Khương tuyến

Khương tuyến (hay còn gọi là rãnh xoắn) là thuật ngữ chỉ các rãnh xoắn ốc được gia công vào bề mặt bên trong của nòng súng nhằm tạo ra chuyển động xoay cho vật phóng khi bắn, giúp cải thiện độ ổn định khí động học và độ chính xác của nó. Các loại súng không có khương tuyến được gọi là súng nòng trơn.

Tập tin:105mm tank gun Rifling.jpg

Khương tuyến của nòng pháo xe tăng 105 mm Royal Ordnance L7

Tập tin:Rifling of a cannon (M75; 90mm; y.1891; Austro-Hungarian; exposed in Ljubljana, Slovenia).jpg

Khương tuyến truyền thống của pháo 90 mm M75 (năm sản xuất 1891, Áo-Hung)

Tập tin:GAU-8 bore.jpg

Khương tuyến bên trong nòng pháo tự động GAU-8

Khương tuyến được đo bằng tỷ lệ xoắn (hoặc bước xoắn), là khoảng cách mà khương tuyến cần để hoàn thành một vòng quay đầy đủ, được biểu diễn dưới dạng tỷ lệ với 1 là cơ sở (ví dụ: 1:10 inch (25,4 cm)). Khoảng cách càng ngắn/tỷ lệ càng thấp biểu thị bước xoắn càng chặt, tạo ra tốc độ xoay cao hơn (và độ ổn định của vật phóng lớn hơn).

Sự kết hợp giữa chiều dài, trọng lượng và hình dạng của vật phóng sẽ quyết định tỷ lệ xoắn cần thiết để ổn định nó theo cơ chế con quay: các nòng súng dành cho vật phóng ngắn, đường kính lớn như đạn chì hình cầu yêu cầu tỷ lệ xoắn rất thấp, chẳng hạn như 1 vòng trong 48 inch (122 cm). Các nòng súng dành cho vật phóng dài, đường kính nhỏ, chẳng hạn như đạn 5,56 mm (0,223 inch) nặng 80 grain có lực cản cực thấp, sử dụng tỷ lệ xoắn 1 vòng trong 8 inch (20 cm) hoặc nhanh hơn.

Khương tuyến có tỷ lệ xoắn tăng dần từ đuôi nòng đến miệng nòng được gọi là bước xoắn tăng dần hoặc tịnh tiến; một tỷ lệ giảm dần theo chiều dài nòng súng là không mong muốn vì nó không thể ổn định vật phóng một cách đáng tin cậy khi nó di chuyển dọc theo nòng súng.

Một vật phóng cực dài, chẳng hạn như đạn hình tên (flechette), đòi hỏi tỷ lệ xoắn cao đến mức phi thực tế để ổn định; thay vào đó, nó thường được ổn định bằng khí động học (cánh đuôi). Một vật phóng ổn định bằng khí động học có thể được bắn từ nòng trơn mà không làm giảm độ chính xác.

Lịch sử

Tập tin:Zuege.jpg

Khương tuyến truyền thống của nòng súng ngắn 9 mm

Bài chi tiết: Súng trường

Súng hỏa mai là loại vũ khí nòng trơn, cỡ nòng lớn, sử dụng loại đạn hình cầu được bắn ở vận tốc tương đối thấp. Do chi phí cao, khó khăn lớn trong việc chế tạo chính xác và nhu cầu nạp đạn dễ dàng, nhanh chóng từ miệng nòng, các viên đạn súng hỏa mai thường được lắp khá lỏng trong nòng súng. Do đó, khi bắn, viên đạn thường bị nảy vào thành nòng, và quỹ đạo cuối cùng sau khi rời miệng nòng là rất khó dự đoán.

Vấn đề này đã được khắc phục khi độ chính xác trở nên quan trọng hơn (ví dụ như khi đi săn) bằng cách sử dụng tổ hợp đạn vừa vặn hơn với nòng súng kết hợp với một miếng lót. Độ chính xác đã được cải thiện, nhưng nó vẫn không đáng tin cậy để bắn chính xác ở khoảng cách xa.

