槍機(jī)原理科普:氣動(dòng)操作

氣動(dòng)操作(Gas-operated reloading)又稱(chēng)氣體傳動(dòng)式是一種槍機(jī)運(yùn)作的原理與方式,其原理為利用子彈中的發(fā)射藥于擊發(fā)后所產(chǎn)生的高壓氣體經(jīng)過(guò)槍管上的導(dǎo)孔來(lái)推動(dòng)連結(jié)槍機(jī)的結(jié)構(gòu),例如活塞與活塞連桿,或者是導(dǎo)氣管(Gas Tube)與增壓器,以完成槍機(jī)的開(kāi)鎖/閉鎖,拋殼與進(jìn)彈。換言之,子彈產(chǎn)生的高壓氣就是槍支與槍機(jī)自動(dòng)/半自動(dòng)運(yùn)作的來(lái)源;近代自動(dòng)槍械多數(shù)采用氣體操作式。另兩種自動(dòng)槍械運(yùn)作方式分別是后座作用與自由槍機(jī)。


氣動(dòng)操作原理分類(lèi)
氣動(dòng)操作依照原理與不同槍支的機(jī)械設(shè)計(jì)方式有分為四種五類(lèi):
第一種是依賴活塞原理進(jìn)行槍機(jī)運(yùn)作的方式,亦即透過(guò)導(dǎo)流使氣體推動(dòng)活塞,活塞連動(dòng)槍機(jī),透過(guò)這一串的程序完成槍支的自動(dòng)/半自動(dòng)運(yùn)作。然而活塞的運(yùn)作以行程為主,以行程移動(dòng)距離的長(zhǎng)短劃分,而非以活塞的重量或者大小劃分。
第二種是利用“收集”子彈的高壓氣之后再導(dǎo)流進(jìn)入氣缸推動(dòng)活塞或整個(gè)槍管連動(dòng)到槍機(jī)進(jìn)行完成槍支的自動(dòng)/半自動(dòng)運(yùn)作。
第三種是利用第二種“收集”氣體的原理進(jìn)行推動(dòng)槍管連動(dòng)槍機(jī)完成槍支的自動(dòng)/半自動(dòng)運(yùn)作。
最后一種是經(jīng)由導(dǎo)氣管導(dǎo)流氣體向后“吹送”槍機(jī)完成槍支的自動(dòng)/半自動(dòng)運(yùn)作。
目前大概可以分為:
短行程活塞傳動(dòng)式(Short stroke)
長(zhǎng)行程活塞傳動(dòng)式(Long stroke)
氣井集氣操作(Gas trap)
槍口助退器(Muzzle booster)
直噴式瓦斯操作式(Direct impingement;也稱(chēng)為Direct Gas Action)
活塞原理
短行程活塞傳動(dòng)
這是最常見(jiàn)的氣體傳動(dòng)式系統(tǒng),由美國(guó)槍械設(shè)計(jì)師大衛(wèi)·馬歇爾·威廉姆斯(1921年因二級(jí)謀殺罪獲刑30年,在獄中獲減刑于1929年出獄,他的發(fā)明和M1卡賓槍的操作有關(guān))所發(fā)明。原則上活塞行程不會(huì)大于活塞本體的長(zhǎng)度,因此在結(jié)構(gòu)上重量也比較輕。此外由于活塞的運(yùn)動(dòng)范圍不大,因此不會(huì)造成槍支重心嚴(yán)重的前后位移,對(duì)于射擊時(shí)的穩(wěn)定度有很大的幫助。目前采用短行程活塞設(shè)計(jì)的槍支例如美國(guó)M1卡賓槍、AR-18突擊步槍、T65突擊步槍、T86戰(zhàn)斗步槍、T91戰(zhàn)斗步槍、英國(guó)SA80槍族、新加坡SAR 80突擊步槍、德國(guó)HK G36突擊步槍、HK416突擊步槍、HK417自動(dòng)步槍、比利時(shí)FN F2000突擊步槍FN SCAR突擊步槍、中國(guó)95式自動(dòng)步槍、03式自動(dòng)步槍和QBZ-191自動(dòng)步槍。
長(zhǎng)行程活塞傳動(dòng)
