La chiusura metastabile a rulli

Tratto da un documento ufficiale della Heckler & Koch, GmbH 1970

Nelle armi con sistema inerziale o chiusura a massa, la forza dei gas di combustione spingono attraverso la canna il proiettile in una direzione mentre dalla parte opposta fanno forza sul bossolo cercando di spingerlo fuori dalla camera di cartuccia. La molla di recupero sfruttando la massa dell’otturatore lo respinge, e riporta l’otturatore nella posizione iniziale a ciclo concluso.

Figura 1: Trasferimento dell' impatto alla massa dell'otturatore.
Figura 1: Trasferimento dell’ impatto alla massa dell’otturatore.

Il rapporto tra la velocità del proiettile e quella dell’otturatore sono il risultato di una semplice equazione.

( massa del proiettile + 1/2 massa della polvere ) * Velocità del proiettile
=
Massa * velocità dell’otturatore.
(dove la 1/2 della massa della polvere nella parte di destra è trascurabile)

Ne consegue che fin tanto che le energie sviluppate dalla munizione rimangono entro certi limiti, sono realizzabili sistemi con masse e molle di contrapposizione aventi valori accettabili. (vedi ad esempio armi fino al 9 corto).
Nel caso però in cui ad esempio si volesse realizzare un arma con sistema inerziale per poter sparare la munizione 7.62 × 51 mm NATO, mantenendo la velocità di estrazione del bossolo nei limiti di sicurezza, sarebbe necessario utilizzare un otturatore da quasi 15Kg, rendendo così l’arma di non facile maneggio. Con otturatori più leggeri ci sarebbe una velocità decisamente maggiore e con essa il rischio di aprertura anticipata. Se vi utilizzasse una molla con un coefficente elastico maggiore, servirebbe un sistema di leve per poter apire l’otturatore.
La HK partendo dal progetto tedesco alla base della mitragliatrice MG42, e migliorato poi nell’ Stg 45 e dal CETME Spagnolo progettato anche’esso dall’ingegnere tedesco Ludwig Vorgrimler  ideò e realizzo un sistema di chiusura metastabile con ritardo a rulli. (Nella mitragliatrice MG42 i rulli servono a garantire la chiusura dell’otturatore con la camera di cartuccia, mentra negli altri fucili hanno lo scopo di ritardare l’apertura dell’otturatore).
La Heckler und Knock ha realizzato un otturatore composto da 2 parti, un otturatore vero e proprio ed un porta otturatore, collegati tra di loro.
E’ appunto questo collegamento il cuore della chiusura metastabile a rulli, cuore del fucile d’assalto G3.
Schematizzato lo possiamo riassumere nella seguente immagine :

Figura 2: Rapporti di trasmissione nell'otturatore dell'HK G3.
Figura 2: Rapporti di trasmissione nell’otturatore dell’HK G3.

Nel fucile G3 il rapporto della leva tra la distanza tra a e b è di 1:4.
In riferimento alla culatta (9), il percorso del porta otturatore (7) quadruplica rispetto al percorso dell’otturatore (5). A causa di questa leva le due parti dell’ sistema dell’otturatore entrambe percorrono distanza diverse nello stesso periodo di tempo durante la combustione (3), ma il loro rapporto rimane costante. Entrambe muovendosi longitudinalmente all’interno del receiver. E’ la leva (6) che deve fornire il rapporto distanza/velocità tra l’otturatore ed il porta otturatore.
A causa di questo supporto nel receiver, durante l’impatto (3) trasmesso alla testa dell’otturatore (5) tramite il bossolo (4) e fintanto che la polvere brucia, spingendo il proiettile (2) in una direzione e contemporaneamente in maniera opposta l’otturatore ed il porta otturatore e tutto quanto è saldamente connesso ( canna (1), gruppo di scatto, ecc.) nella direzione opposta.

Figura 3: Diagramma dei momenti angolari nell'otturatore dell'HK G3.
Figura 3: Diagramma dei momenti angolari nell’otturatore dell’HK G3.

Se il rapporto tra la leva a:b = 1:4 è usato come distanza o rapporto tra le velocità per la massa del receiver m3, il rapporto a:c = 1:3 applica la distribuzione del momento. Ad esempio 1/4 del momento spinge sulla faccia dell’otturatore ed i restanti 3/4 spingono sul receiver a tutto quello che è rigidamente connesso ad esso.
Applicando questo sistema nel fucile G3, significa :
La presenza di un rapporto tra le velocità della faccia dell’otturatore ed il porta otturatore R = a:b, caratteristica di questo tipo d’arma , permette una riduzione del peso dell’otturatore.

Figura 4: Rapporto tra testa dell'otturatore e la testa porta otturatore con il vincolo.
Figura 4: Rapporto tra testa dell’otturatore e la testa porta otturatore con il vincolo.

Il sistema G3 realizza questa teoria non con una leva ma bensì con dei rinvii angolari posizionati simmetricamente rispetto alla canna, con due rulli come elementi di trasmissione delle forze (momenti angolari).

il rapporto di 1/4 tra le velocità della testa dell’otturatore ed il porta otturatore è mantenuta fin tanto che è mantenuto il contatto dei rulli sulle superfici inclinate.

Durante la fase di chiusura dell’otturatore, a sparo avvenuto, la molla di recupero, spinge attraverso un bloccaggio direttamente sui rulli ed indirettamente sulla testa dell’otturatore.
Quando questo è arrivato in chiusura e sforza sul fondello del bossolo, il bloccaggio agisce sui rulli, spingendoli fuori contro le pareti inclinate del receiver, assicurando così il bloccaggio.