Giống như người phát minh ra thuốc súng, người phát minh ra khương tuyến cho nòng súng vẫn chưa được xác định chắc chắn. Các rãnh thẳng đã được áp dụng cho vũ khí bộ binh từ ít nhất là năm 1480, ban đầu dự định là các "rãnh chứa muội" để thu gom tàn thuốc súng.

Một số nỗ lực sớm nhất được ghi nhận ở châu Âu trong việc tạo ra các rãnh xoắn ốc cho nòng súng hỏa mai là của Gaspard Kollner, một thợ rèn súng ở Viên vào năm 1498, và của Augustus Kotter ở Nuremberg vào năm 1520. Một số học giả cho rằng, vào cuối thế kỷ 15, các tác phẩm của Kollner chỉ sử dụng các rãnh thẳng, và mãi đến khi ông nhận được sự giúp đỡ từ Kotter thì một khẩu súng có rãnh xoắn hoạt động được mới ra đời. Có thể đã có những nỗ lực sớm hơn cả mốc thời gian này, vì nguồn cảm hứng chính của vũ khí có khương tuyến đến từ các cung thủ và thợ nỏ, những người nhận ra rằng vật phóng của họ bay xa hơn và chính xác hơn nhiều khi họ tạo ra chuyển động xoay thông qua các lông đuôi được gắn chéo.

Mặc dù khương tuyến thực sự có niên đại từ thế kỷ 16, nhưng nó phải được khắc bằng tay và do đó không trở nên phổ biến cho đến giữa thế kỷ 19. Do quy trình sản xuất tốn nhiều công sức và tốn kém, vũ khí có khương tuyến đời đầu chủ yếu được sử dụng bởi những thợ săn giải trí giàu có, những người không cần bắn vũ khí của mình nhiều lần liên tiếp nhanh chóng và đánh giá cao độ chính xác được tăng cường. Vũ khí có khương tuyến không phổ biến đối với người dùng quân sự vì chúng khó làm sạch và việc nạp đạn gặp nhiều thách thức. Nếu viên đạn có đường kính đủ lớn để khớp vào khương tuyến, cần phải có một chiếc vồ lớn để ép nó xuống nòng. Ngược lại, nếu nó có đường kính nhỏ hơn để hỗ trợ việc nạp đạn, viên đạn sẽ không khớp hoàn toàn với khương tuyến và độ chính xác sẽ bị giảm.

Bước xoắn

Tập tin:Rus122shrapnel.JPG

Đạn phân mảnh 122 mm của Nga (đã bắn) cho thấy các vết khương tuyến trên dải dẫn hướng bằng hợp kim đồng quanh đáy, cho thấy chuyển động xoay theo chiều kim đồng hồ

Tập tin:Cannonball equiped with winglets for rifled cannons circa 1860.jpg

Đạn tròn được trang bị các cánh nhỏ bên trong nòng pháo có khương tuyến khoảng năm 1860

Tập tin:Shell La Hitte.jpg

Đạn hình nhọn của Hệ thống La Hitte, 1858, được thiết kế để khớp với khương tuyến xoay theo chiều kim đồng hồ