顧名思義長(zhǎng)行程活塞傳動(dòng)式的行程遠(yuǎn)大于活塞長(zhǎng)度,值得注意的是在這種設(shè)計(jì)中活塞與氣缸的體積也代表氣體的留滯時(shí)間比短行程活塞的氣體留滯時(shí)間長(zhǎng),因此以相對(duì)的角度來(lái)說(shuō)氣體推動(dòng)活塞的導(dǎo)孔必須要接近槍口的位置,然后制導(dǎo)氣體回傳給活塞再向后透過(guò)連動(dòng)的結(jié)構(gòu)推動(dòng)槍機(jī)。這個(gè)必須靠近槍口的設(shè)計(jì)原因是因?yàn)槿绻麣怏w導(dǎo)氣孔往槍機(jī)的方向靠近會(huì)提前排出推動(dòng)戰(zhàn)斗部的氣體以致于降低戰(zhàn)斗部的威力。相對(duì)地來(lái)說(shuō)長(zhǎng)行程活塞結(jié)構(gòu)的重量也比短行程活塞結(jié)構(gòu)較重,不過(guò)在結(jié)構(gòu)上比較牢固,因此運(yùn)用在輕機(jī)槍及中型機(jī)槍等全自動(dòng)武器上。例如勃朗寧自動(dòng)步槍、M1加蘭德步槍、布倫輕機(jī)槍?zhuān)约艾F(xiàn)代的AK系列、大宇K2突擊步槍和HCAR戰(zhàn)斗步槍。
氣井集氣操作
這種氣動(dòng)操作的方式說(shuō)穿了比活塞傳動(dòng)多了一個(gè)畫(huà)蛇添足的“集氣”動(dòng)作,亦即槍支實(shí)際上有兩個(gè)槍口;第一個(gè)槍口是槍管本身的槍口,第二個(gè)槍口就是“集氣杯”本身。當(dāng)子彈的高壓氣體將戰(zhàn)斗部送出槍口時(shí)會(huì)先經(jīng)過(guò)這個(gè)槍口與集氣杯中間的空間,由于氣體是朝四面八方壓力低的空間擴(kuò)散,因此這個(gè)空間就會(huì)涌入氣體并且不斷地涌入。
集氣杯會(huì)讓?xiě)?zhàn)斗部飛出但是借由高壓氣自然擴(kuò)散的特性將氣體進(jìn)行“收集”,甚至是“捕捉”的功能;氣體持續(xù)涌入集氣杯與槍管的空間內(nèi)就會(huì)形成壓力擠壓集氣杯與槍管,然而集氣杯都是采取固定的設(shè)計(jì),因此高壓氣只能推動(dòng)能夠移動(dòng)的部分,剛好就是槍管。于是槍管被氣體向后推,槍管下方的連桿也就被拉直,連桿尾端有個(gè)曲弧狀杠桿就會(huì)因?yàn)楸桓軛U拉直的關(guān)系向后抵推槍機(jī)組,而完成槍機(jī)的開(kāi)鎖/閉鎖,拋殼與進(jìn)彈。
前面所描述的是丹麥一位索倫·邦(Soren H. Bang)在1904年的發(fā)明專(zhuān)利,盡管經(jīng)過(guò)索倫·邦自己大力宣傳與促銷(xiāo),然而索倫·邦在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到結(jié)構(gòu)會(huì)因?yàn)閺?fù)雜化而增加額外的重量,因此特意減輕槍管的重量來(lái)維持整體重量在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi),不幸卻變成他自己設(shè)計(jì)與專(zhuān)利上的致命傷。在美國(guó)陸軍的測(cè)試中,很快就發(fā)現(xiàn)因?yàn)闃尮芴∫灾掠谌詣?dòng)射擊時(shí),槍管就升溫到難以握持的程度;雖然索倫·邦的設(shè)計(jì)在其他測(cè)試方面都有不錯(cuò)的評(píng)價(jià),但是最后仍然沒(méi)有被采用為制式步槍。
至于M1加蘭德步槍在1936年初期成為美國(guó)陸軍制式裝備時(shí)也是采取氣井集氣操作的裝置,這種最早期采用氣井集氣杯設(shè)計(jì)的M1步槍只生產(chǎn)約4萬(wàn)8千把左右,因此也被稱(chēng)為"Gas Trap" Garand。然而進(jìn)入部隊(duì)服役后常常引起操作與結(jié)構(gòu)上的故障,導(dǎo)致部隊(duì)普遍認(rèn)為風(fēng)評(píng)不佳,迫使J·C·加蘭德在1939年重新變更設(shè)計(jì),修改成長(zhǎng)行程活塞傳動(dòng)式,才使得M1步槍獲得喬治·巴頓將軍評(píng)價(jià)它是“曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)的最了不起的戰(zhàn)斗武器”(Greatest battle implement ever devised)。
