ライフリング

105mmロイヤル・オードナンスL7戦車砲のライフリング
90 mm M75の通常旋条(1891 年製造、オーストリア=ハンガリー帝国
GAU-8機関砲のライフリング

ライフリングとは、銃身の内面に螺旋状の溝を機械加工したもので弾丸回転を与えて空力安定性と精度を向上させるものです。また、動詞としては、そのような溝を作ることを指します。ライフリングの反対語は滑腔銃身です。

ライフリングは、ねじれ率(ライフリングが1回転するのにかかる距離)で測定されます。これは、1を基準とする比率(例:1:10インチ(25.4cm))で表されます。距離が短い/比率が低いほど、ねじれが速く、回転速度が速く(そして弾丸の安定性が高くなります)なります。

弾丸の長さ、重量、形状の組み合わせによって、ジャイロスコープ的に安定させるために必要なねじれ速度が決まる。球状の鉛弾のような短くて直径の大きい弾丸用の砲身では、48インチ(122 cm)で1回転といった非常に低いねじれ速度が必要となる。[ 1 ]超低抗力80グレイン0.223インチ弾(5.2 g、5.56 mm)のような長くて直径の小さい弾丸用の砲身では、8インチ(20 cm)で1回転以上のねじれ速度が必要となる。[ 2 ]

銃尾から銃口にかけてねじれ率を増加させるライフリングはゲインツイストまたはプログレッシブツイストと呼ばれます 。銃身の長さに伴ってねじれ率が減少するライフリングは、銃身内を移動する弾丸を確実に安定させることができないため望ましくありません。[ 3 ] [ 4 ]

フレシェット弾のような極めて長い弾丸を安定させるには、実用的ではないほど高いねじれ率が必要となるため、多くの場合、空気力学的に安定化されます。空気力学的に安定化された弾丸は、滑腔砲身から発射しても精度を低下させることなく発射できます。

歴史

9mm拳銃の伝統的なライフリング

マスケット銃滑腔銃で、大口径の弾丸を比較的低速で発射する。高コストであること、精密製造が非常に難しいこと、そして銃口から容易に素早く装填する必要があることから、マスケット銃の弾丸は銃身に緩く収まるのが一般的だった。その結果、発射時に弾丸が銃身の側面で跳ね返ることが多く、銃口から出た弾丸の最終的な着弾点が予測しにくくなった。狩猟など、精度がより重要となる場合には、銃身に近いサイズの弾丸とパッチをより密着させる組み合わせを使用することで、この問題に対処した。精度は向上したが、長距離の精密射撃には依然として信頼性が低かった。

火薬の発明と同様に、銃身のライフリングの発明者も未だにはっきりとは分かっていません。直線状の溝は少なくとも1480年から小火器に施されており、元々は火薬の残留物を回収するための「煤溝」として意図されていました。[ 5 ]

螺旋溝付きマスケット銃の銃身を試みた最も初期のヨーロッパの記録には、1498年のウィーンの銃砲職人ガスパール・コルナーと1520年のニュルンベルクのアウグストゥス・コッターによるものがある。一部の学者は、15世紀末のコルナーの作品では直線の溝しか使用しておらず、コッターの協力を得て初めて実用的な螺旋溝付き銃器が作られたと主張している。[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]ライフル銃の主な発想は、ねじれた羽根で回転を与えると発射物がはるかに速く正確に飛ぶことに気づいた弓兵とクロスボウ兵から来たため、これより以前にも試みられていた可能性がある。

真のライフル銃は16世紀に遡りますが、手作業で彫刻する必要があり、そのため19世紀半ばまで普及しませんでした。製造工程が複雑で費用もかかるため、初期のライフル銃は主に裕福な狩猟愛好家によって使用されていました。彼らは銃を連続して何度も発射する必要がなく、高い命中精度を高く評価していたからです。ライフル銃は手入れが難しく、装填にも多くの困難を伴ったため、軍関係者には不人気でした。弾丸の直径がライフル銃に入り込むほど大きい場合は、銃身に押し込むために大きな木槌が必要でした。一方、弾丸の挿入を容易にするために直径を小さくすると、弾丸はライフル銃に完全には入らず、命中精度が低下しました。