Để đạt hiệu suất tốt nhất, nòng súng nên có bước xoắn đủ để ổn định chuyển động xoay cho bất kỳ đầu đạn nào dự kiến sẽ bắn, nhưng không nên vượt quá mức cần thiết một cách đáng kể. Các đầu đạn có đường kính lớn mang lại độ ổn định cao hơn, vì bán kính lớn hơn cung cấp nhiều quán tính con quay hơn. Ngược lại, các đầu đạn dài khó ổn định hơn, vì chúng có xu hướng rất nặng ở phía sau và áp lực khí động học có cánh tay đòn ("đòn bẩy") dài hơn để tác động vào. Bước xoắn chậm nhất thường thấy ở các loại súng nạp đạn từ miệng nòng dùng để bắn đạn tròn; những loại này có bước xoắn thấp tới 1 vòng trong 72 inch (180 cm), hoặc dài hơn một chút, mặc dù đối với một khẩu súng trường nạp đạn từ miệng nòng đa năng điển hình, bước xoắn 1 vòng trong 48 inch (120 cm) là rất phổ biến. Súng trường M16A2, được thiết kế để bắn đạn 5.56×45mm NATO SS109 và đạn vạch đường L110, có bước xoắn 1 vòng trong 7 inch (18 cm) hoặc bằng 32 lần cỡ nòng. Súng trường AR-15 dân sự thường có bước xoắn 1 vòng trong 12 inch (30 cm) (54,8 lần cỡ nòng) cho các mẫu cũ và 1 vòng trong 9 inch (23 cm) (41,1 lần cỡ nòng) cho hầu hết các mẫu mới hơn. Tuy nhiên, một số mẫu được sản xuất với bước xoắn 1 vòng trong 7 inch (18 cm) hoặc 32 lần cỡ nòng, tương tự như loại dùng cho súng trường M16. Súng trường, vốn thường bắn đạn dài hơn và đường kính nhỏ hơn, nhìn chung sẽ có bước xoắn cao hơn súng ngắn (vốn bắn đạn ngắn hơn và đường kính lớn hơn).

Có ba phương pháp được sử dụng để mô tả bước xoắn:

Theo truyền thống, phương pháp phổ biến nhất biểu thị bước xoắn theo 'quãng đường' (chiều dài) cần thiết để vật phóng hoàn thành một vòng quay đầy đủ trong nòng súng. Phương pháp này không giúp hiểu rõ ngay lập tức liệu bước xoắn đó là tương đối chậm hay nhanh khi so sánh các nòng súng có đường kính khác nhau.

Phương pháp thứ hai mô tả 'quãng đường trong nòng' cần thiết để hoàn thành một vòng quay của vật phóng tính bằng cỡ nòng hoặc đường kính nòng súng:

$$\text{twist}=\frac{L}{D_{\text{bore}}},$$

trong đó $\text{twist}$ là bước xoắn tính theo đường kính nòng; $L$ là chiều dài bước xoắn cần thiết để hoàn thành một vòng quay (tính bằng mm hoặc inch); và $D_{\text{bore}}$ là đường kính nòng súng (đường kính phần lồi, tính bằng mm hoặc inch).

Chiều dài bước xoắn $L$ và đường kính nòng $D_{\text{bore}}$ phải được biểu thị bằng cùng một đơn vị đo lường, ví dụ: hệ mét (mm) hoặc hệ Anh (inch).

Phương pháp thứ ba đơn giản là báo cáo góc của các rãnh so với trục nòng súng, đo bằng độ.

Hai phương pháp sau có ưu điểm vốn có là biểu thị bước xoắn dưới dạng tỷ lệ và cung cấp cách thức dễ dàng để hiểu liệu bước xoắn là tương đối chậm hay nhanh, ngay cả khi so sánh các nòng súng có đường kính khác nhau.

Năm 1879, George Greenhill, một giáo sư toán học tại Học viện Quân sự Hoàng gia Woolwich (RMA) ở London, Vương quốc Anh đã phát triển một |quy tắc ngón tay cái để tính toán bước xoắn tối ưu cho các đầu đạn lõi chì. Công thức rút gọn này sử dụng chiều dài của đầu đạn và không yêu cầu tính toán đến trọng lượng hay hình dạng mũi đạn. Công thức Greenhill vẫn được sử dụng cho đến ngày nay là:

$$\text{twist}=\frac{C{D}^2}{L}\times \sqrt{\frac{\mathrm{S}\mathrm{G}}{10.9}}$$

trong đó $C$ là 150 (sử dụng 180 cho vận tốc đầu nòng cao hơn 2.800 ft/s); $D$ là đường kính đầu đạn tính bằng inch; $L$ là chiều dài đầu đạn tính bằng inch; và $\mathrm{S}\mathrm{G}$ là tỷ trọng của đầu đạn (10,9 đối với đầu đạn lõi chì, giá trị này sẽ triệt tiêu nửa sau của phương trình).

