此前hawk256在公号中的译文,刊载了美国特种兵关于实战中使用消声器的经验,并强调消声器的消焰功能在夜间作战中有着决定生死的作用;消焰差的枪械,敌人一眼就能判定射手的位置。
但在不安装消声器的常规枪械上,消声功能和消焰功能是互斥的;为了保住消焰功能,95步枪的后坐力增大了11%。
特别是由于国内在枪械高能发射药和多功能枪口装置研究水平上的落后,95B短步枪的噪声、火焰、后坐力、上跳,均远大于AK47/56式冲锋枪。
一:常规枪炮会形成膛口焰的根源在哪里?火药燃烧效率太高,会对枪械会形成致命损害
枪炮弹在发射过程中,弹丸的动能源自于发射药的化学能;弹丸在身管中的距离加速,是依靠发射药的剧烈爆燃所产生的大量气体推动出来的。这个基本原理是非常好理解的,真正的问题出现在工程化应用的取舍上。
在没有接触过相关实际技术工作的人群中,受中学教材的简化论述、市场营销宣传(比如汽车发动机燃烧效率)的影响,通常都有一个潜在认识,就是燃烧和能量释放效率越高越好。但实际情况往往要复杂得多,过高燃烧效率很有可能是弊大于利的。
图:由于燃烧不完全,枪械大量射击后会出现显著的固体残渣沉积;实际上就是用维护性代价,来换取枪炮身管寿命
对于枪炮管来说,内壁——主要是膛线结构的烧蚀破坏速度,直接决定了其寿命的长短;因此降低燃气对内壁的烧蚀效应,比提高发射药的燃烧效率重要得多。毕竟一定程度内的燃烧效率降低,只需要加大一些发射药的数量,就能把释放的能量给补回来。
出于保护枪炮管的目的,发射药的成分设计上,普遍会基于负氧平衡原则;也就是还原剂比氧化剂要多,这种燃烧不完全的燃气流中,氧化剂较少,燃烧温度也低,对枪炮管内壁的烧蚀作用比较低。
这些燃烧不完全的高温燃气流喷出枪口、接触到空气中的氧气后,很自然就会形成再次燃烧,这就是膛口火焰形成的基本原理。
通常来说,枪炮弹在内弹道阶段产生的燃气中,氢气、一氧化碳、甲烷等可燃气体的质量分数,可以达到60%左右。这种刻意形成的不完全燃烧其实很普遍,有个比较接近的例子是固体冲压发动机的导弹。
固体冲压发动机,又要使用固体燃料来避免液体燃料的蒸发泄露等一系列问题,又试图利用冲压发动机在高速环境下的轻巧高效、引入外界氧气。因此核心的燃烧原理,也是先将燃料进行不完全燃烧产生大量的可燃气体;再让这些气体在冲压发动机的燃烧室中与外来空气混合,进行二次燃烧。
二:在发射药的设计上,有没有其它手段,可以削弱膛口焰?
通过调整发射药成分、在发射药中加入消焰剂成分,以减小膛口焰;这种思路不仅是可行的,而且是从19世纪末到现在,一百多年中最重要的消焰手段之一。
膛口焰的生成,依赖于燃气中必然产生的氢气和一氧化碳。消焰剂并不能去除这些成分,但是在高温高压环境下,消焰剂可以通过与氧气争夺反应物,来阻碍氢气/一氧化碳与氧气结合的燃烧反应过程,进而达到抑制火焰的作用。
图:硝酸钾、硫酸钾等钾盐,都是常见的消焰剂
通常而言,其中起到核心作用的是以钾为代表的碱金属离子。因此在枪炮弹中,通常都会加入各类碱金属盐来作为消焰剂,其中硝酸钾特别典型。硝酸钾一方面提供钾离子消焰,另一方面它本身是含能材料,能在发射药中作为氧化剂使用、并在反应时产生大量气体。
但是消焰剂的使用并不是没有代价的。消焰剂一方面本身会影响弹道性能,另一方面膛口焰在被抑制之后,也会使燃气中的大量可燃颗粒无法燃烧,从而导致烟雾增大;因此消焰剂加的太多,会使得膛口烟急剧加大,甚至导致比膛口焰更大的危害。
通常来说,枪炮弹火药中消焰剂的占比可以达到1-2%。
图:MK262弹药在短枪管内发射的膛压曲线,更容易实现低烟、低焰