黒色火薬によるライフル銃を使用した最初の実用的な軍用兵器は、クイーン・アン・ピストルなどの後装式銃であった。

ねじれ率

発射されたロシアの122mm榴散弾砲弾。その基部の合金製駆動バンドにライフルの跡が見られ、時計回りの回転を示している。
1860年頃、ライフル砲の砲身内にウィングレットを装備した砲弾
1858年、時計回りのライフリングで作動するように設計されたラ・イッテシステムのオージバル砲弾

最高の性能を得るには、銃身のツイスト レートは、発射が予想されるあらゆる弾丸を安定させるのに十分な程度であるべきであるが、それよりも大幅に高くてはならない。弾丸の直径が大きいほど、半径が大きいほどジャイロ慣性が大きくなるため安定性が高くなる。一方、長い弾丸は後方重心が高く、空気圧が作用するアーム (「てこ」) が長くなるため、安定させるのが難しくなる。ツイスト レートが最も低いのは、丸い弾丸を発射する前装式銃器である。これらの銃器のツイスト レートは 1/72 インチ (180 cm) 程度か、それよりわずかに長い。ただし、一般的な多目的前装式ライフルでは、1/48 インチ (120 cm) 程度のツイスト レートが非常に一般的である。5.56×45mm NATO規格SS109弾とL110曳光弾を発射するように設計されたM16A2ライフルのツイストレートは、1/7インチ(18cm)または32口径です。民間のAR-15ライフルは、古いライフルでは1/12インチ(30cm)または54.8口径、新しいライフルのほとんどでは1/9インチ(23cm)または41.1口径が一般的ですが、M16ライフルと同じ1/7インチ(18cm)または32口径のツイストレートで製造されているものもあります。一般的に、より長く、より小さな直径の弾丸を発射するライフルは、より短く、より大きな直径の弾丸を発射する拳銃よりもツイストレートが高くなります。

ツイスト レートを表すには、次の 3 つの方法が使用されます。

伝統的に最も一般的な方法は、ライフル銃身内で弾丸が1回転するのに必要な「移動距離」(長さ)でツイストレートを表す方法です。この方法では、異なる口径の銃身を比較した場合、ツイストレートが比較的遅いのか速いのかを、容易に、あるいは直接的に理解することはできません。

2 番目の方法は、弾丸が 1 回転するのに必要な「ライフル移動」を口径または銃身の直径で表します。

ねじれLD{\displaystyle {\text{ねじれ}}={\frac {L}{D_{\text{内径}}}},}

ここで、 はボア径で表したねじれ率、は発射体が 1 回転するのに必要なねじれ長さ (mm または in)、 はボア径 (ランドの直径、mm または in) です。 ねじれ{\displaystyle {\text{ツイスト}}}L{\displaystyle L}D{\displaystyle D_{\text{bore}}}

ねじれ移動とボア径は、一貫した測定単位、つまりメートル法 (mm)またはヤードポンド法 (in)で表す必要があります。 L{\displaystyle L}D{\displaystyle D_{\text{bore}}}

3 番目の方法は、ボア軸に対する溝の角度を度単位で単純に報告します。

後者の 2 つの方法には、ねじれ率を比率として表現するという固有の利点があり、異なる直径のボアを比較する場合でも、ねじれ率が比較的遅いか速いかを簡単に理解できます。

1879年、英国ロンドンのウールウィッチにある王立陸軍士官学校(RMA)の数学教授ジョージ・グリーンヒル[ 9 ]は、鉛芯弾の最適なねじれ率を計算するための経験則を考案しました。この近道は弾の長さを用いることで、重量や先端形状を考慮する必要がないことです[ 10 ] 。このグリーンヒルの公式は、現在でも広く使われており、以下の式で表されます。

ねじれCD2L×SG10.9{\displaystyle {\text{ねじれ}}={\frac {CD^{2}}{L}}\times {\sqrt {\frac {\mathrm {SG} }{10.9}}}}

