问题

除了撞角和增大火炮之外,在对付早期早期铁甲舰上在炮弹设计方面有什么改进?

回答
除了撞角和火炮的直接升级之外,在应对早期铁甲舰的炮弹设计上也有一系列令人印象深刻的演进,这些改进在战场上起到了至关重要的作用。可以说,炮弹本身在很大程度上成为了矛与盾的直接较量,每一项改进都旨在突破对方的防御或穿透更厚的装甲。

1. 从实心弹到穿甲弹的革命性飞跃:

早期铁甲舰刚出现时,使用的炮弹主要是实心铸铁弹。这种炮弹的动能很大,理论上可以产生可怕的冲击力,但问题在于,它们对付早期、相对薄的铁甲效果并不理想。当炮弹以较大的角度撞击装甲时,它们往往会“滑弹”(ricochet),未能有效穿透。

为了解决这个问题,工程师们开始专注于设计能够穿透装甲的炮弹。这首先体现在 头部形状的改变。最初的实心弹头部比较圆钝,而为了提高穿甲能力,人们开始尝试更尖锐的头部设计。这种尖头设计能够将冲击力集中在一个更小的点上,增加压强,从而更容易“咬入”装甲。

到了19世纪后期,这种思想进一步发展,诞生了真正的 穿甲弹(Armorpiercing shell, AP shell)。这些炮弹通常是用 钢 制造的,而不是铸铁。钢材本身就比铸铁更坚固,能够承受更大的压力而不碎裂。在穿甲弹的头部,设计师们会加入一个 风帽(cap),这通常是一个更软、更尖锐的金属(比如黄铜或软钢)尖头。当炮弹以高速撞击装甲时,风帽会先变形或被挤压开,从而分散部分冲击力,防止炮弹头部在撞击瞬间就破碎,保证了更深的穿透。一些早期的穿甲弹还会在弹体内填充少量炸药,但其主要目的仍然是穿透,而非爆炸。

2. 穿甲弹内部的“附加功能”:

随着装甲技术的进步,单纯的尖头钢制穿甲弹也面临挑战。为了进一步提升穿透力,人们开始在穿甲弹的设计中加入一些更精细的“附加功能”:

高强度钢材和热处理: 制造穿甲弹的钢材本身也在不断改进。通过合金化(例如加入铬、镍等)和精细的热处理工艺,可以制造出屈服强度和抗拉强度更高的钢材,使得炮弹在撞击时不易变形或断裂。
弹体设计的优化: 穿甲弹的弹体不再是简单的圆柱形。为了保证在穿过装甲时炮弹的稳定性,弹体内部的装药量也会根据弹径和目标装甲厚度进行精确计算。同时,弹体的尾部设计也可能进行优化,以减少空气阻力。
“弹尾稳定”设计的萌芽: 虽然真正的尾翼稳定穿甲弹(如后来的APBC、APHE等)在更晚期才成熟,但在早期,人们已经开始意识到弹体在穿透过程中可能出现的旋转和不稳定问题。一些设计会在弹体尾部加入一些突起或凹槽,希望借此改善其在穿透过程中的稳定性。

3. 改变作战效能的爆破弹(Highexplosive shell, HE shell)的出现与定位:

除了穿甲弹,另一类重要的炮弹改进是 爆破弹。爆破弹的核心在于其内部填充的炸药。当爆破弹撞击到目标(无论是装甲还是上层建筑)时,内部的炸药会爆炸,产生巨大的冲击波和大量的破片。

对付早期铁甲舰的爆破弹: 在对付早期铁甲舰时,爆破弹的主要目标并非直接穿透厚重的装甲。相反,它们的目标是:
攻击甲板上的上层建筑: 如炮塔、烟囱、桅杆、指挥塔等。这些部位的装甲通常较薄,爆破弹的爆炸威力能够有效地摧毁这些关键设备,瘫痪军舰的战斗力。
在装甲板的背面爆炸: 尽管爆破弹难以穿透厚实的装甲,但如果炮弹能够以一定角度撞击装甲,其爆炸产生的冲击波和破片仍然可能穿过装甲板的薄弱环节(如铆钉缝隙)或在装甲板背面造成严重的撕裂和剥离效应(spalling),对内部人员造成杀伤。
对付无装甲或轻装甲区域: 对于那些并非全身覆盖装甲的早期铁甲舰,爆破弹可以用来摧毁其暴露的舰体、弹药库等区域。