Descrizione del disegno dell’ otturatore del G3

Figura 5: Diagramma delle forze nell’otturatore dell’HK G3.

I vettori sono disegnati con gli angoli reali e in scala. Non è possibile fornire un valore esatto a causa degli inevitabili effetti secondari dei gas, presenti in tutte le armi (semi)automatiche.

Durante la discussione sulla quantità di moto, (fig. 3), si è ipotizzato che sulla testa dell’otturatore via sia lo stesso momento presente nella quantità di moto del proiettile. Questo è vero solo nel caso di cartucce diritte. Nel caso di una cartuccia con una spalla e una camera di cartuccia con solchi di contro pressione, le interrelazioni sono alquanto più complesso. Naturalmente, il principio rimane valido anche in questo caso.

Vettori di forza (Fig. 5,6,7):

La forza dei gas (Max. 1,570 kg/460 lbs.) conseguente alla combustione della polvere genera un momento sia sul proiettile F4 , che all’interno del bossolo attraverso la sua base ,sulla faccia dell’otturatore. In aggiunta a questo impulso, quasi simultaneamente un secondo impatto, F5, viene ad interagire, agendo tra la spalla della camera e la spalla del bossolo a causa delle scanalature presenti nella camera di cartuccia. Questa forza però non è importante, in quanto a noi interessa solo la proiezione della superficie del diametro del foro del bossolo che spinge sul fondello del bosso, superficie che corrisponde del diametro della palla.

La forza sulla testa dell’otturatore F1, è distribuita egualmente su entrambi i rulli di bloccaggio. A sua volta, la forza applicata ad ogni rullo è nuovamente scomposta in due forze aventi rispettivamente angoli di 22.5° e 50°.

Figura 6: Distribuzione delle forze sul rullo di chiusura nell'otturatore dell'HK G3.
Figura 6: Distribuzione delle forze sul rullo di chiusura nell’otturatore dell’HK G3.

La forza F2 agisce sul receiver in direzione del calcio mentre F3 agisce sul otturatore nella stessa direzione di F2. F2 contrasta la forza F5 applicata sulla spalla del bossolo.
Queste interazioni generano un risultante F6 (Fig. 7). Le forze trasversali F2 ed F3 (Fig. 6) sono assorbite dal receiver e dall’otturatore.
La progettazione completamente simmetrica impedisce lo svilutppo di singole forze.

Il rinculo del fucile G3 è composta da due impatti energeticamente similari, dapprima causato dallo sparo, il secondo con un ritardo di circa 30, 40 ms causato dall’impatto causato dall’otturatore. Tra loro vi è la fase di armamento della molla di recupero che esercita un effetto spinta di circa 10Kg (22 lbs) . Il rinculo complessivo risulta comunque ben bilanciato.
F1 = Forza sulla faccia dell’otturatore F4 = Force del proiettile
F2 = Forza sul Receiver F5 = Forza sulla spalla del bossolo
F3 = Force sull’otturatore F6 = Forza Massima Risultante

In sintesi, le caratteristiche del sistema dell’otturatore con chiusura metastabile a rulli del fucile HK G3 precedentemente illustrate sono riassunte qui sotto:

Figura 7: Risultante della forza massima nel recevier verso la spalla del tiratore durante lo sviluppo dei gas.
Figura 7: Risultante della forza massima nel recevier verso la spalla del tiratore durante lo sviluppo dei gas.

1. Vengono mantenuti i vantaggi della chiusura labile (o a massa) ed in particolare il fatto che solo la distribuzione predeterminata della quantità di moto e la zona della curva dei gas durante il tempo dello sparo sono di importanza per la velocità del rinculo dell’otturatore. Questo fornisce molta adattabilità a tutti i tipi di munizioni sia per peso della palla che per la velocità. Non sono necessari dispositivi per regolare le prese di gas.

2. La ridotta velocità di estrazione del bossolo è garantita da principi fisici e progettuali, fornendo un completo supporto in camera di cartuccia, rendendo l’arma estremamente sicura.

3. La sequenza di movimento del gruppo otturatore segue l’andamento della pressione del gas senza alcun ritardo. L’uniformità di movimenti senza giochi di tutte le parti dell’otturatore e del receiver evita improvvisi blocchi e quindi senza incontrollabili conseguenze.

4. L’otturatore non fa alcuna rotazione o movimenti di oscillazione durante l’apertura o la chiusura.

5. L’otturatore è simmetrico rispetto all’asse della canna. I punti di contatto dei rulli sono ad una piccola distanza dall’asse.

6. La sequenza della forza di reazione è uniforme e senza picchi distinti di forza.

7. Poiché è il bossolo stesso che spinge, l’unica azione causata dell’estrattore è l’espulsione.

I punti 3,4,5,6 contribuiscono in modo determinante all’ elevata precisione intrinseca del fucile.

È opportuno sottolineare nuovamente che questo tipo di otturatore è una trasmissione a rapporto angolare che, da un lato, riduce notevolmente il movimento all’indietro della testa del otturatore per fornire una cameratura completamente supportata al bossolo, e che, d’altra parte, distribuisce la quantità di moto sull’otturatore e sul receiver in modo ottimale per il funzionamento.

L’attrito che si verifica durante la sequenza di movimenti è trascurabile rispetto alla forza generata dalla pressione dei gas.

L’incollaggio dei bossoli, il maggior fattore di incertezza in ogni arma automatica è ridotto praticamente a zero, dalla progettazione di una camera di cartuccia “galleggiante”, la quale rende uniformi tutti i tipi di bossoli, anche quelli in acciaio, rendendo l’arma affidabile anche nelle condizioni più avverse con le peggiori munizioni disponibili.

Heckler & Koch, GmbH 1970


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