ここで、 は 150 (銃口速度が 2,800 f/s を超える場合は 180 を使用)、はインチ単位の弾丸の直径、はインチ単位の弾丸の長さ、 は弾丸の比重(鉛芯弾の場合は 10.9 で、方程式の後半部分は打ち消されます) です。 C{\displaystyle C}D{\displaystyle D}L{\displaystyle L}SG{\displaystyle \mathrm {SG} }

の元の値は150で、弾丸の直径と長さ(インチ)が与えられた場合、1回転あたりのねじれ率(インチ)が得られます。これは約840 m/s(2800 ft/s)の速度まで有効です。それを超える速度では、aを180にする必要があります。例えば、速度が600 m/s(2000 ft/s)、直径が0.5インチ(13 mm)、長さが1.5インチ(38 mm)の場合、グリーンヒルの公式では値は25となり、これは25インチ(640 mm)で1回転することを意味します。 C{\displaystyle C}D{\displaystyle D}L{\displaystyle L}C{\displaystyle C}

安定性とねじれ率を決定するための改良された公式には、ビル・デイビスとロバート・マッコイによって開発された ミラーねじれ則[ 11 ]とマジャイロプログラム[ 12 ]があります。

アメリカ南北戦争南軍北軍の両軍が使用したパロットライフル

ねじれ率が不十分だと、弾丸はヨーイングを始め、その後回転し始めます。これは通常「キーホール効果」として見られ、弾丸が斜めに命中した際に標的に細長い穴を開ける現象です。弾丸がヨーイングを始めると、歳差運動によってランダムな方向に逸れ始めるため、命中精度は期待できなくなります。

逆に、ねじれ率が高すぎる場合も問題が発生することがあります。過度のねじれは砲身の摩耗を加速させる原因となり、高速と相まって非常に高いスピン レートも誘発し、弾頭ジャケットの破裂につながり、高速スピン安定化弾が飛行中に崩壊する原因となります。単一金属で作られた弾頭は、スピン レートのために飛行中に崩壊するような飛行速度とスピン レートを実質的に達成することはできません。[ 13 ]無煙火薬は、スピン安定化弾で約 1,600 m/s (5,200 ft/s) の銃口初速を生み出すことができ、滑腔戦車砲に使用されるより高度な推進薬は約 1,800 m/s (5,900 ft/s) の銃口初速を生み出すことができます。[ 14 ]必要以上にねじれが大きいと、精度に関してより微妙な問題が発生することもあります。弾丸内部の不均一性、例えば質量の不均一な分布を引き起こす空隙などは、回転によって拡大される可能性があります。また、小さすぎる弾丸も問題を引き起こします。小さすぎる弾丸は、銃身と正確に同心円状にライフリングに進入しない可能性があり過度ねじれは、これが原因となる精度の問題を悪化させます。

ライフル銃身から発射された弾丸は、弾丸の銃口速度と銃身のねじれ率に応じて、毎分30万回5kHz )以上で回転することがあります。

単一の軸の周りを回転する物体の スピンの一般的な定義は、次のように記述できます。S{\displaystyle S}

SυC{\displaystyle S={\frac {\upsilon }{C}}}

ここで、は回転物体内の点の線速度(距離/時間の単位)であり、この測定点が回転軸の周りを回る円の円周を指します。 υ{\displaystyle \upsilon }C{\displaystyle C}

発射銃身のライフリングに一致する弾丸は回転しながら銃身から発射されます。

Sυ0L{\displaystyle S={\frac {\upsilon _{0}}{L}}} ここでは銃口速度、 はねじれ率である。[ 15 ]υ0{\displaystyle \upsilon_{0}}L{\displaystyle L}

たとえば、ねじれ率が 1/7 インチ (177.8 mm)、銃口初速が 3,050 フィート/秒 (930 m/s) の M4 カービン銃では、弾丸の回転は 930 m/s / 0.1778 m ≈ 5.230 kHz (313,835 rpm) になります。

回転速度が速すぎると弾丸の設計限界を超え、遠心力によって弾丸が飛行中に放射状に崩壊する可能性がある。[ 16 ]

