1999/09/25

槍口集氣器原理探討

導言

槍口集氣器(muzzle cap、又稱 muzzle cone 或 gas trap)是(半)自動槍械 作用原理的一種,和一般的氣體活塞作用式(M14、AK47)、氣體直推式(M16) 一樣,都是利用裝藥燃燒廢氣的能量來完成開鎖退殼的動作。它和其他氣體作用式不 同的地方在於其它的都是在槍膛內開個氣孔,使用在彈頭出口前的高壓氣體來運作; 而它則是位於槍口之外,使用的是彈頭出口後已經擴散減壓的氣體來運作。

先驅者──白朗寧

當馬克沁在 1883 年發明自動機槍後,他著實花了一些心思在保護自己的發明上。他的 專利申請經過深思熟慮,基本上涵蓋了幾乎所有後座作用式可能的裝置,也造成了一時的 壟斷。他唯一失策的地方在於忽略了氣體作用式和反衝式;雖然他在 1884 年的另一個專 利中包括了利用槍口的氣體來操作槍機,但並沒有深入地研究,因此留下了一些可供發 展的空間。

氣體作用式的先驅是約翰‧白朗寧,他在 1880 年代開始試製機槍,有鑑於馬克沁(Maxim) 幾乎已經將所有可能的後座作用方式都申請了專利,他於是另闢途徑,嘗試用槍膛內氣體的 能量來做為自動運作的能量來源。在最早期的試驗中,他曾經成功地用槍口集氣器(muzzle cap)蒐集子彈出口後在槍口擴散的氣體來運作一支溫徹斯特來福槍;但是因為效果不佳, 他很快就改在接近槍口的槍管壁上鑽個氣孔來蒐集氣體,成為他 1889 年發明的科爾特機槍 和日後白朗寧自動步槍(BAR)的運作原理,也成為日後氣體作用式的主流。白朗寧大概是 覺得槍口集氣的效果不佳,因此並沒有去申請專利。

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精確度的考量

雖然白朗寧並沒有將其實用化,後來卻有很多人對這種槍口集氣器很感興趣,將其修改 後嘗試應用在半自動槍械上;他們的主要考量是為了增加半自動槍械的精確度。當時已經 知道半自動步槍的精確度不如比手動的栓式步槍,當代的理論認為如果氣體在彈頭還在槍 管中時就開始推動機件進行動作的話,會影響到精確度。這種說法也不是完全沒有依據: 美國陸軍在 1950 年代實驗的結果顯示,標準氣體活塞式的 M1 Garand 在離槍口 2 英吋 處鑽孔取氣,彈頭出口時活塞已經移動了 0.03 英吋,而氣孔離槍口 8 英吋的 M14 則有 0.05 英吋的活塞運動。使用槍口集氣器的設計在理論上應該可以確保在彈頭完全出口之 後機件才動作,所以不會影響到精確度。

那麼,現代的看法如何呢?現代雖然仍然承認一般半自動槍械的準確度不如手動槍械, 但是只要槍枝的平衡性好,這種微量運動應該不會有太大的影響。

Bang 的設計

在眾多的槍口集氣器設計中,以丹麥人 Soren H. Bang 在 1904 年的專利最為著名。由 於他積極地向各國軍方推銷他設計的槍枝,參加了各種測試,結果也讓人滿意;雖然最後因為 種種因素沒有被任何國家採用,但卻讓他在槍械發展史上留下大名。許多資料一提起槍口集氣 器就說是 Bang 原理,也算一不朽了。

