膛線

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105毫米戰車砲砲管剖面
右旋的膛線

膛线英语:Rifling,又译作“来复线”)是现代炮管及枪管管膛内壁上被锻刻加工出的呈螺旋狀分布的凹凸槽,可使子弹在发射时沿着膛线作纵轴旋转,产生陀螺仪效应稳定弹道,因而能更精确的射向目标。

膛线下陷中空的地方称作阴线阴膛(groove,在多边形膛线中则称为valley),凸起部分成为阳线阳膛(land,在多边形膛线中称为hill),枪支的口径通常指槍枝的口徑通常指的是一条阳线与其正对面的另一条阳线间的距离。

歷史[编辑]

在15世紀已經有使用膛線的紀錄,首次大規模應用是在約1500年德國的扳機擊發火繩枪,到18世紀才真正普及。請參閱條目步槍

用途[编辑]

如果枪膛内有膛线,弹头就会在穿过枪膛时产生纵轴自转,使彈頭出膛後螺旋转动飛行,通过陀螺仪效应保持角动量守恒增加弹道稳定性、有效射程和终端杀伤力。

在以前,線膛武器是不能使用尾翼穩定彈藥的。但是彈藥技術的提高(滑動彈帶、改進型彈托等技術)解決了這個問題。

原理[编辑]

彈丸在膛線的作用下旋轉,這與高速旋轉的陀螺運動原理是一樣的。彈軸相當於陀螺軸,彈道切線相當於垂直軸,彈丸飛行中的張動角相當於陀螺的擺動角,彈丸的質心相當於陀螺支點,空氣作用於彈丸上的翻轉力矩相當於陀螺的重力偶矩。當彈丸在膛內運動時,膛線就迫使它高速旋轉,並且在翻轉力偶矩的作用下,除自轉外,還以其質心為中心繞彈道切線作圓錐運動,使彈軸與彈道切線始終保持很小的擺動角,(彈道學上稱為張動角)而不至於翻倒,從而保證了彈丸的穩定飛行。[1]

種類[编辑]

膛線可以主要分為兩種,分為陽膛線與陰膛線兩種設計,大砲主要使用陽膛線,攜帶式槍械主要使用陰膛線,陽膛線加工上較困難,膛線沒有一個既定數目,2、4、6、8條甚至於更多,但一般常用的有:4(手枪步枪等)、6(狙击步枪等重视精度的枪械)、8條(机枪),另有简化版武器只使用2条膛线(比如二战英国的斯登衝鋒槍和美国春田M1903简化版步枪)。膛線根據旋轉的方向可分右旋、左旋(從射手方向看去),右旋膛線比較普及;雖然膛線的的數目沒有一個既定標準,不過深度只能在固定的範圍內;膛線按截面形狀分為矩形膛線、梯形膛、弓形膛線、圓弧形膛線、多弧形膛線、多邊弧形膛線等。早期黑火药时代膛线普遍比较浅(因为黑火药残渣多,并且使用铅弹头),后来产生多种膛线,当今比较流行多弧形膛線、多邊弧形膛線等优质膛线,可以提高武器精度和初速,并减小火药烧蚀提高寿命。[2]

多边形膛线[编辑]

近年來,有着近两百年历史的多边形膛线(polygonal rifling)又被由箱底挖出來,開始在手槍槍管逐漸流行,部份擁護此法的製造廠宣稱它比傳統的膛線有:

  1. 枪管结构的一致性和强度更佳,对应力集中效应的疲劳极限更高
  2. 枪膛气密性更佳,更高的子彈初速
  3. 对弹头外形的压划形变更少,更高的外弹道精度(不過沒有任何測試報告能顯著的支持此論點)
  4. 膛线磨损更轻,更長的枪管壽命
  5. 能残留在膛线缝隙中的碳末、铜屑等污垢更少,更容易清理

缠率[编辑]

为了达到最佳射击性能,枪管应具有足够的膛线缠度(twist rate)来稳定需要发射的子弹,但是缠度太大也会白白浪费子弹前进的动能。通常大口径子弹更加稳定,因为半径更大会提供更多的转动惯量;更长的子弹更难稳定,因为通常重心更靠后而且外力干扰产生的力矩也更大。因为步枪弹通常比手枪弹更长、口径更小,因此整体来说步枪拥有比手枪更高的缠率。比如,发射5.56×45毫米SS109北约弹和L110曳光弹M16A2步枪则拥有1:7英寸的缠率,民用的AR-15步枪则通常有1:12英寸~1:9英寸之间的缠率;而发射.45 ACPM1911手枪则拥有1:16英寸的缠率。发射球状弹丸的前装枪因为长度直径比最小(等于1),缠率也最小,通常只有1:72英寸~1:48英寸。

