在本坛另外一个帖子里讨论提到这个8年多前的老贴子。原发在战国网站: artofwar-tw-org/bboard/viewforum.php?f=19. 因为是精华帖,恐怕要注册了才能进去看;二楼及之后的讨论更深入。这里就贴上第一楼!
【筆記】AR15半自動操作
參考:
1. BRL,no。1524,Sensitivity Study of Rifle Gas System 2. BRL,no. 1548, Comparison of a theoretical andexperimental study of the gas system in M16A1 rifle 3. Aberdeen Proving Ground Report: Report DPS-2754. 4. BRL, no 1541, Kinematic evaluation of thespecial purpose individual weapon prototypes 5. AR15 and AR10 rifles for dimension measurementand spring force verification 操作順序:
1. 彈頭經過gasport時刻定為t=0 2. 高壓氣體經過gasport進入導氣管,達到槍機座的氣室。經過短短時間氣壓增高後,開始有效推動槍機座後移 3. 這時後彈頭已經離開槍口,但是氣壓雖然快速下降,仍然有足夠壓力給予槍機座後退的動能。 4. 槍機座後退,利用cam轉動槍機頭,達到開鎖的功能。 5. 槍機座繼續後退,拉槍機頭,並開始抽殼。這時候彈殼內部氣壓已經夠低了。 6. 同時槍機座開始推動擊鎚往後。 7. 氣室達到最大空間,氣室擴大也連接洩氣孔,開始洩氣。這時槍機座後退速度達到最高。 8. 利用已有的動量/動能,槍機座與槍機頭(還有buffer)一體後退,抽殼與壓縮擊鎚一起進行。槍機座並推動buffer,壓縮buffer spring。 9. 擊鎚壓縮到底,擊鎚cocked,拋殼,然後槍機座後退到底,碰撞後反彈。Buffer spring開始往前推動槍機座復進。 10. 槍機座推動下一顆子彈。 11. 子彈進膛,槍機頭開始經過cam被槍機座旋轉開始閉鎖 12. 槍機頭完全閉鎖。槍機座繼續前進到底。碰撞後反彈。 13. 此時buffer內部的殼片往前進,與槍機座後退的動量相互抵消。槍機座停止運動 14. 這時候槍支完全準備好,就待下一發。 15. 在第9步,槍機座也可能被停止在最後(如彈匣打空了)。當釋放鈕被按下時,這時前進完全靠bufferspring的位能,必須完成進彈,閉鎖的功能。 第一部分: 彈頭經過gasport,到槍機座氣室完全膨脹-洩氣。槍機座達到最高速度。約在3ms之內。這部分是快速進行,包括開鎖。
第二部分: 槍機座依靠取得的動能後退,直到完成上膛閉鎖。時間約60ms。這部分時間雖長,但是行動依照基本力學進行。
一:氣體啟動槍機座後退
當子彈經過了gasport,氣室裡的氣壓快速增加,接近gasport(導氣管口)的壓力。由子彈擊發到達到氣管口,不需要1ms。M16的長管,導氣管口壓力是在2萬psi左右。從導氣管口到槍口,彈頭不需要0.5ms(8寸距離,子彈頭速度在2000fps以上,小於0.33ms)。這時也是氣室裡的氣壓達到最高點,與槍管裡氣壓類似了。之後氣壓降低,直到槍機座後退,讓洩氣孔有效的把氣室壓力降低。
圖一甲:槍管壓力與彈頭位置,彈頭速度的關係 圖一乙:彈膛,導氣管口,槍機座氣室的氣壓對時間作圖 圖二則顯示測量到的氣室氣體壓力,槍機座的移動速度,槍機座移動距離,對時間的關係。時間的零點就是彈頭經過導氣管口的那霎那。
0.33ms,彈頭離開槍管口了。依照圖四,這時槍機座後退速度增至約0.1米/秒,移動距離小於0.1mm。
1.5ms,約在槍機座後退3mm時,開始開鎖。
約在2.3ms,6mm時,開始洩氣。
2.5ms,約在槍機座後退8.5mm時,開鎖完成。
在這1.5-3ms之內,開鎖已經完成。基本上,抽殼也開始了。
在3.1ms,9.6mm時,開始抽殼。這時氣室的氣壓已經降低到3kpsi了。
在圖二裡的三角形高氣壓範圍內,基本完成了以上的這些動作。槍機座也達到最高速度,17fps左右了。
圖二,時間與氣室壓力,槍機座移動速度,槍機座移動距離的關係。由0到2.3ms之間的氣壓對時間積分,等於37.93psi×sec。 圖三,氣室最小距離是5mm,距離增大到6mm時,開始洩氣。在9.6mm時,洩氣孔完全對齊到氣室。洩氣孔到槍機座氣室壁的距離是:近端11mm,遠端14.6mm。(量測值)。氣室的直徑是12.4mm。 圖四:槍機座後退速度與距離對時間的詳圖。 圖五:槍機座後退距離與槍機匣(槍身)對地面距離與時間的關係。這裡開始洩氣與抽殼也表示出來了。
表一,M16與XM177E2的主要零組件 圖二到圖五是運作的細節圖線。利用圖二裡的氣室氣壓對時間的關係,可以計算槍機座後退得到的動量,與17fps乘以槍機質量相比,就可以知道槍機頭開鎖耗損的能量有多少。
圖二的氣壓線,可以梯形來近似:
0ms,0psi
0.5ms,2.5kpsi
0.82ms,2.5kpsi
2.3ms,0.7kpsi
這個積分,是16.88×area(in2)kg*m/s;直徑是1.24cm;得到的動量是3.158kg*m/s.
