火薬

火薬 (かやく)とは、火薬類のうち、物体を推進させるためのものである。

概要

推進的爆発を起こすものである。これによって砲弾やロケットを発射させる。黒色火薬と無煙火薬に分けられる。爆発反応は爆燃と爆轟があり爆燃は音速以下の伝播速度の急速燃焼であり、爆轟は音速以上の伝播速度の急速燃焼である。火薬の燃焼は爆燃であって爆轟ではない。爆轟すると銃砲やロケットを破壊させる。

火薬類の成分による分類

アミドプルバー

硝酸アンモニウムを主成分とし、木炭や硫黄などの可燃物と混合した高性能爆薬。名前の由来は、硝酸アンモニウム（Ammonium Nitrate）とラテン語で「粉」を意味する「pulver」にちなむ。黒色火薬よりも爆発力が強く、煙が少ない特性を持ち、主に鉱山爆破や土木工事で使用された。爆発速度は約3,000～4,000m/sで、黒色火薬（約2,000m/s、爆破用途での最大値）より速く、ダイナマイト（約6,000～7,000m/s）に近い性能を持つ。1870年代に、黒色火薬の発展型として、スウェーデンの化学者らによって開発され、ドイツ、オーストリア、アメリカなどで鉱業用に多く用いられた。20世紀に入ると、より安全で強力な爆薬（ANFOやプラスチック爆薬）が登場し、次第に使用されなくなった。

火薬のエネルギーの計算方法

火薬のエネルギーは、火薬が燃焼または爆発する際に放出される化学エネルギーを指し、銃器や大砲の性能を決定する重要な要素である。このエネルギーは火薬の種類、質量、変換効率に基づいて計算され、熱や音などの損失により有効エネルギーに減少し、ガス漏れや摩擦を経て最終的に弾丸や砲弾の運動エネルギーとなる。

火薬のエネルギーは以下の要素に基づいて計算される：

• エネルギー密度（$e$）：火薬1gあたりに含まれるエネルギー（J/g）。
• 火薬の質量（$m$）：使用する火薬の量（g）。
• エネルギー変換効率（$\eta$）：化学エネルギーが運動エネルギーやガス圧力に変換される割合（0～1、通常0.2～0.4）。

運動量（$p=m\cdot v$）は衝突や反動の指標。

運動エネルギー（$E_{k}={\frac {1}{2}}mv^{2}$）は殺傷力や破壊力の指標。

基本式

有効エネルギー（$E$）は以下で表される：

$E=m\times e\times \eta$

• $E$：有効エネルギー（J）
• $m$：火薬の質量（g）
• $e$：エネルギー密度（J/g）
• $\eta$：変換効率

計算手順

1. 火薬の種類とエネルギー密度の特定：
   • 黒色火薬：約3,000 J/g。火縄銃や古い大砲で使用。
   • 無煙火薬（ニトロセルロース系）：約4,500 J/g。現代の銃器（自動小銃）や大砲（榴弾砲）で使用。
   • 無煙火薬（ニトログリセリン系、例：コーディット）：約5,000 J/g。近代の大砲（戦艦大和46cm砲）で使用。
2. 火薬の質量を決定：設計に基づき特定。
3. 変換効率の考慮：黒色火薬（20～30%）、無煙火薬（30～35%）。
4. 有効エネルギーの計算：上記式に代入。
5. 運動エネルギーの検証：弾丸や砲弾の運動エネルギー（$E_{k}={\frac {1}{2}}mv^{2}$）を計算し、効率を確認。

変換効率が100％にならない理由

火薬の変換効率（$\eta$）が100％にならない理由は、化学エネルギーが運動エネルギーやガス圧力に完全に変換されないためである。主な損失要因は以下の通り：

• 熱損失（50～60%）：燃焼による高温（2,000～3,000℃）でエネルギーの50～60%が熱や煙として散逸。黒色火薬は燃焼効率が低く、無煙火薬は30～40%に低減。
• 音エネルギー（10～15%）：爆発音や衝撃波に変換。例：自動小銃で約500～1,000 J。
• ガス漏れ（10～15%）：弾丸と銃身の隙間からガスが漏れる。滑腔銃（火縄銃）で顕著、ライフリング（自動小銃）で低減。
• 銃身内の摩擦（5～10%）：弾丸の移動時の摩擦で熱に変換。例：大型砲で5～7%。
• 不完全燃焼（5～10%）：火薬が完全に燃焼せず、黒色火薬で10%、無煙火薬で5%。
• 銃口フラッシュとガスの運動エネルギー（5～10%）：未使用ガスがフラッシュや運動エネルギーとして失われる。

