
歡迎關注兵器知識譜,槍械在擊發子彈時往往會發出猶如爆炸般的巨大聲響,且彈丸飛離槍口瞬間還會噴出大量火焰,因此有讀者產生這樣一個疑問——子彈發射時巨大的威力為什么沒有炸傷薄薄的彈殼呢?
在解答這個問題之前我們首先要搞清楚子彈的工作原理,子彈由量大部分組成,即彈丸和藥筒,彈丸是子彈的戰斗部,是產生殺傷力的部位;藥筒俗稱“彈殼”,是子彈生產動力的部位。
它的工作原理是這樣的:當子彈被槍械擊發裝置內的擊針猛烈撞擊藥筒底部的底火時,底火內的高感度烈性炸藥爆炸,爆炸所產生的能量從底火通道作用到藥筒內的發射藥,發射藥被炸藥激發后發生爆燃,從而產生大量高溫、高壓燃氣,彈丸在燃氣的作用下得到動力飛離槍口。
從子彈的工作原理中不難看出,子彈的發射過程是一個炸藥爆炸→火藥爆燃的做功方式相互轉換的過程,也就是說子彈在被擊發時爆炸只發生在底火上,它的作用不是為子彈提供動力,而是啟動子彈;被激發的發射藥是以爆燃的形式釋放能量做功的,爆燃的本質并不是爆炸,而是高速燃燒,因此薄薄的彈殼也就不會被炸傷了。
當子彈在槍械內被激發時所產生的做功能量通常采用“膛壓”來計量,比如說國產95式自動步槍在發射DBP-87型5.8×42mm普通彈時,1.69克的發射藥將會產生3200kg/cm2的膛壓(即284.3Mpa),強大的膛壓為子彈做功提供動力。
而“膛壓”指的是火藥氣體燃燒時在槍(炮)身管內產生的壓力,可見子彈在做功時做為動力的高溫、高壓燃氣并不是在子彈藥筒內發生,而是在槍(炮)的身管內產生的,承受壓力和沖擊力的部件是槍管,而不是彈殼,因此彈殼也就不會被炸傷了。
本文將通過對子彈原理的闡述來分析彈殼不會在擊發過程中被炸傷的原因,并對未來子彈新技術的應用提出思考。
▼下圖為一根供參觀的剖面7.62mm狙擊步槍槍管特寫,產生膛壓的部位都經過了加強設計,所以顯得特別粗大,其目的就是為了制約膛壓產生的巨大威力,使發射藥燃氣始終保持向槍口方向作用,而不是向后或者向管壁作用。

子彈的彈殼內裝填有炸藥和發射藥兩種裝藥
子彈是一種利用化學能來做功殺傷工具,它集物理學、化學、材料學、空氣動力學以及工藝于一身的產物,既是文明的產物,同時也是破壞文明的利器。
無論是什么樣式和形狀的子彈,它都是由彈丸(彈頭)、藥筒(彈殼)、發射藥、火帽(底火)四個部分構成,其中藥筒(彈殼)盛裝發射藥,火帽(底火)盛裝炸藥,它們統稱裝藥,是子彈的動力來源。
底火裝藥
底火的裝藥是一種高感度烈性炸藥,主要成分為疊氮化鉛(α型),分子式為Pb(N3)2,密度為4.71g/cm3,爆速為5300米/秒。
這種炸藥的特點是感度極高,所以極易發生爆炸,其沖擊感度為:50%發火率(2kg落錘或12.7cm落高;摩擦感度:0.098~0.98N(0.01~0.1kgf)負荷;靜電火花感度:起爆能量0.0070J。
只要能滿足上述感度之一,即滿足疊氮化鉛的起爆條件,因此它最適合用來做為子彈底火的裝藥,當槍械的擊針猛烈撞擊底火時,底火內的疊氮化鉛裝藥就受到相當于≥2kg落錘的撞擊力,從而引發爆炸。
由于疊氮化鉛屬于烈性炸藥,因此底火內的裝填量是非常少的,比如說手槍彈底火一般疊氮化鉛的裝填量不超過0.03g(54式手槍彈底火裝填量為0.022g);步槍彈不超過0.06g(56式步槍彈裝填0.048g);大口徑機槍彈不超過0.2g(14.5mm機槍彈裝填0.18g)。
雖然底火裝藥的裝填量非常少,但是5300米/秒的威力并不會因劑量的減少而發生改變,當底火被激發爆炸時所產生的熱量將會點燃藥筒內的發射藥,而威力則以壓力的形式推動發射藥和彈丸與藥筒分離,因此底火所裝填的炸藥可以視為子彈的開關。
藥筒裝藥
藥筒內的裝藥是子彈做功的動力來源,因此可以稱其為“發射藥”,其主要成分為火棉(含量占到94%~96%),即含氮量>12%的膠質硝化棉(子彈的發射藥為單基,炮彈發射藥為雙基)。
