狙击步枪瞄准镜的一些知识和早期发展 (转贴)

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注:本帖转自腾讯军事(在腾讯上看到的不错的文章,转过来给大家分享下,如果有违规,就麻烦管理员删了吧)

作为传统光学的顶尖强国,德国不仅在十九世纪末缔造了实用枪械瞄准镜的开端,首次将枪械瞄准镜投入实战应用,而且横跨一百多年,他们至今仍然把持着最优秀瞄准镜的生产能力。然而德国在狙击领域的发展成就却始终没有能与其光学工业能力的地位相称,这其中既有技术发展的因素,也有其一、二战先后失败的大政治背景,不能不说是历史开的一个大玩笑。

一:望远镜与瞄准镜

人眼在理论上的分辨能力极限可以达到18-20角秒,即0.3-0.33角分。但受限制于感光细胞的分布和具体的生理结构缺陷,视力最佳的人在人眼敏感的光线波段,而且照明充足的条件下,分辨能力也只能达到1角分;如果光线条件只是一般,则下降到2角分——正常视力的人一般在3-5角分之间。更直观的说,通常情况下在90米处,绝大多数人都不能分辨长宽小于8到13厘米的物体——无论观察者怎样去集中注意力和调节眼睛。

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人眼的生理结构

虽然在普通人看来这种能力已经足够了,但是一旦面临更为复杂和不利的条件,比如拂晓和黄昏等光线昏暗的时刻,以及对手刻意寻求隐蔽物进行隐藏的情况,即使是在100米以内,肉眼的观察能力和效率都会降低到令人难以接受,更不用提数百米、一千米以外。读者不妨先在谷歌地图上选定一个已知距离的标志性建筑,然后自己尝试不同条件下用肉眼观测建筑和行人的细节。正是因为这种原因,原本作为天文学家突破人类视力极限,用于观测天体工具的望远镜出现以后,很快就被运用于军事用途——而瞄准镜则是在望远镜基础上衍生的变种。

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伽利略结构和开普勒结构

主流的望远式瞄准镜继承了开普勒式望远镜的基本光学原理。在最简化的模型中,开普勒光学结构由两块凸透镜组成,放大倍率由两者焦距的比值所决定。与一块凸透镜、一块凹透镜组成的伽利略式光学结构不同,开普勒光学结构在于两块透镜之间的成像是实像,所以通过在透镜间的焦点处设置分划板,便可以在视野中清晰见到分划被放大以后叠加在被观察的景物上。

开普勒本人在当时都没有意识到的是,这个特点赋予了开普勒结构非凡的工程、军事实用意义。尤其是在枪炮一类身管武器从滑膛进入线膛时代以后,弹丸不再是在身管内不断碰撞、弹跳着向前运动,既浪费了燃气能量又难以准确的命中目标;通过弹带或者弹体变形嵌入膛线以后形成的高效气密和高速旋转,使弹丸得以获得更高的初速并稳定而准确的飞行。此时人类肉眼视力极限对于观察瞄准能力的限制,已经成为制约武器射击效能的最大短板。

当人们发现在观察远处被放大的景物时,视野上还可以叠加上一些清晰的标志,可以非常方便的进行定位、测量,那么承载这种功能的光学产品与武器相结合的需求也就顺理成章的被提上日程。可以说军事上对于瞄准镜的需求出现的早而且强烈,它的实用化进程比较晚,最大的原因还是受到光学原理和制造工艺进步的时代限制。

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视野中的分划标志

二:瞄准镜的瞄准方式

普通机械瞄准具的枪械,多数人都清楚其基本原理,即照门、准心、目标(更准确的说是预计的弹着点)三点成一线;有射击经验和理论基础的人,还知道如何调节照门高低,利用准心测距,将瞄准点置于目标范围何处等知识。但是对于瞄准镜如何瞄准,知道的人就很少了。对于射手来说,使用瞄准镜时,主观感受上是在能形成清晰视野的情况下,将分划对准目标即可,看起来是一个两点一线的瞄准过程;但实际原理和具体的使用细节要复杂的多。

由于基本的开普勒结构只能形成上下倒立、左右翻转的成像,所以在实际的瞄准镜中,物镜与目镜之间会设置一组正像透镜,使成像再次颠倒回来。一百多年以来,望远式瞄准镜的附加功能和性能指标发生过数次脱胎换骨的变化,但在基本原理上却没有超出这个范围。

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基本的瞄准镜结构

最终瞄准镜的瞄准实际上通过四点一线完成:分别是目镜系统成像焦点、分划板上的分划(比如十字线)、物镜系统成像焦点、目标四者。由于成像焦点是不可见的,因此对于射手来说,瞄准过程就是将分划重合到目标范围内适当位置的过程。这个过程有些类似于一支普通的机械瞄准具步枪被去掉了照门,射手直接用准心去瞄准目标的情况。机械瞄准具中通过照门实现的基本功能,在瞄准镜使用过程中则主要是由射手对视野阴影的把握和使用焦距调节系统实现的。