槍機的質量是0.496kg,速度是17fps,所以動量是2.57kg*m/s.小於3.158kg*m/s.表示一部分的力是使用在開鎖與克服摩擦上面。
在2-3ms時候,其實復進簧已經被壓縮了約1cm(復進簧即使在槍機閉鎖狀況,也是被預壓縮的),擊鎚也被後退了這個距離。不過從下面一節的分析,在這霎那這兩個部分對槍機的後退速度影響很有限。
二,槍機運作循環。
在3ms之後,槍機已經達到最高速度,繼續往後運動,依靠已有的動能,壓擊鎚到鎖定,壓縮復進簧到底,剩餘能量撞擊後座管的終端,反彈朝前,依靠壓縮的復進簧往前推加速,同時推下一顆子彈進槍膛,閉鎖。槍機座到達最前端時,撞擊反彈,這時後buffer裡的慣性重量往前,撞擊槍機座,兩者抵消,槍機座維持在最前端。
圖六裡,幾個重要的動作都標示出來了。圖七是距離,速度,加速度的圖。明顯看到,加速度(力),只有在氣室裡被火藥壓力推動時候,以及運動到後座管終端撞擊,復進完成閉鎖後槍機座往前運動到底碰撞時候才大。其他時候都是相對小很多。
圖六,槍機復進循環。
圖七,槍機復進的距離,速度,加速度對時間的作圖。
綜合表一的數據,比較實際AR槍支的量測結果,做了以下分析。
1. 復進簧的彈性係數是1.43(M16)/1.62(M4)磅/寸。實槍是卡賓的槍托,彈簧預壓3又7/16寸。彈簧力量是5.57磅。量測實槍,必須往後再拉約1cm,數值在6.25磅;計算是6.2磅。兩者相合。 2. 擊鎚,完全前伸是4磅。往後壓在被扳機鎖住前是6.25磅。旋轉約45度。半徑是3cm。
A. 復進簧的壓縮位能:由最大伸張(預壓,也就是槍機閉鎖狀況)到完全壓縮。位能計算是:卡賓:0.5×彈性係數×(ΔLmax2– Δlpre2)=0.5*1.62*[(7 3/16)^2-(37/16)^2]*0.0254×0.454×9.8=3.65J
M16步槍:3.56J B. 扳機位能:4磅到6.25磅,位移是π/4×0.03m。位能是0.5*(4+6.25)磅* π/4×0.03m=10.25×0.5*0.454*9.8*π/4×0.03m=0.537J。 C. M16步槍槍機部起始動能:質量是0.496kg,速度是17fps。動能是:0.5×0.496×(17×0.3048)^2=6.66J D. 槍機撞擊buffertube尾端之前的動能:此時速度是10.4fps。動能是2.49J E. 槍機撞擊後反彈的動能:此時速度是3.93fps,動能是0.496J F. 槍機復進,被復進簧前推,並推子彈上膛,閉鎖。速度是9.3fps。動能是1.99J。 分析: 後退時起始動能,減去摩擦,減去擊鎚的位能,減去復進簧增加的位能,等於撞擊尾端前的動能。 6.66-0.537-3.56-摩擦=2.49. 得到摩擦是0.073J。似乎摩擦力是合理的. 前進時,起始動能加上彈簧位能,減去摩擦,等於最後動能。0.496+3.56-摩擦=1.99。前進摩擦=2.07J。這個摩擦包括進彈與閉鎖,因為彈匣的托彈底板與托彈簧,導致前進摩擦比後退摩擦要大。 也可看到,即使是空倉挂機,換了彈匣,放掉槍機座,完全依靠彈簧壓縮位能,還是足以克服前進摩擦的能量損耗,完成進彈閉鎖。3.46J-2.07J=1.39J,是槍機座到最前位置撞擊槍機頭的動能,仍有相當餘裕。 卡賓槍因為導氣管口位置不同,氣壓不同。如果槍機座是一模一樣,那前2.5ms之內的運作會不同,抽殼,開鎖所面臨的氣壓都會不同,應該有不同的槍機座動能與動量。因此buffer也不同以補償這個變化。細節得令找尋資料來探索。
總結: 1. 複雜的槍機座後退開鎖抽殼等動作,在2-3ms之內完成。依照已有數據分析,一部分的火藥氣壓用在開鎖抽殼上面。剩餘的80%動量來完成整個操作循環。 2. 後座期間,由2.5ms左右開始到最後端,摩擦等損耗相對很小。 槍機座前進,將近一半的能量用在進彈上。
|