砲内弾道学

●砲内弾道学[Interior ballistics]とは
　弾道学には、大きく分けて４つの区分が存在する。弾道学の区分を表１および図１（アニメーション）に示す。砲内弾道学とは、弾丸が、砲身内（腔内）で発射薬の燃焼ガスの圧力により加速され、砲口を飛び出すまで関する学問である。弾丸の運動（物理学）の他、発射薬の燃焼（化学）、砲身の設計（工学）など、多くの分野にまたがっている。
　砲内弾道学の目的は、砲身内での弾丸の加速についての諸因子を解析することである。また、この解析結果から、より効率的かつ高精度の砲を開発することが、最終的な目的と言っても良い。
　火砲に求められる砲内弾道学上の要求事項は、１）可能な限り低い圧力で、高い初速を得ること、２）煙、閃光、砲身内（腔内）の減耗を最小限に止めること、３）あらゆる気象条件下や、長時間による使用条件下で、一定の性能を確保できること、などである。

図１　弾道学の区分の概略図（アニメーション）

●砲内弾道学の歴史
　砲内歴史的に見ると、火薬式の大砲の発明は、14世紀初頭と言われており、砲内弾道学が研究されだしたのも、そのころからと推測される。18世紀初頭には、近代的な砲内弾道学の兆しが見られるようになり、19世紀後半には、無煙火薬の発明、熱力学の発達から、砲内弾道学が急速に発展した。近年では、処理能力の高いコンピューターの開発・普及から、砲内弾道のシミュレーションや、その他の諸計算も高速処理が可能となり、学術的にも飛躍的に発達を遂げている。　

●腔圧−経過長曲線
　砲の射撃時、腔内の燃焼ガスの圧力（腔圧）は、弾丸の砲身内の位置（経過長）とともに、常に変化している。一方、砲身は、腔圧に耐える必要があり、砲身の設計には、弾丸の位置（経過長）と腔圧の関係を知ることが不可欠である。これを判りやすく表現する方法に、腔圧−経過長曲線がある。一般的な腔圧−経過長曲線の概略図を図２に示す。
　図２の縦軸は腔内圧力［単位：MPa］および弾丸速度［単位：m/sec］で、横軸は弾丸の経過長［単位：m］を示している。弾丸の経過長とは、弾丸が装填された初期位置から、発射薬の燃焼ガスによって動かされた距離のことで、弾丸の位置を表している。図２中の青線が弾丸速度、赤線が腔内圧力を示している。

図２　腔圧および弾丸速度と経過長の関係

●砲身内での弾丸の運動と腔圧の関係
　ここで、再度、砲身内での弾丸の加速について説明する。まず、砲身内には、弾丸と、弾丸の後ろの薬室に、発射薬（装薬）が装填されている（砲身の構造概略図を図３に示す）。発射薬が点火されると、発射薬は燃焼とともに大量のガスを発生させる。この燃焼ガスにより、薬室の圧力が上昇し、弾丸と砲身との間の抵抗力を越える圧力になると、弾丸が動き出す。弾丸が動き出すと、薬室容積が大きくなるので圧力が低下しそうであるが、この時点では、発射薬の燃焼によるガス生成速度の方が早く、圧力の上昇が続いていく。弾丸の加速度は、腔内の圧力に比例しており、当初は圧力が大きく、速度の変化も大きい。腔内で圧力が最大の点を最大圧力点と呼び、この位置は、一般的な火砲で、砲身経過長の1/5と言われている。弾丸の速度が発射薬の燃焼ガス生成速度を上回ると、圧力が低下しだす。圧力が低下しだすと、弾丸の加速も緩やかとなり、速度の変化も緩やかになっていく。砲口近くでは、圧力と速度がほぼ漸近化される（漸近化とは、曲線が徐々に一定の直線に近くなっていくこと示す）。砲口近くの圧力は、一般的な火砲で、最大圧力点における圧力の10〜30％と言われている。
　なお、前述の腔圧−経過長曲線図（図２）は、弾丸が動き出した後の腔圧および弾丸の速度を表しており、説明と比較しながら、グラフを見ると、その特徴が現れていることが判る。