Giá trị ban đầu của $C$ là 150, cho ra tỷ lệ bước xoắn tính bằng inch trên mỗi vòng quay, khi biết đường kính $D$ và chiều dài $L$ của đầu đạn tính bằng inch. Công thức này hoạt động hiệu quả lên đến vận tốc khoảng 840 m/s (2.800 ft/s); trên mức vận tốc đó, nên sử dụng giá trị $C$ là 180. Ví dụ, với vận tốc 600 m/s (2.000 ft/s), đường kính 0,5 inch (13 mm) và chiều dài 1,5 inch (38 mm), công thức Greenhill sẽ cho giá trị 25, nghĩa là 1 vòng quay trong 25 inch (640 mm).

Các công thức cải tiến để xác định độ ổn định và bước xoắn bao gồm Quy tắc xoắn Miller và chương trình McGyro được phát triển bởi Bill Davis và Robert McCoy.

Tập tin:Parrottgun.jpg

Một khẩu súng trường Parrott , được sử dụng bởi cả lực lượng Miền Nam và Miền Bắc trong Nội chiến Hoa Kỳ.

Nếu sử dụng bước xoắn không đủ, đầu đạn sẽ bắt đầu đảo hướng (yaw) và sau đó lộn nhào; điều này thường thấy dưới dạng hiện tượng "keyholing" (lỗ chìa khóa), nơi các đầu đạn để lại những cái lỗ dài trên mục tiêu khi chúng va chạm ở một góc nghiêng. Một khi đầu đạn bắt đầu đảo, mọi hy vọng về độ chính xác đều biến mất, vì đầu đạn sẽ bắt đầu chệch hướng ngẫu nhiên khi nó xảy ra hiện tượng tiến động.

Ngược lại, tỷ lệ bước xoắn quá cao cũng có thể gây ra vấn đề. Bước xoắn quá mức có thể làm tăng tốc độ mòn nòng súng và, kết hợp với vận tốc cao, tạo ra tốc độ xoay cực lớn, có thể dẫn đến nứt vỡ vỏ đạn, khiến vật phóng ổn định bằng chuyển động xoay ở vận tốc cao bị tan rã ngay khi đang bay. Các vật phóng làm từ một kim loại duy nhất thực tế không thể đạt được vận tốc bay và vận tốc xoay đủ cao để gây tan rã trong khi bay. Thuốc súng không khói có thể tạo ra vận tốc đầu nòng khoảng 1.600 m/s (5.200 ft/s) cho các vật phóng ổn định bằng chuyển động xoay và các loại thuốc phóng tiên tiến hơn được sử dụng trong pháo xe tăng nòng trơn có thể tạo ra vận tốc đầu nòng khoảng 1.800 m/s (5.900 ft/s). Bước xoắn cao hơn mức cần thiết cũng có thể gây ra những vấn đề tinh vi về độ chính xác; bất kỳ sự không đồng nhất nào bên trong đầu đạn, chẳng hạn như một khoảng rỗng gây ra sự phân bổ khối lượng không đều, có thể bị phóng đại bởi chuyển động xoay. Các đầu đạn có kích thước nhỏ hơn tiêu chuẩn cũng gặp vấn đề, vì chúng có thể không đi vào khương tuyến một cách hoàn toàn đồng tâm và đồng trục với nòng súng, và bước xoắn dư thừa sẽ làm trầm trọng thêm các vấn đề về độ chính xác do điều này gây ra.

