漫談槍械導氣活塞式結構的原理與實現方式

2021-01-15 裝備知識

1、導氣活塞式原理的類型:

導氣活塞式自動武器的結構類型一般有三種:長行程導氣活塞式、短行程導氣活塞式和吹氣式/直接導氣式。前兩者的汽缸位於機頭前方、導氣孔附近;而後者的汽缸位於機頭後方,遠離導氣孔。(吹氣式也可以被視為導氣活塞式結構的一種變種)

長行程導氣活塞式常見於蘇式自動步槍,例如AKM和AK74,通常精度表現較差,可靠性好(當然也有SG55x槍族這樣的高精度異類)。短行程導氣活塞式常見於歐美的自動步槍,例如SCAR、G36、和HK416,精度表現較好,可靠性良好。吹氣式主要應用於美式M16/M4槍族,精度表現最好,但容易因導氣管積碳而嚴重影響系統可靠性。

其中,HK416改裝自M16/M4,基本結構相同,大部分零部件通用或者相近,而導氣原理不同。在同等槍管長度和等級下,HK416的射擊精度就是趕不上M16/M4,只能以高可靠性和導氣系統免維護為賣點。

當然,槍械精度表現的好壞(單發精度和連發精度),不僅僅與導氣活塞原理密切相關,還要受到許多因素的影響:加工精度、生產工藝、膛線數量、槍管厚度、槍管材料、導氣孔設計、汽缸設計、活塞設計、彈藥性能、汽缸軸線高度、導氣量大小、閉鎖結構設計、開鎖曲線設計等等。本人只能在設定相同技術平臺上,單獨對比某項特性以辨析其優劣。

2、不同導氣活塞式原理對射擊精度的影響

導氣活塞式原理的三種實現方式,對射擊精度的影響很可能主要是通過導氣驅動活塞瞬間對槍管施加的擾動力距(反作用力*汽缸軸線與槍管軸線之間的距離)來作用的。

當導出的高壓燃氣驅動活塞時,汽缸底部將會受到一個反作用力。其將通過將汽缸體固定在槍管上的導氣箍直接傳遞給槍管,產生一個使槍管發生向下彎曲的扭矩。這將造成槍管的非自然振動,而此時子彈並未出膛,因此會對射擊精度造成消極影響。 長行程導氣活塞式的汽缸軸線距離槍管軸線較遠(例如:AK),因此產生的擾動力矩較大;短行程導氣活塞式的汽缸軸線距離槍管軸線較近(例如:81式和95式),因此產生的擾動力矩較小,因而其對射擊精度的消極影響也較小。

吹氣式/直接導氣式的汽缸位於機頭後方,其軸線與槍管軸線重合。所以,導出燃氣驅動活塞時對槍管作用的反作用力作用在槍管尾部,而且因為沒有偏心距而無法產生擾動力矩,因而其對射擊精度的消極影響也最小。

吹氣式作用在槍管上的擾動力距其實也是存在的。它是由導氣管內腔的前端面在高壓燃氣的作用下產生的。由於其力量小而且偏心量極低,所以其消極影響基本可以忽略不計。

由於吹氣式相對手拉機(非自動原理)增加了導氣和驅動活塞-槍機框開鎖的環節,影響了子彈出膛前系統的穩定性,所以其精度再高也趕不上手拉機。

3、長行程導氣活塞式結構與短行程導氣活塞式結構的適用範圍

在長行程導氣活塞式結構中,活塞和挺杆隨槍機往返運動,導致槍機的後座質量較大、重心偏移量較大和攜帶動能較多,槍機後座到位時需要緩衝/消耗的動能也較多,造成後坐力偏大和質心穩定性略低。所以長行程導氣活塞式結構常用於可靠性要求較高的自動步槍或者對槍機後座動能需求量較大的彈鏈式機槍。

在短行程導氣活塞式結構中,活塞和挺杆不隨槍機往返運動,槍機的後座質量和攜帶動能較少。由槍機後座造成的後坐力也較小,更加容易控制和處理。所以短行程導氣活塞式結構常用於普通自動步槍和彈匣/彈鼓供彈的簡易款輕機槍,似乎並未被用於彈鏈式機槍。不考慮更換槍管的自動槍械由於槍管固定結構更加緊湊,往往在降低汽缸軸線高度方面要比可以更換槍管的自動槍械更有優勢。

在一些短行程導氣活塞式的自動槍械上(Ultimax 100輕機槍和SCAR自動步槍),使用了輕量化的活塞與挺杆系統,其質量相對槍機而言非常輕。這樣一來,槍機後座質量的下降幅度很少,與長行程導氣活塞式結構的槍機後座質量相差不大。這有助於提高總體後座能量的利用率,對提高可靠性有利。輕量化的活塞與挺杆系統的出現,使得動力偶和槍管擾動力矩較低的短行程導氣活塞式結構應用於彈鏈式機槍的可行性大增。

4、導氣孔的方向

AK系列的導氣孔是向後傾斜的,保證其不可調節的導氣系統結構非常緊湊;而歐美自動步槍大多是垂直導氣孔。前者從槍管上切削下來的金屬量較多,導氣孔在槍管內腔上投影面積也較大,因此其對槍管強度和膛線的破壞程度略大。後者不但對槍管和膛線的破壞少,而且與燃氣量調整/氣孔切換裝置相配合的效果更好。