缠度的表达方式[编辑]

一共有三种描述缠度的方式。

  1. 最常用的第一种方式是用缠距(travel length)——也就是每根膛线螺旋一周所需要走过的枪膛长度(常用单位是英寸)计算缠度,通常是用缠距的倒数来表达。比如某根枪管内的膛线每螺旋一周需要10英寸,那么这根枪管的缠度就是每10英寸一周,也就是1:10英寸。这种方法虽然方便,但是因为忽视了枪膛口径,不能很好的解释缠度相对起来是快是慢。
  2. 第二种方法是在第一种方法的基础上加入了枪膛口径,用口径与缠距的比例来表述缠度,比第一种方法更能清楚解释不同口径枪管之间缠度的相对快慢。数学计算公式就是:
    • = 口径比缠度
    • = 缠距(毫米或英寸)
    • = 枪膛(阳线)口径(毫米或英寸)
    这其中缠距和口径的单位必须统一。
  3. 第三种方法只是简单的表达膛线阴线和枪膛纵轴间的夹角。这种表达方式并不常见。

缠度与弹道稳定度[编辑]

1879年,伍利奇皇家军事学院的数学教授阿弗莱德·乔治·格林希尔爵士(Sir Alfred George Greenhill)研究出了一套为铅芯弹计算最佳缠度的经验法则。这套方法利用子弹的长度,而不需要考虑重量或者弹头形状。这个以他命名的“格林希尔公式”至今还在使用,如下:

  • = 常数,一般是150,枪口初速高过2,800英尺每秒(850米每秒)时则使用180
  • = 子弹直径(单位为英寸)
  • = 子弹长度(单位为英寸)
  • = 子弹比重(铅芯弹使用10.9,可以对消掉公式的后半部分)

原来的值是150,在配上子弹直径 和长度(都以英寸为单位)后可以得出以“英寸/周”为单位的缠度。在2,800英尺每秒(850米每秒)的速度内可以如此计算;但是超过这个速度,180的值就会被使用。比如,在2,000英尺每秒(610米每秒)的速度下,一颗0.5英寸(13毫米)的半径和1.5英寸(38毫米)的长度的子弹,根据格林希尔公式就会得出25的结果,也就是每周缠距25英寸(640毫米).

后来,包括“米勒旋绕规则”在内的用来确定稳定度和缠度的改进版公式也开始被研究出来。

如果缠度不够,子弹在飞行中就会产生侧偏并且翻滚,最后斜角击中目标后留下长形的弹孔(被称作“钥匙洞”)。一旦侧偏现象开始发生,子弹就会因为进动影响开始向随机方向偏离,精确度就毫无希望了。反过来,缠度太多也会产生问题,过度的旋绕会加速枪管磨损,并且在高膛速下造成过量的旋转使得弹头外壳破裂,在空中飞行时发生解体碎弹现象。老式的单一金属铸造的抛射物(比如鸟铳弹丸)通常无法达到能够导致解体的速度和转速,但是现代无烟火药可以为旋转稳定的抛射物提供大约1,600米每秒(5,200英尺每秒)的枪口初速滑膛坦克炮中更为先进的推进药则可以提供大约1,800米每秒(5,900英尺每秒)的枪口初速。过高的缠度还可能影响精度,因为子弹本身任何不一致的部分(比如质量分布不均)都可能被旋转动作放大。 特别是尺寸过小的子弹有可能不是同心同轴的进入枪膛,而过度的膛线绕旋会使得这个问题加剧。

子弹旋转度[编辑]

线膛枪管发射出的子弹根据枪口初速和缠率,能以超过300000 RPM(5 kHz)的速度旋转。一个物体围绕单个轴的旋转值可以定义成:

  • 是旋转物体中某个点的线性速度(单位是距离/时间)
  • 是这个测量点围绕轴心旋转时所画出的圆周长

与枪管膛线相吻合的子弹在飞离枪膛是会带有的旋转度是:

