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膛线

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膛线(英语:Rifling,又译作来福线,来福枪即来自此名字)是现代炮管及枪管的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

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

如果枪膛内有膛线,弹头就会在穿过枪膛时产生纵轴自转,使战斗部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

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。

种类

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斯普林菲尔德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。

多边形膛线

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,从日俄战争和一战开始一直坚持到了二战结束才退出历史舞台。

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,比如莱茵金属的MG3通用机枪,以及黑克勒&科赫的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;同时因为积碳积铜的程度较轻,每次清理后不需要预先发射数次(所谓的“挂垢”射击 fouling shots)才能进入挂铜稳定期,使得内弹道的化学一致性更佳

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。不过在战场上这并不会造成困扰。

缠率

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曳光弹的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 ACP的M1911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

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:

Math 膛线.png

  1. 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。