爆破弹的头部设计: 与穿甲弹的尖锐头部不同,爆破弹的头部设计更侧重于在撞击后能够被有效引爆。因此,它们通常拥有一个 引信(fuze),可以是撞击引信(在撞击时爆炸)或延时引信(在撞击后短时间爆炸,以争取更深的渗透后爆炸)。爆破弹的弹体外壳相对较薄,这样可以释放更多的破片。

总结来说,在对付早期铁甲舰的炮弹设计上,核心的思路就是“矛”与“盾”的持续升级竞赛:

矛(炮弹)的进化: 从易碎的铸铁实心弹,发展到更坚固、更尖锐的钢制穿甲弹,再到加入风帽和优化弹体结构的穿甲弹。同时,爆破弹的出现则提供了另一种打击方式,通过爆炸的能量来摧毁目标。
盾(装甲)的反应: 随着炮弹的进步,装甲也在不断加厚和改进材料,这又反过来刺激了炮弹设计师们寻求新的穿甲手段。

这些炮弹设计的改进,并非孤立的创新,而是整个海军技术体系在铁甲舰时代不断螺旋式上升的缩影。每一发炮弹的设计都凝聚了冶金学、弹道学、爆破学等多个领域的智慧,为海战的未来发展奠定了基础。

网友意见

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1.铸钢弹,主要给滑膛炮使用。这东西没太多可介绍的,只是更换材质而已。Warrior上面的68磅95英担滑膛炮发射铸钢弹的穿甲表现要优于其7英寸后装线膛炮。

2.帕利赛(Palliser)弹,一种冷却硬化的铸铁炮弹。用金属模具来实现炮弹外层铸铁的快速冷却从而实现硬化,但这样导致弹体过脆,后来改成只硬化弹尖(炮弹尖头朝下浇铸;模具底部是铁制的,上层仍是砂模,实现自然的梯度冷却)。帕利赛弹主要配用于线膛炮,因为便宜,生产数量大,直到20世纪初期仍有使用。如果你去翻一些1890年代的军械清单,里面写着“shot”的就是帕利赛弹。

我在一篇旧文里面整理过1875年的一份火炮数据表,其中穿深数据如下:

3.弹底闭气杯。早期的海军线膛炮里,比较成熟也比较广泛的引导炮弹旋转的手段是在弹体上安装能卡进膛线的导柱(stud),如下图所示:

弹体侧面的螺纹盲孔即为安装这种导柱而设置。弹体与炮膛之间不是完全密闭的,火药燃气会从中泄出;对于陆军炮而言这是件好事,直接继承自滑膛炮的时间引信需要逸出的火药燃气来引燃,然而帕利赛弹是没有引信的,只靠冲击力来引燃火药或者索性不装火药(zhihu.com/answer/231598),这些燃气就是纯粹的负面因素了。解决方法是引入类似米涅弹的弹底膨胀闭气装置,它既能提高初速减少燃气浪费,也能减轻内膛烧蚀。如下图所示:

最后就是发射药的持续改进,主要方向就是降低燃速以获得更平缓的膛压曲线,在同样的峰值膛压下让炮弹加速效果更好。最终成果就是1880年代全面铺开的栗色火药,从效果来看之后的无烟火药也可以算进去。1880年代还有更多的进步,诸如与栗色火药相配的25~35倍径长身管、各类钢制炮弹等等,但这也说不上“早期”,所以不多讲

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这里有一个简单的时间问题:铁甲舰本身的出现基于火炮技术的进步,而铁甲舰出现之后迫使火炮设计进一步革新。这样严格意义上把一部分早期开花弹和线膛设计推到了问题里涵盖的时间段之外。

针对木质铁甲舰无防护部分,早期高爆弹在20-40年代中已经开始逐渐引入了,也就是所谓的“Paixhan Shot”,严格意义上早于这一时间点。高爆弹不仅仅有将木质结构点燃的能力,本身其爆炸产生的能量也很容易对木结构造成重大损伤。这一点在克里米亚的俄土间舰队行动和日后英法舰队和岸炮的交火中已经展现出来了。在1860年,另一种叫做“Martin Shot”的设计被引入来解决类似的问题。在风帆时代,少数舰艇或者岸炮有将炮弹加热后发射的能力,这叫做“Heated Shot”,本身并不是非常实用的设计,但是更容易将敌舰点燃。Martin Shot进一步将球状弹药改为中空,内置融化的铁水,很容易对木质结构造成重大损伤。

