膛線

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105毫米戰車砲砲管剖面
右旋的膛線

膛線英語:Rifling,又譯作「來複線」)是現代炮管及槍管管膛內壁上被鍛刻加工出的呈螺旋狀分布的凹凸槽,可使子彈在發射時沿着膛線作縱軸旋轉,產生陀螺儀效應穩定彈道,因而能更精確的射向目標。

膛線下陷中空的地方稱作陰線陰膛(groove,在多邊形膛線中則稱為valley),凸起部分成為陽線陽膛(land,在多邊形膛線中稱為hill),槍支的書面口徑通常指的是一條陽線與其正對面的另一條陽線間的距離,因此子彈彈頭的直徑通常大於槍支的口徑。

歷史[編輯]

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槍,到18世紀才真正普及。請參閱條目步槍

用途[編輯]

如果槍膛內有膛線,彈頭就會在穿過槍膛時產生縱軸自轉,使彈頭出膛後螺旋轉動飛行,通過陀螺儀效應保持角動量守恆增加彈道穩定性、有效射程和終端殺傷力。

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[編輯]

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[編輯]

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(手槍步槍等)、6(狙擊步槍等重視精度的槍械)、8條(機槍),另有簡化版武器只使用2條膛線(比如二戰英國的斯登衝鋒槍和美國春田M1903簡化版步槍)。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。早期黑火藥時代膛線普遍比較淺(因為黑火藥殘渣多,並且使用鉛彈頭),後來產生多種膛線,當今比較流行多弧形膛線、多邊弧形膛線等優質膛線,可以提高武器精度和初速,並減小火藥燒蝕提高壽命。[2]

多邊形膛線[編輯]

儘管多邊形膛線(polygonal rifling)很早就出現了,但是在19世紀末線狀無煙火藥彈藥剛出現時就已經很少使用。多邊形膛線的原理最早是在1853年由著名的英國發明家約瑟夫·惠特沃思爵士(Sir Joseph Whitworth,1803~1887)提出的。當時惠特沃思正在試驗在火炮上應用六邊形炮管,並且在1854年申請了專利,但是英國軍方在1856年拒絕採用他的設計,惠特沃思因此轉而將設計應用到了步槍上試圖取代當時服役的1853式恩菲爾德步槍。南北戰爭時期,南軍的神槍手使用裝配了多邊形槍管的惠特沃思步槍(Whitworth rifle)在戰場上取得了很大成功,甚至在1,000碼(910公尺)的距離外一擊狙殺了北軍在戰爭中陣亡的最高將領約翰·塞奇威克將軍(John Sedgwick,1813~1864,生前最後一句話是「這麼遠的距離,他們連大象都打不到」)。惠特沃思步槍遠超同時期其他槍型(比如夏普斯步槍)的遠程精度使其成了「神槍手」的代名詞,並且被後世定義為最早的一款真正意義上的狙擊步槍。

最後兩款大批量使用的多邊形膛線步槍是英國的李-梅特福步槍(Lee-Metford rifle)和日本的有坂銃。當線狀無煙火藥開始取代黑火藥時,因為當時用來製作李-梅特福槍管的金屬材料太軟,膛喉磨損情況太嚴重無法適應新式火藥,因此整個多邊形膛線槍管設計被取締,在西方幾乎銷聲匿跡,李-梅特福步槍也隨即被改制成了傳統膛線的李-恩菲爾德步槍。而東方的情況則相反,有坂銃設計則通過後續的三八式步槍不斷證明了其在戰場上的耐用性和精度,從日俄戰爭一戰開始一直堅持到了二戰結束才推出歷史舞台。

第二次世界大戰期間,因為納粹德國為了能夠快速生產大量可靠耐用的槍管而開始批量使用新發明的冷鍛法,多邊形膛線又重出江湖出現在MG42機槍上。二戰結束後,許多德國的軍火商還在繼續推出有多邊形膛線的槍械,比如萊茵金屬MG3通用機槍,以及黑克勒&科赫G3A3自動步槍SL7半自動步槍和著名的PSG-1半自動狙擊步槍。許多以手槍設計著名的歐洲公司,比如黑克勒&科赫格洛克、烏爾斯基·布羅德、瓦爾特等,都推出了多邊形手槍管,使得多邊形膛線的設計開始變得更加多樣化。