图:俄制5.56弹药,膛压高峰值低平均,一致稳定性还稀烂,同等威力和枪械,必定烟多火光大
要提高发射药本身的消焰效果,需要更高的化工和燃烧学研究水平作为基础,这涉及到以下至少三个方面的因素:
  1. 发射药基础配方本身具备低残渣、低烟的燃烧特性
  2. 使消焰剂自身形成的不可分解残渣更少、对弹道影响性更低
  3. 发射药能实现”燃烧快、低峰值、高平均“的膛压控制效果,这样可以将燃烧终点控制得更近。对于高能火药,这一点尤其重要。
三:95步枪后坐力大、吵的直接原因:消焰与噪声、后坐力控制难以兼顾
发射药水平问题,是95步枪噪声和后坐力控制不佳的一个深层次因素;而浅层和直接原因,则是枪口装置设计水平所引发的。这种矛盾在短枪管型的95B步枪上尤其突出。
图:12.7毫米重机枪有无消焰器的对比效果

通过调整发射药成分来抑制膛口焰的方法可以称之为化学法,在实际枪炮设计中,还往往需要结合具备消焰功能的膛口装置一起使用——后者可以称之为物理法。
燃烧的产生,需要可燃物,需要氧化剂,也同样需要温度、压力等环境因素作为支持条件。在枪炮设计中,消焰作为枪口装置非常重要的一种功能,就是通过破坏燃气被二次点燃所需的压力、温度因素而实现的。
图:激波是影响、决定枪口噪声、火焰等一系列关键所在
图:高速摄像镜头下,从枪口装置侧孔中喷发的燃气,在马赫环中的点燃

就像航空航天的加力燃烧喷流、火箭发动机喷流一样,枪炮的超声速燃气喷流也会由于激波的因素,形成马赫环。马赫环提供了非常高的压力和温度,是膛口焰最重要的点火源;因此削弱马赫环,减弱马赫环的直径和强度,降低马赫环下游燃气的温度,就能有效抑制膛口焰。
图:95的枪口装置其实是锥形消焰器,外形做成圆柱状的主要目的不是为了结构加强,而是兼顾枪榴弹的发射能力
枪炮上的消焰器,最基本的原理就是提供一个圆锥形或者圆柱形空间的结构,用于燃气的膨胀和冷却,以降低气流的压力和温度。
但在这个气流膨胀降压的过程中,一方面消焰器要承受燃气流的作用力,导致显著的后坐力增大;另一方面燃气流在膨胀减压的过程中流速反而要加大,这会引发强烈的喷注噪声。在现代军用小口径枪械上,高初速指标、高能量发射药的使用,使得这些问题尤其严重。
国内由于多功能膛口装置方面的研究基础和设计能力较弱,在95家族的设计上没有能较好的解决这个矛盾点,导致了后坐力和噪声的显著增大。
图:按某些所谓业内人士解释95步枪后坐力和噪声的理论,是完全无法解释95B步枪初速从930m/s降低到790m/s后,怎么比AK47还吵还跳还火光大得多的

图:56式冲锋枪

国内一些所谓的业内人士,在杂志上撰文解释95步枪的后坐力和噪声问题时,将之归结于无托布局枪口离耳朵近、为了可靠性而将枪机质量设计的较大,而对涉及中间弹道学的因素没有任何提及;很直白的显示了其知识结构主要源于通用性的机械设计课程,而对于中间弹道学完全无知,也从未接触过95步枪的详细设计资料。
在《自动武器气体动力学》等公开专著中,就给出了95家族的相关情况描述和部分数据:
比如95步枪消焰率达到90%;制退效率为负(后坐力增大),达到-11%;消声率为负(噪声增大),-1.2dB。
在短枪管的95B步枪上,由于燃烧终点在枪口以外,排出枪口的未燃烧火药颗粒和不完全燃烧的燃气数量都远远大于95式步枪;因此消焰的难度,消焰功能与制退、降噪之间的矛盾都要大得多、严重得多,其噪声、火焰、后坐与上跳均较严重,大大超过56式冲锋枪。
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