了，导弹可以用惯性导航加卫星信号修正。弹头也可以携带榴霰弹用于破坏机场跑道。当年日本就造出三式通常弹，其实就是发射后分出很多小弹头的炮弹，这些分弹头可达几十甚至几百个，其效果大于只把机场炸一个坑。当然分弹头也可以是地雷，用于阻止机场维修。
老美的战斧巡航导弹重1300公斤能够携带一个重450公斤的弹头，射程1300公里，一枚战斧巡航导弹就是50万美元左右。这种炮射冲压发动机导弹不用复杂昂贵的涡轮，因此价格应该大幅下降，估计中国制造的成本应该在每枚100万人民币以下。
影响火炮发射速度的主要是发热问题，发射药在炮膛中燃烧会使炮管温度升高，要增加发射速度，就要冷却炮管，日本大和级460mm舰炮用水冷却炮管，单炮射速能够达到30秒/发，其发射的炮弹重量也与914毫米的小大卫迫击炮相近，约1.5吨。那种舰炮是高膛压的厚壁舰炮，管壁越厚冷却越难，而914毫米的小大卫迫击炮是低膛压迫击炮，管壁本来就薄，现在延长了炮管，管壁进一步变薄了，如果用水冷却，加上机械后膛进弹，估计射速也能达到每分钟两发。如果在台海沿线设置1万门炮，那么每分钟可往台湾输送两万发1.7吨重的炮弹，就是每分钟3.4万吨炮弹。当年美国投往广岛的那枚原子弹当量大约为 15000吨TNT，投在长崎的要大一些，约为 21000吨左右，加起来3.6万吨，那么超级大炮每分钟输送到台湾的炮弹就大致相当于当年美国投往台湾的两颗原子弹的威力。
结论：超远程制导炮弹用火箭发动机提供推力是完全不靠谱的，这种发动机既要携带燃料，又要携带氧化剂，而氧化剂比燃料重得多。相对之下使用冲压发动机的超级大炮的炮弹只须携带燃料，氧化剂可从空中获得，因此时候远程飞行。同时因为制导设备的成本不低，因此小口径的远程制导炮弹是不划算的，土共军工只想到300毫米炮，太没魄力，军蠢们还把那没威力的炮吹嘘为峡炮。超级大炮做到900毫米以上才是真正的峡炮。
 6park.com
评分完成：已经给 王文清 加上 50 银元！

贴主:王文清于2024_07_24 7:55:13编辑