多邊形膛線的支持者宣稱其對比傳統膛線,所具有的優勢有:

  • 槍管結構的一致性和強度更佳,對應力集中效應的疲勞極限更高
  • 槍膛氣密性更佳,更高的子彈初速
  • 對彈頭外形的壓劃形變更少,更高的外彈道精度(不過沒有足夠的測試報告能顯著支持此論點)
  • 膛線磨損更輕,更長的槍管壽命
  • 能殘留在膛線縫隙中的碳末、銅屑等污垢更少,更容易清理

而更支持傳統膛線的人則指出多邊形膛線的不足之處有:

  • 製造上依賴冷鍛法,因而器材上的初期投資過於昂貴,而且需要做複雜的高溫處理,使得中小型規模的製造廠家(絕大多數槍匠)出於成本無法染指
  • 因為多邊形膛線對彈頭的接觸面更大,如果使用無背甲的鉛彈頭,鉛粉更容易「塗抹」囤積在膛壁上,因而增加膛壁的摩擦係數和發射時的膛壓,使得理論上的炸膛風險更高。雖然沒有任何實際依據證明是否所有的多邊形設計的積鉛率都高,推廣多邊形槍管最為積極的格洛克公司出于謹慎已經公開告知用戶避免使用裸露的鉛彈頭
  • 多邊形膛線對彈頭壓劃造成的形變大大低於傳統膛線,因此會使得法醫學上的彈道鑑定更為困難,增加對槍支犯罪偵查的難度並降低執法機構的辦案效能

纏率[編輯]

為了達到最佳射擊性能,槍管應具有足夠的膛線纏度(twist rate)來穩定需要發射的子彈,但是纏度太大也會白白浪費子彈前進的動能。通常大口徑子彈更加穩定,因為半徑更大會提供更多的轉動慣量;更長的子彈更難穩定,因為通常重心更靠後而且外力干擾產生的力矩也更大。因為步槍彈通常比手槍彈更長、口徑更小,因此整體來說步槍擁有比手槍更高的纏率。比如,發射5.56×45毫米SS109北約彈和L110曳光彈M16A2步槍則擁有1:7英寸的纏率,民用的AR-15步槍則通常有1:12英寸~1:9英寸之間的纏率;而發射.45 ACPM1911手槍則擁有1:16英寸的纏率。發射球狀彈丸的前裝槍因為長度直徑比最小(等於1),纏率也最小,通常只有1:72英寸~1:48英寸。

纏度的表達方式[編輯]

一共有三種描述纏度的方式。

  1. 最常用的第一種方式是用纏距(travel length)——也就是每根膛線螺旋一周所需要走過的槍膛長度(常用單位是英寸)計算纏度,通常是用纏距的倒數來表達。比如某根槍管內的膛線每螺旋一周需要10英寸,那麼這根槍管的纏度就是每10英寸一周,也就是1:10英寸。這種方法雖然方便,但是因為忽視了槍膛口徑,不能很好的解釋纏度相對起來是快是慢。
  2. 第二種方法是在第一種方法的基礎上加入了槍膛口徑,用口徑與纏距的比例來表述纏度,比第一種方法更能清楚解釋不同口徑槍管之間纏度的相對快慢。數學計算公式就是:
    • = 口徑比纏度
    • = 纏距(毫米或英寸)
    • = 槍膛(陽線)口徑(毫米或英寸)
    這其中纏距和口徑的單位必須統一。
  3. 第三種方法只是簡單的表達膛線陰線和槍膛縱軸間的夾角。這種表達方式並不常見。

纏度與彈道穩定度[編輯]

1879年,伍利奇皇家軍事學院的數學教授阿弗萊德·喬治·格林希爾爵士(Sir Alfred George Greenhill)研究出了一套為鉛芯彈計算最佳纏度的經驗法則。這套方法利用子彈的長度,而不需要考慮重量或者彈頭形狀。這個以他命名的「格林希爾公式」至今還在使用,如下:

  • = 常數,一般是150,槍口初速高過2,800英尺每秒(850公尺每秒)時則使用180
  • = 子彈直徑(單位為英寸)
  • = 子彈長度(單位為英寸)
  • = 子彈比重(鉛芯彈使用10.9,可以對消掉公式的後半部分)

原來的值是150,在配上子彈直徑 和長度(都以英寸為單位)後可以得出以「英寸/周」為單位的纏度。在2,800英尺每秒(850公尺每秒)的速度內可以如此計算;但是超過這個速度,180的值就會被使用。比如,在2,000英尺每秒(610公尺每秒)的速度下,一顆0.5英寸(13公釐)的半徑和1.5英寸(38公釐)的長度的子彈,根據格林希爾公式就會得出25的結果,也就是每周纏距25英寸(640公釐).