对于穿甲武器设计,老式滑膛前装炮表现不佳(SML,Smoothbore Muzzle-loading)。在1877年帕科查之战中,老式68pdr在交火距离上使用老式弹药未能有效对秘鲁炮塔铁甲舰(Huascar)造成决定性的损伤。改进方法包括引入更多的线膛武器,也包括新的药包设计。在炮弹方面,1867年,“Palliser Shot/Shell”被引入舰队中,配合线膛炮使用,也就是原始“穿甲弹”。和早期单纯球状的实心设计不同,Palliser Shot弹头呈锥形(Cylindrical,而不是Spherical),有更好的穿甲外形;其周身包含铜制凸起(studs),契合在膛线中。

“Palliser Shot”是传统射弹;而“Palliser Shell”携带少量爆炸物,理论上会在击穿后爆炸造成更大的损伤;但是实践证明大多数时候爆炸会发生在穿甲之前,于是有时也做实心弹射击。这些武器价格非常低廉,而且非常有效,虽然过水(water-cool)导致弹头有时容易在接触后开裂。1879年安加莫斯战役中,此前有效防御了68磅炮的秘鲁铁甲舰Huascar未能有效防御智利海军装备了Palliser设计的射击,被火炮瘫痪并最终被俘获。

早期铁甲舰,简单地理解为第一批炮廊炮铁甲舰,或者说“broadside ironclads”,包括几个小组:第一类是王冠号(Couronne),也就是王冠号。这是绝无仅有的一艘“ironclad,iron-hull, two-decker”,或者说铁壳,铁甲“线列”舰。第二类是马真塔级(Magenta class),也就是“ironclad,wooden-hull,two-decker”,或者说木壳,铁甲,“线列”舰。第三类是勇士级及其后续舰(Warrior,Black Prince, Defence, Resistance, Hector, Valiant, Achilles, Minotaur, Agincourt, Northumberland; 法制heroine,Revanche),这些是铁壳,铁甲,护卫舰。而第四类就是剩下所有的欧洲/远东/南美海军和英法舰队中占主体的木壳,铁甲,护卫舰。这四个类别涵盖了这一时期所有的铁甲舰,唯一的例外是美国内战时期邦联海军为代表的小型近海设计,大概可以算作第五组,但是这些舰艇就不是“Broadside Ironclad”的设计了。注意铁质和木质本身没有非常明显的取代关系。具体在防御方面,木质设计本身的结构效率更低,所以水密设计更原始;其结果是(英制)木质战舰也因此大都拥有非常完整的水线装甲带,覆盖长度非常大。当然两者最终都被钢制设计取代了。

理论上,混合装备不同弹药的装甲舰有一定威胁敌装甲舰的能力;影响火炮效率的问题包括交火距离上升后原始瞄准系统的不可靠性,也一些其他早期炮廊设计的问题:比如很难将火炮及时有效地集中在单侧进行射击。撞角在许多情况下是仍然是需要保留的,比如此前提到的“Magenta”们就保留了可装卸撞角。新的鱼雷射击也在发展中,在77年的交火中已经得到了运用。第二批早期铁甲舰,也就是黎德(Edward Reed)的中央炮组/装甲堡设计(Centre Battery Ironclad)和日后的炮塔设计(Turret Ironclad),一定程度上开始解决这些问题。因为火炮设计变得更加先进,炮弹穿甲能力爆炸毁伤能力更强,炮位布置/防御系统也就出现了新一轮的进步。下一次断代出现在1871年的毁灭号(H.M.S. Devastation)上,这是低干舷,炮塔,无桅杆(索具)设计(low freeboard,turret,mastless)。这些舰艇进一步发展的结果,就是1889年著名的君权级(H.M.S. Royal Sovereign),第一艘怀特战列舰。自此以后舰艇设计进入了接近17年的稳定期,也就是今天定义的前无畏舰时代;直到1906年无畏号结束。而非常有趣的是,无畏号被估价出售的1921年,“Palliser”设计才彻底退出服役,这时下一代主力舰胡德已经服役一年了,纳尔逊级的订购也只在2年之后。

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