目前這種設(shè)計(jì)與槍支操作方式已經(jīng)退出歷史舞臺(tái),沒(méi)有槍支再采用。
槍口助退器
槍口助退器類(lèi)似將短行程活塞傳動(dòng)與氣井集氣裝置再整合在一起,以圖五來(lái)說(shuō)就是當(dāng)子彈的高壓氣從槍口擴(kuò)散而出之后又遭到集氣杯的攔阻。不同于氣井的集氣杯在于增壓器集氣杯的杯口朝槍機(jī)方向,杯底才是槍口,槍口助退器則是杯口兼槍口。當(dāng)高壓氣擴(kuò)散于集氣杯中后就會(huì)四處推動(dòng)壓力小或無(wú)法承受壓力的部分;槍管就是被設(shè)定為無(wú)法承受壓力的部分,因此被氣體向后推送,而槍管連動(dòng)槍機(jī)完成開(kāi)鎖/閉鎖,拋殼與進(jìn)彈。至于擴(kuò)散的氣體在推動(dòng)槍管之后很快就被充作氣閥門(mén)的槍口后退開(kāi)啟擴(kuò)散孔而排出,亦即直噴式瓦斯操作式進(jìn)行推動(dòng)與滯留的時(shí)間相當(dāng)短,這也是用來(lái)區(qū)別氣井集氣操作與槍口助退器操作原理的區(qū)別方法。
基本上采用這種氣動(dòng)操作方式的主要都是機(jī)槍?zhuān)鏜G42通用機(jī)槍、維克斯機(jī)槍以及馬克沁機(jī)槍。盡管大部分資料指出這些機(jī)槍都是用后座力進(jìn)行槍只與槍機(jī)的操作,實(shí)際上如果沒(méi)有槍口助退器的協(xié)助,這些機(jī)槍的射速就無(wú)法進(jìn)一步提高,性能也就無(wú)法充分發(fā)揮甚至可靠(reliability)。
氣體直接傳動(dòng)式
直噴式瓦斯操作式操作就是舍去一般活塞傳動(dòng)所需的活塞、汽缸、連桿等零件,直接將高壓氣經(jīng)由導(dǎo)氣管導(dǎo)流瓦斯直接向后“吹送”槍機(jī)完成槍支的自動(dòng)/半自動(dòng)運(yùn)作。最早采用這種設(shè)計(jì)的槍支例如有瑞典的Ag M/42半自動(dòng)步槍、法國(guó)的MAS-49半自動(dòng)步槍?zhuān)约昂髞?lái)的美國(guó)的M16突擊步槍、韓國(guó)的K1卡賓槍、中華人民共和國(guó)的CQ突擊步槍、伊朗的海白爾KH2002突擊步槍。缺點(diǎn)在于高壓氣體被傳導(dǎo)回機(jī)匣內(nèi)部,使槍機(jī)開(kāi)鎖拋殼的同時(shí),也會(huì)因?yàn)闅怏w本身的高熱,造成機(jī)匣內(nèi)部潤(rùn)滑槍機(jī)的潤(rùn)滑油加速蒸發(fā)、干燥,使其失去潤(rùn)滑效果。
由于導(dǎo)氣管必須維持很小的直徑讓氣體維持足夠壓力推動(dòng)槍機(jī)后退開(kāi)鎖,因此如果子彈的推進(jìn)火藥品質(zhì)不好的話,則易造成導(dǎo)氣管與槍機(jī)產(chǎn)生嚴(yán)重的積碳,進(jìn)而容易導(dǎo)致槍機(jī)不正常運(yùn)作,發(fā)生閉鎖不全的情形。而這也是為何M16步槍系列在防塵蓋/拋殼擋板后方有個(gè)槍機(jī)復(fù)進(jìn)助推器設(shè)置的原因——具體來(lái)說(shuō),AR-15步槍的拉機(jī)柄只能拉動(dòng)槍機(jī)不能將其推回,所以才會(huì)設(shè)置這個(gè)助推器,跟是不是導(dǎo)氣管式?jīng)]有關(guān)系(如HK G41突擊步槍、HK416突擊步槍、HK417自動(dòng)步槍也有同樣的設(shè)計(jì)),另外也沒(méi)有相關(guān)的統(tǒng)計(jì)資料證明這個(gè)槍機(jī)復(fù)進(jìn)助推器的使用率。
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