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HK416的结构
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概述
改进作业首先从观察卡宾枪动作机能的高速录像开始的，在仔细观察了该武器的射击循环后，一系列的改进项目被提到了工作日程上。HK的工程师们对于AR-15/M16/M4武器系统的一些设计特征给予了高度评价，他们从一开始就表示保留尽可能多的该武器已经具有的良好特征，仅仅加入一些必要改进的特性。但有一项直接取自SA80项目的关键性部件由于已经有了现成的产品而被提早采用了，这就是HK公司为SA80改进的新弹匣。
由于HK公司对M16弹匣的可靠性不满，所以在研制G36时采用了全新的弹匣，该弹匣不与北约4179标准弹匣通用。虽然有许多公司都研制出通用但可靠的4179标准弹匣，不过由于G36原本是为德国国防军研制的，HK公司必须首先考虑国防军多年使用G3的操作习惯。但在改进SA80时，由于英国国防部要求新旧弹匣必须通用，于是HK公司设计了提高供弹可靠性的新弹匣。这种新弹匣仍然符合北约4179标准，看起来与M16的直－弯－直结构铝制弹匣也很相似，但却是采用钢制的全弧形弹匣结构。拉里·韦克斯早在2000年时就因为倒霉的HK-1911计划访问了HK公司后，第一次将SA80的新弹匣介绍到美国来。他为三角洲突击队订购了200个弹匣来进行测试和评估，此事的结果是最终使得美国特种作战司令部（USSOCOM）下辖的所有部队都决定采用HK公司的钢弹匣。
有意思的是，在2007年美国陆军对M4、HK416、XM8和FN SCAR进行了一次风沙环境对比试验，虽然M4的成绩远远低于排在第3名的HK416，但在试验报告中指出没有更换制式步枪的需要，却建议采用新的弹匣。可见弹匣问题本身也是M16故障率较高的原因之一。
供弹可靠性的问题如此轻易地解决，那么剩下来的导气系统就是HK公司的主攻目标了。开始时主要的努力方向是把G36/XM8上使用的短行程导气活塞系统移植到M4上，这是M4一系列问题的症结所在。当火药气体通过导气孔进入导气室内时，活塞受到压力向后运动，当活塞前端的密封杆拔出排气孔时，剩余气体由前方的排气孔放出，但活塞还会在惯性作用下继续运动，推动枪机组件一段距离后，活塞运动停止运动，在活赛杆簧的作用下复进，而枪机框则靠惯性完成带动枪机组件继续后坐，直至完成整个自动循环。这种新的导气装置不仅比起传统AR式武器那种容易“肮脏”的直接导气装置更可靠，而且还大大减少了使用者的维护次数。这也使得长时间在野外作战时的只需要很低程度的维护要求，尤其适合特种部队使用。
HK416仍沿用了许多M4原来的部件，比如枪机和拉壳钩。但对导气装置的改进却延长了这些将要到期的零件的使用寿命。热量——是HK的工程师们发现在AR式武器直接导气系统里面的隐藏杀手。接触过AR式武器的人都知道，从导气管带出的热进入到枪机框里，不仅使润滑剂迅速干燥和挥发，还会在枪机内积碳而形成污垢，这都使得动作机构内的重要部件的使用寿命大大减少。采用了活塞式导气系统后，枪械的动作部件明显地“变冷”了并且大大延长其使用寿命。在试验中，一把HK416射弹超过了26,000发，如此频繁地使用枪械的任何部件都没有出现任何类型的破损，而且枪管非常长寿。这表明，热量不会通过导气活塞系统进入动作机构中，在全自动模式下射空多个弹匣后，你都可以用裸露的手直接接触活塞杆的复进簧和拉机柄（HK公司在各种宣传HK416的视频中都喜欢在刚射击完枪支后立即拆卸，让参观者赤手去触摸枪机）。而根据DEVGRU退役的Kyle Defoor所说的，改用导气活塞的最大的好处就是解决了在短AR（包括M4和Mk18 CQBR）上安装消声器后的“Over gassed”（过量气体）问题。
原本的M16在安装消声器后，由于枪管内膛压的改变，会导致过多的火药气体进入枪机内。这样上述的各种可靠性问题会更加严重，此外，还会有火药气体从拉机柄处向后泄出，扑向射手的眼睛（气体溢出的问题其实可以通过优化消声器的内部设计来解决的，有些特种兵购置了SureFire公司的SOCOM556-RC消声器装到Mk18 CQBR上才惊喜地发现没了火药气体扑面而来的感觉）。有时用户不得不换装一种加大尺寸并有气流偏向装置的拉机柄来让泄出的火药气体不会打向自己。而这个问题在枪管较短的M4A1尤其是CQBR上最为严重。但三角洲和DEVGRU这些单位近些年在他们的大部分行动中几乎都要使用消声器，因此尤其重视这个优点。因为HK416无论安装什么消声器都绝无此问题出现。