デザイン

円形の断面を持つ銃身は発射体に回転を与えることができないため、ライフル銃身は非円形の断面を持つ。通常、ライフル銃身には全長にわたって 1 つ以上の溝が刻まれており、その断面は内歯車に似ているが、通常は角が丸い多角形の形状をとることもできる。銃身は断面が円形ではないため、単一の直径で正確に説明できない。ライフル銃身は、銃身径またはランド径(ライフリングのランドまたは高点間の直径)、または溝径(ライフリングの溝または低点間の直径)で説明できる。薬莢の命名規則の違いが混乱を招くことがある。たとえば、.303 ブリティッシュの弾丸の直径は、実際には.308 ウィンチェスターの弾丸の直径よりもわずかに大きいです。これは、「.303」がインチ単位の銃口径 (弾丸は .312) を指し、「.308」がインチ単位の弾丸の直径 (それぞれ 7.92 mm と 7.82 mm) を指すためです。

形態は異なるものの、ライフリングの共通の目的は、弾丸を正確に標的に届けることです。弾丸に回転を与えるだけでなく、銃身は弾丸が銃身内を進む際に、弾丸をしっかりと同心円状に保持する必要があります。そのためには、ライフリングにはいくつかの役割が求められます。[ 4 ]

  • 発射時に弾丸が押しつぶされて銃身が満たされるような大きさでなければなりません。
  • 直径は一定でなければならず、銃口に向かって大きくなってはなりません。
  • ライフリングは銃身の長さにわたって一貫している必要があり、溝の幅や間隔の変化など、断面に変化があってはなりません。
  • 弾丸によって材料が摩耗しないように、銃身に対して垂直方向に傷がなく滑らかでなければなりません。
  • チャンバーとクラウンは、発射体をライフリング内外にスムーズに移動させる必要があります。

ライフリングは薬室のすぐ前方から始まっているとは限らない。薬室の前方にライフリングのないスロート部がある場合、薬莢をライフリングに押し込まずに薬莢を装填できる。これにより、薬莢を薬室に装填するために必要な力が軽減され、未発射の薬莢を薬室から取り出す際にライフリングに弾丸が残るのを防ぐことができる。スロートの規定直径は溝径よりいくらか大きく、ライフル射撃時に高温の火薬ガスが銃身内面を溶かすような場合には、拡大されることもある。[ 17 ]フリーボアとは、スロート部より前方にランドのない腔銃身の溝径分の長さである。フリーボアにより、弾丸は静止摩擦から滑り摩擦に移行し、回転運動量の増大による抵抗に遭遇する前に直線運動量を得ることができる。フリーボアにより、弾丸が銃身内を移動し始める前の弾道学における最小容積段階の初期圧力ピークを低減することで、推進薬をより効果的に使用できる可能性がある。ライフル銃身よりフリーボア長が長い銃身は、パラドックスなど様々な商品名で知られている。[ 18 ]

製造

第一次世界大戦中の75mm砲のライフリング

あらかじめ穴を開けた銃身にライフリングを施す初期の方法は、角棒にカッターを取り付け、所定のピッチの螺旋状に正確にねじり、固定された2つの角穴に取り付けるというものだった。カッターを銃身内へ進めると、ピッチによって決まる一定の速度でねじれた。最初の切り込みは浅く、繰り返し切り込むにつれてカッターの先端は徐々に広がった。刃は木製のダボの溝に差し込まれ、必要な深さになるまで紙片を少しずつ詰めていった。この工程は、溶けた鉛の塊を銃身内に流し込み、それを取り出してエメリーと油のペーストを塗布し、銃身を滑らかにすることで完了した。[ 19 ]