  • 是枪口初速
  • 是缠度

举个例子,M4卡宾枪的枪管膛线缠度是1:7英寸(177.8毫米),枪口初速是3,050英尺每秒(930米每秒),所发射的子弹会被赋予的旋转度会是:

过快的旋转会超过子弹的设计极限,形成可以造成子弹在飞行中发生放射状解体的离心力

造法[编辑]

現代製造膛線的方法主要有四種:[3]

單點鉤切法[编辑]

单点钩切法(cut rifling)在16世紀就已被發明,是最早期的生產方法。這種膛線製法是使用一個鉤狀削刀,在槍管內邊轉邊切、慢慢地一條條削出膛線,這種方法費工費時,在其他膛線製法出現後,它就不再被用來進行大量生產。由於準確度最高,現今最高級的競賽用槍管仍用此方法製造。 把钩状切刀安置在比枪膛直径略细的钢拉杆上,钩形刮刀刃口的高度可以通过调节拉杆层部的螺丝来调节。每拉动通过枪管一次,拉杆移动几微米,随着枪管的匀速旋转,拉削出一条有一定缠度的阴膛线,达到预定宽度后,再换位置拉第二条膛线。早期的线膛枪拉一条阴膛线只要拉削二十次左右,而一支较好的枪拉削同样的阴膛线要拉削一百次左右。拉的次数越多,形成的拉槽越细,越精密

多點式拉削法[编辑]

多点拉削法(broached rifling)是單點鉤切法的改良,使用拉刀(broach),邊拉邊轉,一次同時把數條膛線切削出來。早期製法要換拉刀拉削多次,每次拉刀都比前一次大一點,逐漸增加陰膛線深度;現代則在同一支拉刀上有多組刀模,後面的刀模比前面的要大一點,因此不必換拉刀就可以把膛線切削出來。 這個方法早在19世紀就已發明,20世紀初的軍用步槍都是用這種方法來製造膛線,即使在德國人發明錘鍛法之後,還是有許多槍用此法來大量生產。 在一根拉杆上固定25至30个硬质合金钢环,每个钢环之间的距离相等,每个钢环上加工有与阴膛线数量相同的等距的刮刀,每把切刀可循其缠角与下一个环上的切刀相连,从头连到尾部即可视为一条螺形线。每一个环上刀刃的突出量略大于前一个环,形成一组系列切刀,所开的槽具有稳定的宽度,深度和间隔,这种组合环形拉削刀通过枪膛—次.则可切削出全部的阴膛线,缩短工作时间,提高了产量和质量。

模頭擠壓法[编辑]

模头挤压法(button rifling)在1950年代由美國雷明頓公司工程師麥克·華克(Mike Walker)發明的膛線製法。其方法是先將槍管鑽一個比膛徑(bore diameter)稍小的洞,然後用一根上面有跟陰膛線對應突起的高硬度模頭(button),用高壓機器從洞中邊轉邊壓下去,將鋼材擠成陰膛線和陽膛。現代槍管多數用此方法製作。

錘鍛法[编辑]

锤锻法(hammer forging)又名冷鍛法(cold forging),由德國在1930年代發明,是現代製造槍管膛線的方法,多用來製造多角型膛線(polygonal rifling),適合大量生產槍管。它的作法是將槍管鑽一個比陰膛直徑(groove diameter)稍大的洞,將一根和槍管內膛形狀相反(陰膛線位置突起)、貫穿整根槍管的高硬度模桿放在洞中,然後以機器在槍管外錘打,把鋼材擠到緊貼模桿,然後將模桿抽出,模桿突出的地方所壓出的就變成陰膛線了。這是速度最快、成本最低的方法之一,而且產出的膛線沒有其他加工方法造成的刀痕,使得槍管壽命較長且有益于精度。不過由於巨額的初期設備投資,僅有少數规模较大的槍管製造廠使用這種方法來製造膛線。

膛線的其他應用[编辑]

就像人類指紋,每一枝槍都有其獨特的膛線,因此鑑證人員可根據子彈發射後彈頭上被膛線削出來的線進行鑑證工作。

相關條目[编辑]

引用[编辑]

  1. ^ 马庆恒 崔中旺. 陀螺原理与螺旋膛线. 
  2. ^ ANDY. 枪械常识. 
  3. ^ Rifling【製作膛線】. 

外部連結[编辑]