另外，针对枪机的另一项改进是增加了击针保险。AR式枪机的设计是采用浮动击针的，由于没有击针簧，枪机在闭膛时击针会在惯性的作用下向前移动，从而撞到膛内枪弹的底火上，在传统的M16上这力量还不足以击发底火，只会磕出一个小凹坑来。这一点和大多数的军用步枪都一样（如AK、G36等等），闭锁时出现走火的机率相当低，除非是使用了劣质的弹药，例如底火台突出的枪弹，或底火特别软。但由于HK416的枪机后坐速度比原始的M16大得多，相应地也要改用簧力较强的复进簧，因此导致HK416的枪机复进时的前冲力量加大。为了避免出现闭锁时走火的可能，HK公司在HK416的机框上增加了一个击针保险，使得闭锁瞬间时击针不会撞击底火。
有一点必须明确的是，HK公司并非在AR式步枪上改用导气活塞装置的首创。在HK公司之前，美国RROC公司已经推出过改用AR18导气装置的AR式步枪，但没有在市场上造成大的影响。而更早的时候，台湾在1975年研制T64（T65步枪的原型）时也是把AR-18的导气装置移植到M16步枪上，这是由于台湾生产的发射药比美国的“脏”得多，燃烧残渣大，直接用到原始的M16结构上故障率更高。但台湾的这种创新没得到其他AR式枪族生产商的注意。不过T64可能只是最早把AR-18的活塞系统移植到AR式步枪上的设计，却依然不是最早的活塞式AR设计，因为更早的活塞式AR是柯尔特公司在1969年研制的703型原型枪。
HK416作为一种短行程活塞的AR式步枪，尽管不属首创，但却掀起一股潮流：柯尔特公司、LMT公司、KWRC公司、POF公司等AR式武器的生产商都各自新推出一系列采用短行程导气活塞的AR式产品。此外现在还有一些公司在市面上推出一些“气吹改活塞”的改装套件，不过需要特别说明的是，现代枪械设计是牵一发而动全身的，比如柯尔特公司在1960年代研制的703型导气活塞式M16就做了很多的改变，连机匣尺寸都变了。而自HK416后市场上许多其他的“气吹改活塞”方案只是简单地用活塞装置代替了导气管。但M16的原始设计并没有考虑过采用活塞装置，如果不对机框、机匣作出相应的更改就直接用活塞去推动机框，会导致开锁力道和复进簧张力不在同一直线上，在机框上产生扭矩。比如有人在试用PWS公司的Mid-Length的改装套件时，结果是在导气箍部分焊接断裂，另外有人在试用ARES公司的那套改装套件时也发生了活塞杆弯曲变形的问题，还弄断了一根拉机柄。而HK416对枪机重心、机框结构和机匣都作了许多调整，因此使用起来既可靠也耐用。
在完成对导气系统及枪机等相关部件的改进之后，HK的工程师们开始将他们的注意力转移到导轨系统上来，他们设计了一种能保持枪管自由浮置的四向导轨护木系统，以便能安装各种标准附件和观瞄系统。另外，由于要给导气装置让位，HK416的护木顶部需要加高，为了让护木和机匣顶部的导轨高度一致，所以HK416的机匣顶部比起普通的AR是加高的。
为了提供使用寿命，HK公司还采用了冷锻枪管，用优质的欧洲钢制造了包括10英寸、14.5英寸、16.5英寸和20英寸在内的4种不同长度的枪管。HK公司的宣传资料中声称HK416的枪管有快拆功能，但其实并不是真的快拆，而是指相对于传统AR而言，只要台钳夹住枪管就能拆卸，而传统AR的枪管上没有上台钳的平面，因此需要专用工具。
原本为G36研制的AG36下挂式榴弹发射器也作了改进，并命名为AG416增强型榴弹发射器模块（EGLM，后又被美军定型为M32 GLM），AG416 EGLM不需任何工具就快速地加挂在HK416的护木下方。同时HK公司还修改了HK416的弹匣井形状，以便能使用SA80A2的空包弹专用弹匣。这种空包弹专用弹匣也是HK公司SA80A2升级计划中的产物，在弹匣的前部有一块档板只要长度较短的空包弹才能装入弹匣中，这样就可以避免在应该使用空包弹训练时却装错实弹的意外。在弹匣体前方有一块黄色的按钮，当弹匣插进SA80A2时，按钮会被弹匣井前壁压下，这样空包弹才能进膛。不过这个设计经常遭到一些用户的抱怨，因为HK416的弹匣井虽然能接受美军制式的USGI弹匣，但却不能使用一些前部弧度较大的弹匣，比如PMAG等。而且这些用户也不会购买SA80A2的空包弹专用弹匣，所以这个安全功能对他们并没有意义。所以HK公司在最新的HK416A5上修改了弹匣井的设计，让它重新通用所有可以用于M16的弹匣。
无论最初的HKM4还是后来的HK416，都在恶劣环境下进行了大量的实弹射击试验，如在美国陆军位于亚利桑那州的尤马沙漠试验场，以检验这些改进所带来的效果。在最好和最坏的枪支状况下，使用了所有类型的军用和民用弹药，所有长度的枪管带（/或不带）消声器都进行了测试，发现其动作机构的多个部件都在可靠性上有了显著提高。