5、導氣量大小對導氣作用瞬間擾動的影響

在同等結構條件下,導氣量越大,導氣系統對槍管的擾動就越劇烈,對射擊精度的消極影響也就越大。除了AK系列之外,其他導氣活塞式(長行程和短行程)自動武器普遍採用氣體調節裝置,避免過度導氣。

為了追求簡單、可靠和廉價,AK系列只使用大氣孔而沒有設置導氣量調節裝置,在絕大多數工況下均為過量導氣。這不但造成粗暴導氣和開鎖,也造成槍機後座到位時劇烈撞擊匣尾,對AK系列的射擊精度和使用壽命產生了嚴重損失。

以使用相同彈藥和結構性能比較相近的AK47、AkM和81式為例,來說明AK導氣過量的程度:AK47(56衝)的導氣孔直徑為4.5mm。據說AKM的導氣孔直徑只有4mm。而81式步槍的小氣孔(預設使用)直徑僅為2.1mm,就能完成正常射擊過程。81式步槍的槍機也對匣尾有撞擊,但撞擊力度要大大低於AK。

以上三者導氣孔的面積之比為: 1:0.79:0.217,導氣能量相差甚遠,汽缸對槍管的擾動力度自然也就大不相同。

6、汽缸結構設計

導氣活塞式結構一般採用汽缸固定而活塞運動的模式,也有少數步槍採用相反的模式(ROBINSON XCR)。

除了AK系列將燃氣通過向後傾斜的導氣孔直接噴射到活塞前端面上,然後再反彈並擴散到活塞前方的緩衝腔內之外,其他非AK系的自動步槍(國產槍:81式、95式)大多利用過渡腔緩衝並偏轉燃氣噴射角度。後者的原理類似於美制自動榴彈發射器彈藥的高低壓發射原理,可以有效抑制導氣初期高壓燃氣對活塞端面衝擊的峰值,使得高壓燃氣驅動活塞的過程更加平穩和柔和。這對降低對導氣系統對槍管擾動力矩的峰值、提高射擊精度和機件壽命有所幫助。

G36的汽缸-活塞設計比較特別,其活塞前端增加了一個導向圓錐+小圓柱活塞。導出燃氣被噴射在小圓柱活塞表面以及小圓柱活塞與主活塞之間的過渡錐面上,進而擴散到活塞前端面與汽缸之間的過渡腔內,其高壓峰值被阻滯和分散。G36的汽缸-活塞設計遠不如SVD那樣簡潔和廉價,雖然二者的設計效果基本相同。

7、可調氣孔直徑式氣體調節裝置(靜態氣體調節裝置)

導氣活塞式結構的氣體調節裝置一般採用切換與槍管導氣孔相配合的、大小不同的汽缸導氣孔直徑來實現。這種方案的弊病在於正常狀態下的汽缸導氣孔直徑(小氣孔)要小於槍管導氣孔直徑,容易在倒階梯孔的肩部積碳。

如果槍彈所用的發射藥燃速低而導致燃燒不完全的話,就會比較容易積碳(例如81式和95式)。當積碳嚴重時,導氣通道的有效截面積明顯下降,就會導致導氣能量大幅度下降,嚴重影響系統的可靠性。使用NATO彈藥的、可調氣孔的自動槍械受到這個問題影響的程度要輕得多。

8、動態氣體調節裝置

所謂動態氣體調節裝置是指在活塞向後運動過程中生效的氣體調節裝置,主要有三種方式:活塞短暫切斷導氣通道式(SG55x,活塞打孔作為導氣通道的一部分)、汽缸前端延遲排氣式(G36,異型活塞)和汽缸側面延遲排氣式(SVD)。它們可以與可調氣孔直徑式氣體調節裝置(靜態)相配合,更加精確地調節作用到活塞上的導氣能量。其中第三種方式只要增加一個汽缸外套筒,就可以直接作為兩級氣體調節裝置使用(無關閉導氣孔的檔位)。

由於活塞短暫切斷導氣通道的結構要在活塞上做文章,所以一般只能用於活塞不能自由旋轉的長行程導氣活塞式結構。

9、SG55x與卸載式汽缸

SG55x槍族雖然也是與AK類似的長行程導氣活塞式結構,卻是高精度自動步槍的代表作之一。與AK系列相比,SG55x槍族有以下特點:採用卸載式汽缸、槍管強度高、槍管加工精度高、有導氣調節裝置、槍機導引好和閉鎖結構更合理等等。

所謂卸載式汽缸,是指出燃氣驅動活塞時對汽缸底部施加的反作用力並不作用在槍管上,而是通過承載結構傳遞給機匣,從而基本避免了導氣活塞系統工作時對槍管的幹擾。

卸載式汽缸架構也可以用於短行程導氣活塞式。它是在不加重槍管的前提下,提高射擊精度的有效手段。

10、槍管強度高低對導氣作用瞬間擾動的抵抗能力

在其他結構條件相同的情況下,槍管強度/厚度越高,抵抗導氣活塞系統的幹擾能力越強。在重型槍管上,卸載式汽缸的優勢並不明顯。

AKM和AK74系列的槍管較為廉價,槍管厚度和強度較低,正好是卸載式汽缸的最佳使用對象。但是AK的結構設計可謂「五毒俱全」,想要明顯提高其射擊精度並不容易。相對而言,槍管較薄而汽缸軸線略高的SVD和山寨版SVD也許是卸載式汽缸比較容易出效果的應用對象。

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