膛线

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105毫米战车炮炮管剖面
右旋的膛线

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状分布的凹凸槽,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),枪支的书面口径通常指的是一条阳线与其正对面的另一条阳线间的距离,因此子弹弹头的直径通常大于枪支的口径。

历史[编辑]

在15世纪已经有使用膛线的纪录,首次大规模应用是在约1500年德国的扳机击发火绳枪,到18世纪才真正普及。请参阅条目步枪

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,使弹头出膛后螺旋转动飞行,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,线膛武器是不能使用尾翼稳定弹药的。但是弹药技术的提高(滑动弹带、改进型弹托等技术)解决了这个问题。

原理[编辑]

弹丸在膛线的作用下旋转,这与高速旋转的陀螺运动原理是一样的。弹轴相当于陀螺轴,弹道切线相当于垂直轴,弹丸飞行中的张动角相当于陀螺的摆动角,弹丸的质心相当于陀螺支点,空气作用于弹丸上的翻转力矩相当于陀螺的重力偶矩。当弹丸在膛内运动时,膛线就迫使它高速旋转,并且在翻转力偶矩的作用下,除自转外,还以其质心为中心绕弹道切线作圆锥运动,使弹轴与弹道切线始终保持很小的摆动角,(弹道学上称为张动角)而不至于翻倒,从而保证了弹丸的稳定飞行。[1]

种类[编辑]

膛线可以主要分为两种,分为阳膛线与阴膛线两种设计,大炮主要使用阳膛线,携带式枪械主要使用阴膛线,阳膛线加工上较困难,膛线没有一个既定数目,2、4、6、8条甚至于更多,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条(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冲锋枪和美国春田M1903简化版步枪)。膛线根据旋转的方向可分右旋、左旋(从射手方向看去),右旋膛线比较普及;虽然膛线的的数目没有一个既定标准,不过深度只能在固定的范围内;膛线按截面形状分为矩形膛线、梯形膛、弓形膛线、圆弧形膛线、多弧形膛线、多边弧形膛线等。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线、多边弧形膛线等优质膛线,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]

尽管多边形膛线(polygonal rifling)很早就出现了,但是在19世纪末线状无烟火药弹药刚出现时就已经很少使用。多边形膛线的原理最早是在1853年由著名的英国发明家约瑟夫·惠特沃思爵士(Sir Joseph Whitworth,1803~1887)提出的。当时惠特沃思正在试验在火炮上应用六边形炮管,并且在1854年申请了专利,但是英国军方在1856年拒绝采用他的设计,惠特沃思因此转而将设计应用到了步枪上试图取代当时服役的1853式恩菲尔德步枪。南北战争时期,南军的神枪手使用装配了多边形枪管的惠特沃思步枪(Whitworth rifle)在战场上取得了很大成功,甚至在1,000码(910米)的距离外一击狙杀了北军在战争中阵亡的最高将领约翰·塞奇威克将军(John Sedgwick,1813~1864,生前最后一句话是“这么远的距离,他们连大象都打不到”)。惠特沃思步枪远超同时期其他枪型(比如夏普斯步枪)的远程精度使其成了“神枪手”的代名词,并且被后世定义为最早的一款真正意义上的狙击步枪。

最后两款大批量使用的多边形膛线步枪是英国的李-梅特福步枪(Lee-Metford rifle)和日本的有坂铳。当线状无烟火药开始取代黑火药时,因为当时用来制作李-梅特福枪管的金属材料太软,膛喉磨损情况太严重无法适应新式火药,因此整个多边形膛线枪管设计被取缔,在西方几乎销声匿迹,李-梅特福步枪也随即被改制成了传统膛线的李-恩菲尔德步枪。而东方的情况则相反,有坂铳设计则通过后续的三八式步枪不断证明了其在战场上的耐用性和精度,从日俄战争一战开始一直坚持到了二战结束才推出历史舞台。

第二次世界大战期间,因为纳粹德国为了能够快速生产大量可靠耐用的枪管而开始批量使用新发明的冷锻法,多边形膛线又重出江湖出现在MG42机枪上。二战结束后,许多德国的军火商还在继续推出有多边形膛线的枪械,比如莱茵金属MG3通用机枪,以及黑克勒&科赫G3A3自动步枪SL7半自动步枪和著名的PSG-1半自动狙击步枪。许多以手枪设计著名的欧洲公司,比如黑克勒&科赫格洛克、乌尔斯基·布罗德、瓦尔特等,都推出了多边形手枪管,使得多边形膛线的设计开始变得更加多样化。