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瞄准镜视野中的阴影

上图是随着眼睛和瞄准镜相对位置不断变化时,射手在视野中所看到的阴影示意图。瞄准镜与望远镜不同,它要求的出瞳距离(眼睛到瞄准镜目镜的距离)不仅要远得多(多数有70-100毫米,防止枪械后坐时撞伤眼睛),而且对具体的出瞳位置要求比较苛刻,眼睛偏离瞄准镜光轴的幅度稍大就不能观察到正常的成像。所以在手持的条件下,缺乏足够使用经验的人,要用瞄准镜进行稳定观察是很困难的事情;而且隐蔽性、反应速度和观察能力都远不如微型望远镜。电影电视剧里的类似情节,基本上都属于导演生编臆造的结果。

视野阴影示意图中的情况1,是唯一正确的视野表现,均匀清晰的环形阴影,代表着眼睛已经将瞄准镜光轴纳入视野中央范围,处于理想的瞄准状态。而情况3、4、5、6则代表眼睛向上下左右偏离了正确的位置,眼睛没有对准瞄准镜光轴;相当于使用机械瞄准镜时,准心不在中央,而偏向了照门的一侧。图中的红点位置反映了了弹着点会向阴影较小一侧偏移的现象。

图中情况2的阴影消失,则说明眼睛已经过于靠近瞄准镜;此时有可能眼睛仍然正对着光轴,但是射手由于阴影这一参照物的消失,已经难以判断自己出瞳位置的准确性如何了。不过近年来也有采用广角设计的瞄准镜,在正常瞄准时的环形阴影就很稀薄甚至没有;虽然进一步扩大了视野,但是也对射手据枪、贴腮,掌握枪支平正关系的基本功提出了更高的要求。到此时为止,射手已经完成了大致准确的据枪、贴腮过程,眼睛也已经基本对准了瞄准镜光轴。

然而涉及到更进一步的瞄准、调节过程时,瞄准镜的具体使用方式从近代到现代却早已截然不同。实际上一、二战时期狙击手的普遍射击距离偏近,最为重要原因就是受制于当时瞄准镜的观察、测距、瞄准能力所限,而这又和当时工业体系带来的水平限制息息相关。

三:瞄准镜发展的难题

枪械瞄准镜与望远镜相比的最大不同,在于它有着严格的耐冲击和保持机械精度的要求。以56式半自动(SKS)步枪为例,该枪重3.75kg,在装配重量为0.6kg的瞄准镜以后;后座体(枪械+瞄准镜)在发射时的最大后座加速度达到350g。这就意味着此时步枪瞄准镜中的镜片及其支撑结构、分划标志、高低和风偏调节机构,在每次射击过程中都要在瞬间承受超过自身重量和正常情况下承受载荷350倍以上的冲击应力。56式半自动步枪发射的仅仅是7.62中间威力枪弹尚且如此,那么使用7.62x54R、7.62NATO这样全威力弹药,乃至于12.7mm机枪弹的枪械在后座时的形成的冲击则更不难想象。

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加装了瞄准镜的56式半自动步枪

恶劣工况的残酷性决定了瞄准镜注定是一种耗材。对于与枪械通过刚性连接固定的瞄准镜来说,射击过程中产生的冲击引起的零位走动、光学结构的失调,乃至于机械结构破坏这类现象都是不能完全避免的,至今为止和可见未来能遇见的技术进步都只能不断减轻、推迟它的发生。所以这个世界上有很多几十年以后仍然性能良好的望远镜,但从来没有经过长期高强度使用仍然能保持性能良好的瞄准镜。

在不断的射击过程带来的反复冲击下,瞄准镜的镜片支撑结构和调节机构会不可避免的发生变形,各零部件之间的间隙也越来越大。在变形的累积超过了一定程度以后,瞄准镜的光轴会产生严重的不稳定偏离,并且随着冲击带来的震动而随机改变;此时虽然还能看——也就是保留了观察、测距的能力,但事实上已经根本瞄不准了。在冲击测试台上进行极限测试(比如连续1000G冲击)的情况下,还会出现镜片伴随支撑结构和调节机构的断裂而脱落、甚至破碎的情况,此时从目镜中看过去,光路便是白花花的一片,什么景物都看不到。