変換効率の例

• 火縄銃（黒色火薬）：η ≈ 25%、運動エネルギー効率約20%。
• 自動小銃（無煙火薬）：η ≈ 35%、運動エネルギー効率約50%。
• 155mm榴弾砲：η ≈ 35%、運動エネルギー効率約75%。
• 46cm砲：η ≈ 35%、運動エネルギー効率約72%。

変換効率を上げる方法

火薬の変換効率を上げるには、損失要因（熱、音、ガス漏れ、摩擦、不完全燃焼）を低減する技術が必要である。

火薬の微細化

火薬の粒子サイズを微細化（ミクロン～ナノスケール）することで表面積が増加し、燃焼速度が向上する。

ナノ火薬とは、火薬の粒子サイズをナノスケール（通常100nm以下）に微細化した爆薬または推進剤を指す。従来の火薬（粒子サイズ1～100μm）に比べ、表面積が大幅に増加し、燃焼速度や反応効率が向上する。代表的なナノ火薬には、ナノRDX（サイクロトリメチレントリニトロアミン）、ナノニトロセルロース、ナノHMX（サイクロテトラメチレンテトラニトロアミン）などがある。

ナノ火薬の以下の特性

燃焼速度：従来の5m/sから50m/sに向上。

エネルギー密度：5,000 J/gから5,200 J/gに向上（RDXの場合）。

不完全燃焼：5%から2%に低減。

変換効率：37%（従来35%）。

課題：製造コスト（約$500/kg）、貯蔵安定性。

現状：2025年時点で研究段階。

火薬組成の最適化

添加剤（例：アルミニウム粉末、酸化剤）でエネルギー密度を4,500 J/gから5,000 J/gに向上。不完全燃焼を5%以下に低減。

銃身設計の改良

ライフリングの精密化や銃身長の最適化でガス漏れを10%から5%に、摩擦を7%から5%に低減。例：155mm榴弾砲の39口径砲身で効率75%。

燃焼制御

多孔質構造やコーティングで燃焼速度を5m/sから10m/sに制御。フラッシュを5%から3%に低減。

点火システム

電子点火で均一な着火を確保。研究段階のレーザー点火は着火時間を1msから0.1msに短縮し、不完全燃焼を5%から3%に低減。

エネルギーの変換過程

火薬のエネルギーの変換過程は以下の通り：

総化学エネルギー

火薬の潜在エネルギー（エネルギー密度 × 質量）。

有効エネルギーへの変換

化学エネルギーは熱、音、不完全燃焼で60～80%失われ、20～35%が有効エネルギー（運動エネルギーやガス圧力）に。

運動エネルギーへの変換

有効エネルギーはガス漏れ、摩擦で一部失われ、運動エネルギー（$E_{k}={\frac {1}{2}}mv^{2}$）に。効率は20～75%。

黒色火薬の具体例：火縄銃

入力データ

• 火薬：黒色火薬
• 質量：5g
• エネルギー密度：3,000 J/g
• 変換効率：25%
• 弾丸質量：11.3g
• 初速：330m/s
• 圧力：10 MPa

計算

1. 総化学エネルギー：

   $E_{\text{total}}=5\,{\text{g}}\times 3,000\,{\text{J/g}}=15,000\,{\text{J}}$

2. 有効エネルギー：

   $E=15,000\,{\text{J}}\times 0.25=3,750\,{\text{J}}$

3. 弾丸の運動エネルギー：

   $E_{k}={\frac {1}{2}}\times 0.0113\,{\text{kg}}\times (330\,{\text{m/s}})^{2}=615\,{\text{J}}$

4. 運動エネルギー効率：615 ÷ 3,750 ≈ 20%。

結果

• 総化学エネルギー：15,000 J
• 有効エネルギー：3,750 J
• 弾丸運動エネルギー：615 J
• 射程50～100m、甲冑貫通。

無煙火薬の具体例：5.56mm NATO

入力データ

• 火薬：無煙火薬（ニトロセルロース系）
• 質量：1.8g
• エネルギー密度：4,500 J/g
• 変換効率：35%
• 弾丸質量：4g
• 初速：900m/s
• 圧力：400 MPa

計算

1. 総化学エネルギー：

   $E_{\text{total}}=1.8\,{\text{g}}\times 4,500\,{\text{J/g}}=8,100\,{\text{J}}$

2. 有効エネルギー：

   $E=8,100\,{\text{J}}\times 0.35=2,835\,{\text{J}}$

3. 弾丸の運動エネルギー：

   $E_{k}={\frac {1}{2}}\times 0.004\,{\text{kg}}\times (900\,{\text{m/s}})^{2}=1,620\,{\text{J}}$