後來,包括「米勒旋繞規則」在內的用來確定穩定度和纏度的改進版公式也開始被研究出來。

如果纏度不夠,子彈在飛行中就會產生側偏並且翻滾,最後斜角擊中目標後留下長形的彈孔(被稱作「鑰匙洞」)。一旦側偏現象開始發生,子彈就會因為進動影響開始向隨機方向偏離,精確度就毫無希望了。反過來,纏度太多也會產生問題,過度的旋繞會加速槍管磨損,並且在高膛速下造成過量的旋轉使得彈頭外殼破裂,在空中飛行時發生解體碎彈現象。老式的單一金屬鑄造的拋射物(比如鳥銃彈丸)通常無法達到能夠導致解體的速度和轉速,但是現代無煙火藥可以為旋轉穩定的拋射物提供大約1,600公尺每秒(5,200英尺每秒)的槍口初速滑膛坦克炮中更為先進的推進藥則可以提供大約1,800公尺每秒(5,900英尺每秒)的槍口初速。過高的纏度還可能影響精度,因為子彈本身任何不一致的部分(比如質量分布不均)都可能被旋轉動作放大。 特別是尺寸過小的子彈有可能不是同心同軸的進入槍膛,而過度的膛線繞旋會使得這個問題加劇。

子彈旋轉度[編輯]

線膛槍管發射出的子彈根據槍口初速和纏率,能以超過300000 RPM(5 kHz)的速度旋轉。一個物體圍繞單個軸的旋轉值可以定義成:

  • 是旋轉物體中某個點的線性速度(單位是距離/時間)
  • 是這個測量點圍繞軸心旋轉時所畫出的圓周長

與槍管膛線相吻合的子彈在飛離槍膛是會帶有的旋轉度是:

  • 是槍口初速
  • 是纏度

舉個例子,M4卡賓槍的槍管膛線纏度是1:7英寸(177.8公釐),槍口初速是3,050英尺每秒(930公尺每秒),所發射的子彈會被賦予的旋轉度會是:

過快的旋轉會超過子彈的設計極限,形成可以造成子彈在飛行中發生放射狀解體的離心力

造法[編輯]

現代製造膛線的方法主要有四種:

單點鉤切法[編輯]

單點鈎切法(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。 把鈎狀切刀安置在比槍膛直徑略細的鋼拉杆上,鈎形刮刀刃口的高度可以通過調節拉杆層部的螺絲來調節。每拉動通過槍管一次,拉杆移動幾微米,隨着槍管的勻速旋轉,拉削出一條有一定纏度的陰膛線,達到預定寬度後,再換位置拉第二條膛線。早期的線膛槍拉一條陰膛線只要拉削二十次左右,而一支較好的槍拉削同樣的陰膛線要拉削一百次左右。拉的次數越多,形成的拉槽越細,越精密

多點式拉削法[編輯]

多點拉削法(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個硬質合金鋼環,每個鋼環之間的距離相等,每個鋼環上加工有與陰膛線數量相同的等距的刮刀,每把切刀可循其纏角與下一個環上的切刀相連,從頭連到尾部即可視為一條螺形線。每一個環上刀刃的突出量略大於前一個環,形成一組系列切刀,所開的槽具有穩定的寬度,深度和間隔,這種組合環形拉削刀通過槍膛—次.則可切削出全部的陰膛線,縮短工作時間,提高了產量和質量。

模頭擠壓法[編輯]

模頭擠壓法(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[編輯]

錘鍛法(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於精度。不過由於巨額的初期設備投資,僅有少數規模較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[編輯]

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[編輯]

引用[編輯]

  1. ^ 馬慶恆 崔中旺. 陀螺原理與螺旋膛線. (原始內容存檔於2005-02-08). 
  2. ^ ANDY. 槍械常識. (原始內容存檔於2007-02-20). 

外部連結[編輯]