Bang's Muzzle Cap

Bang 的步槍原理上由一個杯狀的裝置在槍口收集彈頭出口後的剩餘氣體,再經由一個複 雜的槓桿系統傳遞到槍機,以做為開閉鎖之用。這個杯狀的集氣器是活動式的,位於槍口前 端。彈頭出口後,裝藥燃燒的廢氣會擴散在集氣器與槍口之間的空間,有足夠的力量將它向 前推出,帶動一根連桿向前。這個連桿拉動一個槓桿的後端桿臂向前移動,槓桿沿支點旋轉 ,前端桿臂就向後運動,再帶動槍機連桿開鎖退殼。這個結構看起來有一點複雜,實際運作 上卻還令人滿意。但是當初在設計時由於考慮到這個結構額外增加的重量問題,特意減輕 槍管的重量來維持全槍的重量在適當的範圍內,不料卻變成它的最大致命傷。在美國陸軍的 測試中,很快就發現槍管實在太薄了,連發快放時一下子就熱得燙手;雖然它在其他測試方面 都有不錯的成績,最後還是沒有被採用為制式步槍。

美國 M1 格蘭特步槍早期的槍口集氣器

格蘭特從一次大戰末期開始就投入自動槍械設計的行列。最早他設計的幾款槍枝都是 使用底火作用式(primer projection)的設計,但在 1928 年美國陸軍更換 .30-06 子 彈裝藥的配方後,這種設計不再可行;於是他改採用槍口集氣器(gas trap)的設計。

Garand Gas Trap

格蘭特使用的槍口集氣器原理跟 Bang 的設計不太一樣。它的槍口蒐集器不動,蒐集到 的氣體導入槍管下方的瓦斯缸管中,推動活塞及連桿向後直接運作槍機。很有意思的是這個 設計的專利擁有者是英國的維克斯─馬克沁公司。他設計的 M1 格蘭特步槍通過了美國陸軍 的測試,在 1936 年被正式採用為美國陸軍的制式步槍。這種最早期採用槍口集氣器設計的 M1 格蘭特步槍只生產了約 4 萬 8 千支左右,通常被稱為 "Gas Trap" Garand。它的槍口 集氣器是六角管型,突出的一片平板正好插入瓦斯缸管前端的一個導槽,跟槍管口之間有約 1/16 英吋的空隙,被準星環緊緊包住,氣體就是由此進入瓦斯缸管。從外觀上來看,它跟 後來氣體活塞式 M1 Garand 的槍口幾乎一模一樣,不近看無法分辨。

M1 格蘭特步槍的早期歷史並不光彩,機械上的問題一直困擾著這些使用槍口集氣器的 槍,給部隊的印象也不好。最後格蘭特終於在 1939 年改變設計,將大有問題的槍口集氣器 改為在槍管內的氣孔來蒐集氣體,就是一般的氣體活塞式設計了。值得一提的是這個設計變 更改動的地方非常少,只把槍管加長兩吋,在原來集氣器所佔的位置鑽孔,瓦斯缸管的結構 再稍稍修改一下,其他像是活塞、連桿等通通都沒有變,連槍的長度也幾乎一樣(原來槍管 長 22 吋,再加上集氣器只比後來的 24 吋槍管短一點點)。

在更換成氣體活塞作用方式後的 M1 格蘭特步槍成為非常可靠的制式步槍,一直被美軍用 到 1950 年代末期。

德國 Gewehr 41 半自動步槍

二次大戰時,德軍在東線遭遇了蘇軍的 Tokarev SVT 38/40 等半自動步槍,深覺有發展 半自動步槍的需要,因此研發了 Gewehr 41,也是採用槍口集氣器的設計。它的槍口集氣器 比較接近格蘭特的設計,因此不該稱為 Bang 原理。

Gewehr 41

它的槍口集氣器是個圓錐,固定在槍口前端,並不會移動。在子彈出口後,它蒐集到的氣 體壓力會推動一個套在槍管外緣的環狀活塞向後,再推動位於槍管上方的一個扁平的連桿向 後運作槍機。

Gewehr 41 並不是很成功,在生產了約十幾萬支後就被號稱二次大戰中最優秀的半自動步 槍之一的 Gewehr 43 所取代。Gewehr 43 用的是典型的氣體活塞運作方式。槍口集氣器從此 就在槍械發展史上被劃下了休止符。

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