硝化棉是一種利用棉花經過硝酸和硫酸硝化混合物處理后得到的纖維素硝酸酯,其引燃溫度為170℃(水分≤25%時),松散的硝化棉燃燒時不產生殘渣,燃燒分解物為一氧化碳(co)、二氧化碳co2以及各種氮氧化氣體(NOx),因此被稱為無煙火藥。
當做為發射的單基硝化棉在藥筒內被底火激發時,它將會發生爆燃,爆速約為6000米/秒,猛度相當于TNT炸藥的30%,從而產生推動彈丸運動的動力。
以國產某型單基膠質火棉為例(含氮13%),一千克該型火棉被點燃時將會產生4053千焦的熱量以及841升的高壓燃氣,假設子彈的火棉裝填量為2克(7.62×39mm步槍彈),那么被激發時將會產生8.1千焦的能量、1.6升的燃氣,在槍管內形成275MPa的膛壓,使子彈獲得2000焦耳的動能。
▼下圖為一發5.56×45mm步槍彈的剖面,主要成分為硝化棉的發射藥被密實地裝填在藥筒(彈殼)內,藥筒底緣是裝填著主要成分為疊氮化鉛炸藥的底火,底火相當于子彈的開關,發射藥相當于子彈的發動機燃料。

子彈的膛壓是在槍管中產生,而不是在子彈內產生
當藥筒底部的底火被槍械擊針猛烈撞擊時,藥筒內的硝化棉被底火內的炸藥以5300米/秒的沖擊波猛烈沖擊,這個時候硝化棉以及安裝在藥筒收口處的彈丸在受到這股沖擊力的作用下以彈射的形式與藥筒分離。
這就意味著藥筒內的發射藥還沒來得及被全部引燃就已經被底火炸藥蹦出藥筒了,所以發射藥6000米/秒的爆速并不是在藥筒內完成的,而是在蹦出藥筒的這個過程中完成。
所以不論子彈產生多大的膛壓,膛壓的壓力并不作用在藥筒內,而是槍管來承受這股巨大的膛壓,由于受到槍管壁的束縛,膛壓會向槍管中空的兩頭發展。
當壓力朝藥筒方向發展時,遇到受槍機閉鎖的藥筒后發展受到制約,形成后坐力以后隨即折射回槍口方向;而槍口方向的彈丸是咬合在膛線上的,在壓力的驅動下就會順著膛線旋轉運動起來,在槍管的加速下飛出槍口,獲得初速。
在壓力驅動彈頭運動加速的這個過程中,始終伴隨著發射藥的燃燒,發射藥既不可能在藥筒內就完成充分燃燒,也不可能在加速子彈的過程中全部燃燒,所以產生膛壓的發射藥只占藥筒裝填量的一部分,另一部分則會在子彈飛離槍口以后噴出外界完成燃燒,這就是槍械開火時會產生巨大火焰的原因。
在我們的主管想象中,子彈在底火被擊發的瞬間就完成了發射藥的激發,從而產生膛壓,然而事實并非如此,它的激發過程應該是這樣的:
首先,當底火炸藥被擊發發生爆炸以后,炸藥的沖擊波將藥筒內的發射藥連同彈丸一起彈射出去與藥筒分離,同時點燃大約15~20%的發射藥。
接著,被點燃的部分發射藥在槍管中引起50%~70%的發射藥燃燒,這部分發射藥連同那些15%~20%率先被點燃的發射藥一起形成膛壓。
最后,剩余的10%~30%的發射藥在推動彈丸運動加速的過程中繼續燃燒,只不過已經來不及充分燃燒,彈丸就已經離開槍口了,所以這部分發射藥就相當于做了無用功。
我們可以用合力公式F=F1+F2來理解,F相當于受力的彈丸,F1相當于做功的50%~70%的發射藥,F2相當于被藥筒折射的15%~20%的發射藥,也可以理解為膛壓=F1+F2。
雖然F2也產生的膛壓,但是它的作用力已經在形成后坐力時被大量消耗,因此并不作用在藥筒上,而F1則在槍管里以膛壓的形式燃燒做功,所以也不作用在藥筒上,因此藥筒(彈殼)是不可能被發射藥炸傷的。
我們用炸膛事故來反舉說明:不論是槍械還是火炮,發射藥引起的炸膛事故都是由身管無法束縛膛壓引起的,所以發生炸膛事故的表觀特征均為身管被膛壓崩裂、崩斷、變形,換言之即使發生炸膛事故,藥筒(彈殼)也不會被炸傷。
▼下圖為發生炸膛事故的狙擊步槍,由于膛壓是在槍管里形成的,所以當槍管強度不足以制約膛壓時炸膛現象就會發生,而彈殼并不承受膛壓所以即使炸膛現象發生也影響不到彈殼,除非彈殼本身有質量問題。

子彈技術的未來發生方向是取消藥筒(彈殼)