要解决这些问题,无不牵涉到基础工业能力的方方面面:各类金属、光学玻璃的材料和工艺,加工和装配手段等等。如果不能使部件拥有足够高的强度,它的寿命就会很短,迅速来临的永久变形和断裂会使其功能丧失殆尽。而如果部件缺乏足够的刚度,加工和装配中就会产生明显的形变,首先就不可能做出很高的精度,更不可能在使用中保持。缺乏轻质高性能材料,例如特种铝、钛合金取代传统的特种钢材料,不仅支撑/调节机构的重量控制不下来,而且更重的部件会带来更大的冲击应力,直接引起寿命的缩短。

瞄准镜的光学、精度性能的每一次提升和功能增加,无不以镜片的尺寸和数量增加、调节机构的复杂化和精密化为基础。例如要实现变倍功能,就必须在定倍瞄准镜的基础上增加变倍透镜与控制它沿光轴前后移动的机械结构。这必然对光学工业和精密机械加工带来越来越高的要求。

即使是把持传统光学工业巅峰的德国和美国,真正制造出能够满足多数人想象中能力并且拥有足够寿命的瞄准镜,也就是无论远近都能非常精确的瞄准、能够在较大范围内调节放大倍率、而且倍率改变不影响瞄准精度的产品,也已经是21世纪之后的事情。在整个九十年代,西方的军警狙击手中仍然有不少支持定倍瞄准镜的保守派,最主要的理由就是对于可靠性和瞄准精度的担忧——当然今天已经是变倍瞄准镜的天下了。

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施密特·本德的5-25x56系列瞄准镜

上图的德国施密特·本德PM-II系列中的5-25x56PM-II瞄准镜,放大倍率5到25倍可调,物镜直径56mm,代表了现阶段人类在传统光学机械产品领域的尖端水平。该系列瞄准镜具有完善的功能,除了弹道的高低、水平(1、2)调节,放大倍率调节(4)以外,还包括了视差(3)、夜间分划板照明(5)以及屈光度(6)的调节功能。从性能上说,它不仅拥有极其出色的可靠性和寿命表现,而且在最大/最小倍率比值达到5的情况下,还可以保证放大倍率任意改变的过程中不产生瞄准误差。这对我国的军事光学工业来说,这种表现只能用无法想象来形容。

四:早期的狙击步枪系统

从19世纪末开始,跟随着法国技术突破和实战表现的影响,德国军用步枪系统经历了一系列重大变革:弹药方面从黑火药改进成无烟发射药,弹头也从圆头弹改进成尖头弹,口径也有所不同;步枪则从1888式委员会步枪系列替换为K98系列。无烟发射药和尖弹头的使用意味着现代步枪弹药的诞生,大幅度提升的射程和精度,不仅奠定了现代步枪远射性能的基础,同时也是实现可靠准确射击所必须的条件。

但在当时还非常原始的弹道和枪械理论设计水平条件下,各家的步枪设计上都存在大量没有严密可靠依据的地方,最后的结果很大程度上取决于设计师的个人经验水平高低和主观推测是否正确;想要研制的步枪系统能拥有较好的精度是一件比较考验运气的事情,并非谁更舍得在材料和工艺上下本钱就一定能收获到更好的性能。尤其是当时出于减低经济成本和缓解后勤压力的考虑,很多步枪弹药的革新并不彻底,一些落后口径并没有被干脆的淘汰,而是通过更换发射药与弹头获得性能改良后继续沿用。

不走运的德国人在当年就从未获得过一种精度优良的步枪和弹药组合。虽然几十年后,打遍全球战场精度饱受赞誉的M40和M24等M700系列狙击步枪都是脱胎于K98步枪的核心结构;至今在1000码(914.4米)和以上级别的远距离射击比赛中,大量优异的成绩仍然是通过M700系高精度步枪创造出来的。但在一二战时期,即使是精挑细选过用来作为光学瞄准镜搭载平台的狙击型K98步枪,其性能也不过只能保证在270~360米之间的距离范围上可靠命中人体目标。

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二战时的德制瞄准镜,用今天的眼光看功能极其简陋

与乏善可陈的步枪相比,德制的光学瞄准镜就要先进的多。观察德国蔡司的Dialythan 4X瞄准镜可以发现:它的目镜和物镜直径都比镜筒要大,而且它的调节结构也都是内藏在瞄准镜的结构中,只在外部露出调节的旋钮——这在当时是很先进的一种技术,对于精密制造、金属化工材料的要求都很高。当时的美式产品,比如M1903A1狙击步枪的瞄准镜,采用的还是外置调节式,结构设计上落后同时期德国货一个时代。

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M1903A1狙击步枪瞄准镜的外部调节方式

但是客观的说,在当时K98步枪与德系瞄准镜的组合中,除了更大尺寸的镜片加大了视场以外,德系瞄准镜在结构和光学性能上的优势被发挥的有限。尤其是某些型号上具备的焦距调节能力,对于二战时期并没有严格精密射击要求和能力而且交战距离很近的狙击武器系统来说作用并不大。除了它们所搭载的K98步枪本身并不是一个以精度见长的平台外,这种局面主要还受限制于当时瞄准镜的光学水平和分划设计。