ほとんどのライフリングは次のいずれかによって作成されます。

  • 工具で一度に 1 つの溝を切削する(カットライフリングまたはシングルポイントカットライフリング)。
  • 特殊なプログレッシブブローチビット(ブローチングライフリング)を使用して、1 回のパスですべての溝を切削します。
  • 「ボタン」と呼ばれる工具を銃身に押し込んだり引いたりして、一度にすべての溝を押し込む方法(ボタンライフリング)。
  • ライフリングの反転イメージを含む心棒上で銃身鍛造し、多くの場合薬室も鍛造する(ハンマー鍛造)。
  • ライフリングの反転イメージを含むマンドレル上で銃身プリフォームをフロー成形する(フロー成形によるライフリング
  • 化学反応レーザー光源からのなどの非接触力を利用してライフリングパターンをエッチングする(エッチングライフリング
  • 薄い金属板にライフリング溝のテクスチャを機械加工し、その板を銃身の内腔に折り込む(ライナーライフリング

切り抜かれた空間で、結果として生じる隆起はランドと呼ばれます。これらのランドと溝の数、深さ、形状、ねじれの方向 (右または左)、およびねじれ率は異なります。ライフリングによって与えられた回転は発射体の安定性を大幅に向上させ、射程と精度の両方を向上させます。通常、ライフリングは銃身に沿って一定の速度で行われ、通常、1 回転を生成するために必要な移動距離で測定されます。時折、銃器にはゲイン ツイストがあり、回転率が薬室から銃口に向かって増加する場合があります。製造ばらつきがあるため、意図的なゲイン ツイストはまれですが、わずかなゲイン ツイストは実際にはかなり一般的です。ねじれ率の低下は精度に非常に悪影響を与えるため、ライフリングされたブランクから新しい銃身を機械加工する銃器工は、ねじれを注意深く測定し、差がどんなに小さくても銃口側の速度が速い方を採用する場合があります。

発射物

57-N-231規格の7.62×39mm軍用弾頭(鋼鉄芯)。左は未発射、右は発射済みでライフリング溝が見える。溝の跡には銅のウォッシュが削り取られ、鋼鉄製のジャケットが露出しているのがわかる。
回収された7.62×51mm NATO弾3発(未使用の薬莢の横)。反時計回りの回転を与えるライフリングの痕跡が見られる。

最初の銃器は、銃口から薬室へ弾丸を押し込むことで装填されていました。ライフル銃身か滑腔銃身かにかかわらず、銃身を密閉し、銃の命中精度を最大限に高めるためには、良好な嵌合が必要でした。発射体を装填するのに必要な力を軽減するために、これらの初期の銃では小さめの弾丸と、弾丸と銃身の壁の間の隙間を埋めるための布、紙、または革製の当て布が使用されていました。当て布は詰め物のような役割を果たしある程度の圧力密閉を提供し、弾丸を黒色火薬の装填物の上に載せ、弾丸を銃身と同心に保ちました。ライフル銃身では、当て布が弾丸ではなく弾丸に噛み合うため、ライフル銃の回転を弾丸に伝える手段も提供しました。発射時に膨張して閉塞し、銃身を密閉してライフリングに噛み合う中空ベースのミニエー弾が登場するまでは、パッチは弾丸をライフリングに噛み合わせる最良の方法でした。 [ 20 ]

後装式銃器では、弾丸をライフリングに装填する役割は薬室スロート部によって担われます。次にフリーボア部があり、これはライフリングが始まる前に弾丸が通過するスロート部の部分です。スロートの最後の部分はスロートアングルで、ここでスロート部はライフリングされた銃身へと移行します。

スロートは通常、弾丸よりわずかに大きいサイズになっているため、装填された薬莢の出し入れが容易であるが、スロートは銃身の溝の直径に可能な限り近づけるべきである。発射すると、弾丸は薬室からの圧力で膨張し、スロートに収まるように閉塞する。弾丸はその後スロートを下り、ライフリングに接触して刻印され、回転を始める。弾丸を刻印するにはかなりの力が必要であり、一部の銃器では大きなフリーボアが設けられており、これにより推進ガスが弾丸を刻印する前に膨張できるため、薬室の圧力を低く抑えることができる。フリーボアを最小限にすることで、弾丸がライフリングに入る前に変形する可能性が減り、精度が向上する。[ 21 ] [ 22 ]