基于子彈發射原理的研究,人們得出了“彈殼無用論”的類似結論,這個結論說明了子彈藥筒(彈殼)功能的單一性,因此未來的子彈將不再需要彈殼。
不論是槍械還是火炮,藥筒(彈殼)的作用只有一個,那就是容裝發射藥,它的存在的價值僅僅體現在這一作用上,因此完全可以用其它方式來取代成本高昂的藥筒(彈殼),甚至是干脆就不用藥筒。
率先取消藥筒的武器為大口徑火炮,比如美軍現役的M777型155mm榴彈炮,它直接采用藥包裝填發射藥,完全摒棄了藥筒(彈殼)。
而在第二次世界大戰期間,幾乎所有的大口徑艦炮都取消藥筒(彈殼),比如日本大和級戰列艦的460mm主炮,它的全藥號為9個60公斤發射藥包。
現代中口徑火炮火炮也開始向無藥筒(彈殼)方向發展,比如我軍裝備的99A型主戰坦克125mm火炮,由于應用了分裝彈技術,所以發射藥已經不再使用傳統的藥筒容裝,取而代之的是可燃外殼,當火炮擊發時可燃外殼連同發射藥一起爆燃做功形成膛壓,火炮制退時僅拋出一個藥筒底座。
而槍械上使用的“無殼子彈”也在持續研發中,率先實現無殼子彈實用化的國家是德國,該國于1990年在HKG11型自動步槍上使用5.56×45mm無殼步槍彈,它的特點與藥包裝填的大口徑火炮基本相同,即彈殼可以與發射藥一同爆燃,也可以理解為彈殼本身就是發射藥的一部分。
由于沒有傳統槍械那樣的拋殼動作,使用無殼彈的槍械沒有拋殼窗,當射手扣動扳機時,槍械只進行單純的推彈上膛→擊發→復進→推彈上膛,因此槍械的機械運動非常可靠,更重要的是徹底避免了拋彈殼造成的金屬浪費。
無殼彈的出現進一步說明了藥筒(彈殼)功能的單一性,在擊發過程中并不參與任何做功行為,既然連活都不干,它又怎么會被“傷”到呢。
▼下圖為奧地利VEC91型5.7mm無殼步槍彈與普通步槍彈的對比,無殼彈是方形的,彈丸埋于內部,方形外殼的本身就是發射藥,它將在底火的激發下爆燃產生膛壓,為彈丸提供動力,無殼彈好處太多,但是目前無殼彈依舊處于研究階段,相信未來實用化以后會全面取代傳統有殼彈。

綜上所述我們可以得出這樣的結論
第一、子彈發射時威力巨大,但是彈殼并不會被炸傷,因為子彈的威力是體現在彈丸的殺傷力,而彈殼只是容裝子彈發射藥的容器,子彈的威力并不體現在彈殼上。
第二、發射藥是子彈產生威力的能源,當發射藥被激發時產生的高溫、高壓燃氣為子彈運動提供動力,這種動力以膛壓的形式作用在槍管里,而不是彈殼里,彈殼不受膛壓作用力的影響,所以威力再大的子彈也不會炸傷彈殼。
第三、由于彈殼只起到容裝發射藥的單一作用,因此未來的子彈將不再需要彈殼,從而達到降低子彈制造成本、減少金屬制品浪費、提高槍械可靠性的目的。
結語
熟悉輕武器知識的讀者朋友應該對一種子彈概念印象非常深刻——復裝彈,簡單來講,復裝彈就是將使擊發的彈殼重新裝填,然后繼續使用的子彈。
復裝彈具有重復利用的條件就是彈殼能保持絕對的完好,而滿足這一條件的前提就是子彈在發射時被激發的發射藥并不會損傷彈殼。
由于子彈發射的原理是膛壓驅動彈丸做功,而發射藥的無理化學性質決定了膛壓只能在槍管里產生,這才讓彈殼具備了重復利用的條件。
其實科學家們巴不得子彈在發射時能存在炸傷彈殼的風險和可能性,因為那樣的話說明發射藥至少能有90%以上在做有用功,而不是像現在的子彈只有±75%在產生膛壓做功。
為了提高發射藥的利用率,也曾有直接使用炸藥做為發射藥的嘗試,但是炸藥猛度實在太高了,為了制約炸藥產生的超大膛壓,槍管勢必要造得更粗大,很顯然這是不可取的。
所以目前在無殼彈真正實現實用化前,槍械還得繼續發射用彈殼容裝燃料做為發射藥的有殼子彈,而彈殼的浪費也會永遠伴隨著有殼子彈的使用而延續。
▼下圖為即將進行復裝的7.62×51mm狙擊步槍彈殼,復裝彈是狙擊手們最喜愛的彈種,由于首次擊發時彈殼受到底火炸藥的爆轟,所以它的尺寸會變得更“合膛”,當復裝以后再次裝填到槍里進行射擊時,子彈的指向會更精準,命中率會更高。