方鯤1，2??劉康1，2??喬治3??董衛(wèi)國4
1.北京熱塑性復(fù)合材料工程技術(shù)研究所
在輕型自動武器的研制過程中，需要實現(xiàn)的極其重要的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)是大幅度減輕武器系統(tǒng)的質(zhì)量，提高武器的機(jī)動性，同時保證輕武器的射彈散布精度。尤其是連發(fā)射擊精度，以滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭對輕武器的戰(zhàn)技指標(biāo)要求。?
為追求遠(yuǎn)距離精確射擊，狙擊步槍通常采用重型槍管以保證精度，而這種設(shè)計使得槍械的便攜性稍顯不足。美國克里斯坦森武器公司推出的MPR狙擊步槍，采用在較小直徑的槍管外圍纏繞碳纖維材料的方法制造槍管，成功地解決了這一問題。
碳纖維材料與金屬材料一樣多種多樣，正如不同金屬元素組合的合金材料千變?nèi)f化一樣，不同的碳纖維、粘合劑、成型技術(shù)和制造工藝生產(chǎn)出的產(chǎn)品性能也千差萬別。克里斯坦森武器公司經(jīng)歷了多年的研發(fā)，于1995年推出了最早的外層纏繞碳纖維材料的槍管產(chǎn)品。
碳纖維材料纏繞的槍管主要有三大優(yōu)勢：可大幅降低槍管質(zhì)量；槍管的散熱能力更強(qiáng)；比同等質(zhì)量的槍管剛性更強(qiáng)。常規(guī)槍械配備的輕型槍管的熱容比較小，連續(xù)射擊時，槍管容易因過熱而產(chǎn)生形變，導(dǎo)致大幅度降低射擊精度。這就是為什么重型槍管在精準(zhǔn)射擊時如此受歡迎，因為它們可以在持續(xù)射擊時保持良好的精度。
據(jù)美國《國防》報道稱，美國蒙大拿州一家名為 Proof Research 的槍械研發(fā)公司已生產(chǎn)出了碳纖維包裹的槍管，可大幅改善槍械的射擊精度、耐用性和槍管壽命。碳纖維槍管沒有縮放比例的局限，我們將不斷致力于探索最終把這種槍管用于坦克、飛機(jī)和軍艦武器的可能性。?
碳纖維包裹槍管的設(shè)計比傳統(tǒng)的鋼質(zhì)槍管輕64%，并能改善散熱性能，從而降低槍管的溫度并延長其使用壽命，此外還能降低槍的震動。該設(shè)計方法確保了槍管的應(yīng)力狀態(tài)與各種不同的溫度范圍相一致。利用碳纖維技術(shù)，可以在不犧牲性能的情況下減少重量。
采用預(yù)浸料多角度、多層鋪層方式，保證槍管的多方向的強(qiáng)度。
碳纖維復(fù)合材料機(jī)槍支架與金屬材料不同，碳纖維復(fù)合材料呈各向異性，耐口徑機(jī)槍則主要要求解決縱向平面內(nèi)的振動問題。因此我們利用復(fù)合材料的這一特性，為增加其縱向剛度，選用鋪層設(shè)計和纏繞角度來滿足槍架結(jié)構(gòu)的剛度要求。
對于復(fù)合材料而言，其剛度等參數(shù)是可以設(shè)計的，這些參數(shù)與碳纖維的纏繞角度有直接的關(guān)系，按照層合彎曲理論，層合梁在外力的作用下處于純彎曲狀態(tài)，為了滿足原架桿的彎曲強(qiáng)度，采用等剛度設(shè)計方法，為了保證結(jié)構(gòu)動力匹配特性，設(shè)計槍架架桿時要使其剛度與原鋼結(jié)構(gòu)剛度相當(dāng)，再根據(jù)纏繞角度等因素確定前后架桿截面形式和結(jié)構(gòu)尺寸，以保證縱向剛度不至于削弱。為了保證縱向剛度，可采用兩種鋪層途徑：一種是采用小纏繞角或平面纏繞法，另一種是采用縱向鋪層的方法。根據(jù)使用設(shè)備情況，最終采用了縱向鋪層與螺旋纏繞法相結(jié)合的方法。
采用碳纖維復(fù)合材料制備的大口徑機(jī)槍槍架可以大幅度減輕機(jī)槍質(zhì)量，提高其機(jī)動性。碳纖維復(fù)合材料槍架與鋼槍架的質(zhì)量比較，減輕了25%。機(jī)槍槍架改用碳纖維復(fù)合材料后，其質(zhì)量有較大幅度降低。在大幅度減輕機(jī)槍槍架質(zhì)量的條件下，機(jī)槍仍能保證連發(fā)射擊散布精度，且有所改善。通過結(jié)構(gòu)動力分析和散布精度試驗表明，用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂制造機(jī)槍槍架是可行的，為槍架設(shè)計開創(chuàng)了新途徑。