弾丸がライフリングに押し込まれると、ランドが弾丸に押し込まれるため、弾丸はライフリングの鏡像を呈します。このプロセスはエングレービングと呼ばれます。エングレービングは、ランドや溝といった銃身の主要な特徴だけでなく、傷や工具痕といった小さな特徴も反映します。銃身の特性と弾丸のエングレービングの関係は、法医学的弾道学においてしばしば用いられます。

自動小銃には、深く刻まれた溝を持つライフリング銃身が用いられ、弾丸を超えるガス圧を意図的に緩和する(ただし、弾速には影響する)。ヘッケラー&コッホVP70は、この機構を用いてピストルスライドへの圧力を緩和した例である。[ 23 ] [ 24 ]

最近の動向

従来のライフリング(左)と多角形ライフリング(右)。どちらのタイプのライフリングも螺旋状のパターンを採用している。
螺旋状の模様(ここでは多角形のライフリング)が描かれている

現代のライフリングで最も一般的に使用される溝は、かなり鋭いエッジを持っています。最近では、初期のタイプのライフリングを彷彿とさせる多角形ライフリングが、特にハンドガンで人気になっています。多角形の銃身は、ランド(溝は切り欠かれた空間で、結果として生じる隆起はランドと呼ばれます)の鋭いエッジが減少することで銃身の侵食が減少するため、耐用年数が長くなる傾向があります。多角形ライフリングの支持者は、初速と精度が向上するとも主張しています。多角形ライフリングは現在、CZHeckler & KochGlockTanfoglioKahr ArmsPシリーズのみ)などのピストル、およびDesert Eagleに見られます。

野砲では、1970年代初めにジェラルド・ブルのスペース・リサーチ・コーポレーションのデニス・ハイアット・ジェンキンスとルイス・パラシオ[ 25 ]がGC-45榴弾砲向けに開発した射程延長型フルボア(ERFB)のコンセプトでは、砲身の突出部を砲身のランドにぴったり収まる小さな突起に置き換えている。 [ 26 ] [ 27 ]これらの発射体を発射できる砲は、射程距離が大幅に伸びたが、その代償として精度が大幅に(3~4倍)低下したため、NATO軍には採用されなかった。[ 28 ]サボを使用して砲身より狭い砲弾とは異なり、ERFB砲弾はフルボアを使用するため、より大きなペイロードを使用できる。例としては、南アフリカのG5やドイツのPzH 2000などがある。 ERFBはベース・ブリードと組み合わせることができる。

可変ピッチライフリング

ゲインツイストまたはプログレッシブライフリングは、ゆっくりとしたツイスト率から始まり、銃身​​に向かって徐々に増加するため、弾丸が銃口に入った後の最初の数インチの移動中に、弾丸の角運動量の初期変化はほとんどありません。[ 29 ]これにより、弾丸は基本的に乱されず、薬莢口にぴったりと収まります。銃口でライフリングと噛み合った後、弾丸は銃身内を進むにつれて徐々に加速された角運動量にさらされます。理論的な利点は、回転速度を徐々に増加させることで、トルクがはるかに長い銃身の長さに沿って伝達され、熱機械的応力が銃身の他の部分よりもはるかに早く摩耗する銃口に主に集中するのではなく、より広い領域に分散されることです。ゲインツイストライフリングは、アメリカ南北戦争(1861-1865年)の前と最中に使用されました。コルト陸軍および海軍のリボルバーは両方ともゲインツイストライフリングを採用していました。しかし、ゲインツイストライフリングは均一ライフリングよりも製造が難しく、そのため高価です。軍隊では、ゲインツイストライフリングを様々な兵器に使用してきました。20mm M61バルカンガトリング砲は、現在の戦闘機や大型機に搭載されている。A10サンダーボルトII近接航空支援ジェット機に搭載された30mmGAU -8アベンジャー・ガトリング砲。この砲は、初期のねじれ率を低く抑えることで薬室圧力を低下させ、銃身の軽量化を実現しながらも、銃身を出た弾丸の十分な安定性を確保している。市販の製品にはほとんど採用されていないが、スミス&ウェッソン モデル460(エクストリーム・ベロシティ・リボルバー)には採用されている。[ 30 ]

参照

参考文献

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