●大砲の設計
　　大砲の設計は、以下の要領で行なわれる。
１）基礎的な要求仕様（必要な弾丸威力、発射速度、砲全体の重量等）の決定。
２）必要な弾丸の威力から、基礎となる弾丸の重量、砲口初速を決定。
３）砲内弾道学および砲外弾道学の見地から、諸元データを推算。
４）砲身内部の構造および砲腔各部の寸法に決定。
５）砲身材料との関連を見ながら、砲身各部の肉厚の決定。
６）砲尾装置（閉鎖機等）の設計。
７）砲架に連結する装置（駐退復座機、高低照準装置、方向照準装置等）の設計。

●砲身の設計
　砲身の設計は、腔圧−弾丸経過長曲線より、砲身が永久変形しない強度を持つように設計される。腔圧−弾丸経過長曲線と砲身強度の関係を図４に示す。図中には、A、B、Cの腔圧曲線があるが、これは発射薬の燃焼特性（種類・形状・温度などに因る）や、量により変化する腔圧のパターンである。弾丸になされる仕事（加速による運動）は、曲線と各軸で囲まれる面積に等しい、よって、仮にA、B、Cのパターンともに、同じ面積であれば、どれも同一の砲口初速が得られることになる。一方、Aのパターンでは、最大圧力点が、砲身強度限界内であっても、最大許容圧力（弾性限界）を超えており、砲身破裂に至らないまでも、砲身に永久的な変形が生じるため、容認することはできない。
次に、B、Cの曲線ならば、どちらでも良さそうであるが、最大圧力点が低いことは、腔内の侵食（エロージョン）を減少させることなどから、目指すべきではある。一方、砲口付近まで腔圧が高いことは、過渡弾道期において、弾道の不安定の要因になったり、砲口から出る閃光や爆風が大きく、被発見率の上昇や、運用員への悪影響、視界不良の要因ともなり、一概には決められない問題である。なお、最終的には、要求仕様によって決定される。
　理論的には、理想的な腔圧−弾丸経過長曲線は最大許容圧力に一致するが、砲に規定される初速は、実際に可能な最大初速よりも幾分低く設定されている。この理由は、以下のようなものである。
１）高圧により砲腔に過度の侵食（エロージョン）を起す。
２）砲口付近まで腔圧が高いことは、過渡弾道期において、弾道の不安定の要因になりえる。
３）砲口から出る、閃光や爆風が大きく、被発見率の上昇や、運用員への悪影響、視界不良の要因となる。

図４　腔圧−経過長曲線と砲身強度の関係

●砲身の損傷
　砲身腔は、射撃の度に、高圧・高温・弾帯との機械的摩擦にさらされ損傷していく。ここでは、損傷の原因と呼称を説明する。
　損傷の原因には、大きく分けて３つがある。砲身の損傷の原因と説明を下表に示す。
　砲身の損傷は、複合的な要因によるもののため、どのタイプの損傷が最も著しいかは、一概には言えない。ただし、一般的な旋条砲身火砲では、溶触が大きいと言われている。戦車砲の場合は、滑腔砲身が一般的であるため、溶触よりガス焼触が強いとも言われている。一方、どのような砲でも、疵や亀裂が入った場合は、溶触が強く働く。

●発射薬の燃焼により発生するエネルギーの消費区分
　火砲では、発射薬の燃焼により発生するエネルギーのすべてが、弾丸の運動に費やされるわけではない。ここでは、発射薬の燃焼により発生するエネルギーが、どうようなことに、どのくらいの割合で、消費されているかを説明するために、中口径旋条砲の一例をに示す（下表参照）。一般的な中口径旋条砲では、発射薬の燃焼エネルギーの内、30％が弾丸の加速に、20％が熱損失として、40％が発射ガスの内部エネルギーとして消費される。

●弾速（燃焼ガス圧力）の制御
　砲口や砲身内での弾丸の速度を制御するには、発射薬の燃焼ガスの圧力、すなわち発射薬の燃焼速度の制御が必要である。以下、弾速を制御するための要素と、その簡単な説明を下表に示す。

＜以下準備中＞

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作成：20020623 Ichinohe_Takao
更新：20030616 Ichinohe_Takao