多边形膛线的支持者宣称其对比传统膛线,所具有的优势有:

  • 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
  • 枪膛气密性更佳,更高的子弹初速
  • 对弹头外形的压划形变更少,更高的外弹道精度(不过没有足够的测试报告能显著支持此论点)
  • 膛线磨损更轻,更长的枪管寿命
  • 能残留在膛线缝隙中的碳末、铜屑等污垢更少,更容易清理

而更支持传统膛线的人则指出多边形膛线的不足之处有:

  • 制造上依赖冷锻法,因而器材上的初期投资过于昂贵,而且需要做复杂的高温处理,使得中小型规模的制造厂家(绝大多数枪匠)出于成本无法染指
  • 因为多边形膛线对弹头的接触面更大,如果使用无背甲的铅弹头,铅粉更容易“涂抹”囤积在膛壁上,因而增加膛壁的摩擦系数和发射时的膛压,使得理论上的炸膛风险更高。虽然没有任何实际依据证明是否所有的多边形设计的积铅率都高,推广多边形枪管最为积极的格洛克公司出于谨慎已经公开告知用户避免使用裸露的铅弹头
  • 多边形膛线对弹头压划造成的形变大大低于传统膛线,因此会使得法医学上的弹道鉴定更为困难,增加对枪支犯罪侦查的难度并降低执法机构的办案效能

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]

现代制造膛线的方法主要有四种:

单点钩切法[编辑]

单点钩切法(cut rifling)在16世纪就已被发明,是最早期的生产方法。这种膛线制法是使用一个钩状削刀,在枪管内边转边切、慢慢地一条条削出膛线,这种方法费工费时,在其他膛线制法出现后,它就不再被用来进行大量生产。由于准确度最高,现今最高级的竞赛用枪管仍用此方法制造。 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

多点式拉削法[编辑]

多点拉削法(broached rifling)是单点钩切法的改良,使用拉刀(broach),边拉边转,一次同时把数条膛线切削出来。早期制法要换拉刀拉削多次,每次拉刀都比前一次大一点,逐渐增加阴膛线深度;现代则在同一支拉刀上有多组刀模,后面的刀模比前面的要大一点,因此不必换拉刀就可以把膛线切削出来。 这个方法早在19世纪就已发明,20世纪初的军用步枪都是用这种方法来制造膛线,即使在德国人发明锤锻法之后,还是有许多枪用此法来大量生产。 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。

模头挤压法[编辑]

模头挤压法(button rifling)在1950年代由美国雷明顿公司工程师麦克·华克(Mike Walker)发明的膛线制法。其方法是先将枪管钻一个比膛径(bore diameter)稍小的洞,然后用一根上面有跟阴膛线对应突起的高硬度模头(button),用高压机器从洞中边转边压下去,将钢材挤成阴膛线和阳膛。现代枪管多数用此方法制作。

锤锻法[编辑]

锤锻法(hammer forging)又名冷锻法(cold forging),由德国在1930年代发明,是现代制造枪管膛线的方法,多用来制造多角型膛线(polygonal rifling),适合大量生产枪管。它的作法是将枪管钻一个比阴膛直径(groove diameter)稍大的洞,将一根和枪管内膛形状相反(阴膛线位置突起)、贯穿整根枪管的高硬度模杆放在洞中,然后以机器在枪管外锤打,把钢材挤到紧贴模杆,然后将模杆抽出,模杆突出的地方所压出的就变成阴膛线了。这是速度最快、成本最低的方法之一,而且产出的膛线没有其他加工方法造成的刀痕,使得枪管寿命较长且有益于精度。不过由于巨额的初期设备投资,仅有少数规模较大的枪管制造厂使用这种方法来制造膛线。

膛线的其他应用[编辑]

就像人类指纹,每一枝枪都有其独特的膛线,因此鉴证人员可根据子弹发射后弹头上被膛线削出来的线进行鉴证工作。

相关条目[编辑]

引用[编辑]

  1. ^ 马庆恒 崔中旺. 陀螺原理与螺旋膛线. (原始内容存档于2005-02-08). 
  2. ^ ANDY. 枪械常识. (原始内容存档于2007-02-20). 

外部链接[编辑]