美國《目標(biāo)( On Target )》雜志年度編輯選擇獎揭曉，斯普林費爾德兵工廠公司( Springfield Armory )“ 2020 Waypoint"步槍獲獎。
普通型號配備表面帶凹槽的不銹鋼槍管，更高級的型號配備的是BSF碳纖維包裹槍管，每種槍管均有0.75 MOA精度保證，配備的碳纖維包裹槍管，在連續(xù)射擊10發(fā)彈藥之后，仍沒有感到槍管有明顯升溫。槍托表面鋪設(shè)由AG Composites公司制造的碳纖維材料。
德國蘇爾市的Merkel Jagd- und Sportwaffen GmbH公司正式推出了一款新的獵槍。它的亮眼之處在于由碳纖維制成的步槍槍托，由位于米特韋達(dá)的飛機(jī)和汽車供應(yīng)商COTESA GmbH開發(fā)和制造。
現(xiàn)代狩獵步槍必須接受很多嚴(yán)厲的管制，同時還必須易于操作，當(dāng)然還必須能夠準(zhǔn)確射擊。然而，由于各種附加和附件模塊，運動步槍往往變得更重而不是更輕，默克爾公司的"Helix Carbon"新開發(fā)的重點是步槍槍托。碳纖維作為一種復(fù)合材料，非常堅固、重量輕，而且外觀非常優(yōu)雅。碳纖維制成的多件式步槍槍托在獵人臉頰所在的區(qū)域或握把區(qū)域還具有柔軟觸感的表面。這保證了特別安全的抓地力，從而有可能發(fā)射精確的子彈。子彈發(fā)展到今天，早已由過去的樣式簡單功能單一 , 演變成為更具科技含量，功能也更加多樣化的產(chǎn)物。一枚完整的子彈通常是由彈丸、彈殼、激發(fā)藥和底火四部分組成，每一部分在制作過程中都是獨立完成的，在制作一枚子彈的過程中要經(jīng)過一百多道復(fù)雜的工序。
長期以來，在輕武器彈藥領(lǐng)域，世界發(fā)達(dá)國家一直在不斷探索。一直以來，生產(chǎn)彈殼的原材料以黃銅和鋼居多，我國和俄羅斯以鋼作為彈殼的原材料，歐美則以黃銅為主。而現(xiàn)在則出現(xiàn)了一種“復(fù)合材料彈殼”。使用這些復(fù)合材料，比如纖維素、尼龍、聚氨酯預(yù)聚物等制備復(fù)合材料彈殼、殼肩和殼頸。這種子彈仍采用彈頭、底火和彈藥等，只是彈殼采用復(fù)合材料。復(fù)合材料彈殼采用注塑成型加工，然后再與黃銅彈殼底座冷加工成型。包括采用嵌入式注塑成型將彈頭裝入復(fù)合材料彈殼體內(nèi)，使彈殼口部自動密封，不必再用金屬彈殼普遍采用的緊口和涂外口工藝，就可以確保槍彈防水防潮。
復(fù)合材料彈殼與黃銅彈殼相比，最重要的區(qū)別就是重量減輕高達(dá)30%~40%。對于普通消費者而言，這可能沒有什么吸引力，而對于軍隊而言卻有著非常重要的現(xiàn)實意義。
這種輕質(zhì)子彈還具有更高的精度、初速和更好的彈道性能。當(dāng)改用聚合物彈殼的子彈時，你將能夠減輕負(fù)重攜帶更多的彈藥。士兵標(biāo)準(zhǔn)配備的7個30發(fā)彈匣，共計210發(fā)。如果換用復(fù)合材料彈殼的子彈，那么士兵在同樣負(fù)荷條件下可以攜帶300發(fā)子彈。如果依舊配備210發(fā)彈藥，那么士兵可以攜帶更多的水或者任務(wù)必需的裝備。
而且彈藥的運輸費用也非常昂貴，每架飛機(jī)配備的槍炮、彈藥的重量都非常可觀。子彈重量的減輕，可減少部隊后勤保障時使用運輸工具的數(shù)量或次數(shù)，大幅降低運輸費用，縮短運輸時間。
復(fù)合材料彈殼的子彈的另一個優(yōu)勢在于它的熱傳導(dǎo)方式的不同。熱量是影響每一支槍械的重要因素。復(fù)合材料彈殼是一個絕緣體，黃銅是一種導(dǎo)熱材料。使用黃銅彈殼子彈射擊時，子彈上的熱量和壓力會傳遞給槍膛和槍管，使槍膛內(nèi)形成高溫和高壓，加速槍管材料的磨損，縮短槍管使用壽命。使復(fù)合材料彈殼子彈射擊時，由于復(fù)合材料的比熱容高，即熱傳導(dǎo)性差，子彈上的熱量不容易傳遞給槍膛和槍管，減少快速射擊過程中槍管上和槍膛內(nèi)的熱量累積，減緩槍管材料的磨損和燒蝕，延長槍管使用壽命。
熱傳遞也會影響彈藥在不同環(huán)境中的穩(wěn)定性。由于復(fù)合材料彈殼在不同的環(huán)境不會對子彈產(chǎn)生太大影響，復(fù)合材料彈殼的子彈在不同環(huán)境中往往表現(xiàn)得更穩(wěn)定。?
原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦復(fù)合材料網(wǎng)）：先進(jìn)復(fù)合材料在軍事裝備上的應(yīng)用——槍械·彈藥篇