4. 運動エネルギー効率：1,620 ÷ 2,835 ≈ 50%。

結果

• 総化学エネルギー：8,100 J
• 有効エネルギー：2,835 J
• 弾丸運動エネルギー：1,620 J
• 射程500m。

無煙火薬の具体例：9mmパラベラム

入力データ

• 火薬：無煙火薬（ニトロセルロース系）
• 質量：0.5g
• エネルギー密度：4,500 J/g
• 変換効率：35%
• 弾丸質量：8g
• 初速：400m/s
• 圧力：35 MPa

計算

1. 総化学エネルギー：

   $E_{\text{total}}=0.5\,{\text{g}}\times 4,500\,{\text{J/g}}=2,250\,{\text{J}}$

2. 有効エネルギー：

   $E=2,250\,{\text{J}}\times 0.35=787.5\,{\text{J}}$

3. 弾丸の運動エネルギー：

   $E_{k}={\frac {1}{2}}\times 0.008\,{\text{kg}}\times (400\,{\text{m/s}})^{2}=640\,{\text{J}}$

4. 運動エネルギー効率：640 ÷ 2,250 ≈ 40%（ガス利用効率を考慮）。

結果

• 総化学エネルギー：2,250 J
• 有効エネルギー：787.5 J
• 弾丸運動エネルギー：640 J
• 射程25m（拳銃）、50m（短機関銃）。

無煙火薬の大砲での例：155mm榴弾砲（M777）

入力データ

• 火薬：無煙火薬（ニトロセルロース系）
• 質量：10kg
• エネルギー密度：5,000 J/g
• 変換効率：35%
• 砲弾質量：43.2kg
• 初速：827m/s
• 圧力：300 MPa

計算

1. 総化学エネルギー：

   $E_{\text{total}}=10,000\,{\text{g}}\times 5,000\,{\text{J/g}}=50,000,000\,{\text{J}}$

2. 有効エネルギー：

   $E=50,000,000\,{\text{J}}\times 0.35=17,500,000\,{\text{J}}$

3. 砲弾の運動エネルギー：

   $E_{k}={\frac {1}{2}}\times 43.2\,{\text{kg}}\times (827\,{\text{m/s}})^{2}=14,763,000\,{\text{J}}$

4. 運動エネルギー効率：14,763,000 ÷ 17,500,000 ≈ 75%。

結果

• 総化学エネルギー：50,000,000 J
• 有効エネルギー：17,500,000 J
• 砲弾運動エネルギー：14,763,000 J
• 射程24.7～40km。

無煙火薬の大砲での例：戦艦大和の46cm砲

入力データ

• 火薬：無煙火薬（ニトログリセリン系）
• 質量：330kg
• エネルギー密度：5,000 J/g
• 変換効率：35%
• 砲弾質量：1,460kg
• 初速：780m/s
• 圧力：350 MPa

計算

1. 総化学エネルギー：

   $E_{\text{total}}=330,000\,{\text{g}}\times 5,000\,{\text{J/g}}=1,650,000,000\,{\text{J}}$

2. 有効エネルギー：

   $E=1,650,000,000\,{\text{J}}\times 0.35=577,500,000\,{\text{J}}$

3. 砲弾の運動エネルギー：

   $E_{k}={\frac {1}{2}}\times 1,460\,{\text{kg}}\times (780\,{\text{m/s}})^{2}=444,366,000\,{\text{J}}$

4. 運動エネルギー効率：444,366,000 ÷ 577,500,000 ≈ 72%。

結果

• 総化学エネルギー：1,650,000,000 J
• 有効エネルギー：577,500,000 J
• 砲弾運動エネルギー：444,366,000 J
• 射程42km、装甲600mm貫通。

黒色火薬と無煙火薬の比較

• エネルギー密度：無煙火薬（4,500～5,000 J/g）＞黒色火薬（3,000 J/g）。
• 変換効率：無煙火薬（30～35%）＞黒色火薬（20～30%）。
• 圧力：無煙火薬（35～400 MPa）＞黒色火薬（10 MPa）。

関連項目

• 火工品
• 火薬類
• 大砲
• 銃砲
• 爆薬
• 武器
• 兵器
• ロケット
• ロケット弾

参考文献

• 中原正二『火薬学概論』産業図書2000年3月10日第10刷発行。