3.5-4倍的倍率决定了二战时期的瞄准镜只具备对较近距离目标的观察能力。具备观察经验的人都应该清楚,这个倍率下400米外的人已经很小了,躯干的宽度就和肉眼看40公分外的一根0.4毫米粗的铅笔芯差不多。在倍数确定以后,物镜等镜片的直径则决定了视野的旷阔与否。但在有限的材料和工艺水平下,要使大尺寸镜片能够耐受枪械冲击而不破裂,需要在成本和产能负担上付出高昂的代价,这使当时的瞄准镜物镜尺寸和视场都远不能与现代产品相比。在100米处,4.5度的视场只有7.86米,6度的视场只有10.5米。低倍率与小视场相结合,就决定了这些早期的瞄准镜既看不清远处的细节,在近处又看的不够广。

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PU瞄准镜和T字三柱分划

当时的大多数瞄准镜,都采用了欧式T字三柱分划;这种分划至今仍然广泛使用,不过主要用于近距离的狩猎用途。较粗的分划设计一方面基于当时的工业水平,制造能耐受频繁强烈冲击而不变形断裂的高性能金属细丝是非常困难的事情;另一方面在欧洲多灌木的环境中也特别显眼,不会发生分划标志与视野中的树枝等混淆的情况,有利于射手的快速瞄准射击。

但是在射击距离超过200米以外后,这种设计的弊端就开始凸显了。首先,随着距离加大,目标越来越小,变得巨大的分化会对目标形成严重的遮挡。其次,绝大多数光学器材的测距手段都是通过相似三角形原理,利用参照物相对于分划的大小,进行比例计算。对于缺乏精确刻度的T字型分划,射手往往只能凭借分划本身的厚度、水平方向上分划的缺口宽度来进行测距,不仅难以得到准确的结果,实际上要找到合适的参照物也并不容易。

测距是一切准确射击的决定性前提。所有涉及到瞄准点修正的参量,不论是弹道高低调节、风偏调节、还是运动目标的提前量调节,全部都要基于射手到目标之间的距离进行计算;是应该瞄准目标头部上方,还是应该瞄准目标的胸部;是应该提前瞄准目标左边半米远,还是应该瞄准一米远?一旦测距错误或者无法进行测距,那么必然的结果就是瞄准点修正错误,或者根本无法进行准确修正。

基于当时瞄准镜在观察、测距、瞄准性能上的限制,决定了二战时期的狙击手,绝大多数情况下只会射击那些凭借直观视觉经验,在不假思索的条件下即可完成测距、弹道修正,并且能够容忍较大程度失误的距离以内的目标。这就限定了他们的最大攻击范围在绝大多数时刻仅仅是略大于步枪的直射距离,和普通士兵并无不同。正如大量的二战狙击手和老兵的回忆文献,都明确指出当时的狙击手普遍射击距离很短,更有狙击手直言不讳的说,“我根本不会去射击超过200码(183米)距离以外的目标”。

这一时代的狙击步枪和狙击手组合,仅仅是有限增强了裸眼观察能力的优选步枪与较为精锐的普通士兵组合,它并不对狙击手做出文化水平上的要求;哪怕是单词都不会拼几个的山野猎人,也可以成为这种武器系统的合格使用者——这在苏联二战中的功勋狙击手中并不少见。

五:LONG SHOT

人们提起狙击手时总会认为,他们在七八百米外、甚至一千米以外对目标做到首发命中、一枪毙命是理所当然的事情。在今天来说这个要求并不过分,但在二战时期却是绝难做到的。英语中的Long shot就是典型的一语双关,既指远距离射击,又指希望渺茫。从这种语言文化的侧面反映中,我们就可以看出早期枪械系统的性能局限性。

狙击手要实现可靠的远距离射击能力,必须得到三个条件的支持:优秀的步枪(弹药)提供高性能的平台基础;瞄准镜在功能上提供中、高放大倍率与精确测距能力,在性能上拥有良好的瞄准精度和尽可能小的调节误差。在二战结束以后,狙击步枪的发展并没有一蹴而就的实现这些要求,而是经历了多个型号的枪械、瞄准镜的发展。

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SVD步枪


这个过程中,苏联的SVD步枪是一块具有突破性意义的里程碑。它是第一款专门针对狙击用途设计的步枪系统,拥有着专用的高精度弹药,而且瞄准镜提供了测距能力。直到此时,狙击手们才得以突破枪械的直射距离限制,将能够可靠命中目标的距离推进到了接近400米——当然,那又是另一个故事了,且听下回分解。


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