Một đầu đạn bắn ra từ nòng súng có khương tuyến có thể xoay với tốc độ trên 300.000 vòng/phút (5 kHz), tùy thuộc vào sờ tốc đầu nòng của đầu đạn và bước xoắn của nòng súng.

Định nghĩa chung về độ xoáy $S$ của một vật thể quay quanh một trục duy nhất có thể được viết là:

$$S=\frac{\upsilon }{C}$$

trong đó $\upsilon$ là vận tốc tuyến tính của một điểm trong vật thể đang quay (đơn vị khoảng cách/thời gian) và $C$ đề cập đến chu vi của vòng tròn mà điểm đo này thực hiện quanh trục quay.

Một đầu đạn khớp với khương tuyến của nòng súng sẽ thoát khỏi nòng súng đó với độ xoáy:

$$S=\frac{{\upsilon }_0}{L}$$

trong đó ${\upsilon }_0$ là vận tốc đầu nòng và $L$ là bước xoắn.

Ví dụ, một khẩu M4 Carbine với bước xoắn 1 vòng trong 7 inch (177,8 mm) và vận tốc đầu nòng 3.050 foot trên giây (930 m/s) sẽ tạo cho đầu đạn một độ xoáy khoảng 930 m/s / 0,1778 m ≈ 5,230 kHz (313.835 vòng/phút).

Tốc độ quay quá mức có thể vượt quá giới hạn thiết kế của đầu đạn, và lực ly tâm sinh ra có thể khiến đầu đạn bị tan rã theo hướng tâm ngay trong khi bay.

Thiết kế

Một nòng súng có mặt cắt ngang nòng hình tròn không có khả năng tạo ra chuyển động xoay cho vật phóng, vì vậy nòng súng có khương tuyến sẽ có mặt cắt ngang không tròn. Thông thường, nòng có khương tuyến chứa một hoặc nhiều rãnh chạy dọc theo chiều dài của nó, tạo ra một mặt cắt ngang giống như một bánh răng trong. Tuy nhiên, nó cũng có thể mang hình dạng của một đa giác, thường là với các góc được bo tròn.

Vì nòng súng có mặt cắt ngang không tròn nên không thể mô tả chính xác chỉ bằng một đường kính duy nhất. Các nòng có khương tuyến có thể được mô tả bằng đường kính nòng hoặc đường kính phần lồi (land diameter - đường kính giữa các phần lồi hoặc các điểm cao nhất trong khương tuyến), hoặc bằng đường kính rãnh (groove diameter - đường kính giữa các rãnh hoặc các điểm thấp nhất trong khương tuyến). Sự khác biệt trong quy ước đặt tên cho các loại đạn có thể gây nhầm lẫn; ví dụ, đầu đạn của loại .303 British thực tế có đường kính lớn hơn một chút so với đầu đạn của loại .308 Winchester, bởi vì ".303" đề cập đến đường kính phần lồi tính bằng inch (đầu đạn thực tế là .312), trong khi ".308" đề cập đến đường kính của chính đầu đạn tính bằng inch (tương ứng là 7,92 mm và 7,82 mm).

Bất chấp những khác biệt về hình dạng, mục tiêu chung của khương tuyến là đưa vật phóng đến mục tiêu một cách chính xác. Ngoài việc tạo chuyển động xoay cho đầu đạn, nòng súng phải giữ vật phóng một cách chắc chắn và đồng tâm khi nó di chuyển dọc theo nòng. Điều này đòi hỏi khương tuyến phải đáp ứng một số yêu cầu kỹ thuật:

• Nó phải được tính toán kích thước sao cho vật phóng sẽ tự nong hoặc bít kín khi bắn để lấp đầy nòng súng.
• Đường kính phải nhất quán và không được tăng dần về phía miệng nòng.
• Khương tuyến phải nhất quán dọc theo chiều dài nòng, không có thay đổi về mặt cắt ngang, chẳng hạn như biến động về chiều rộng rãnh hoặc khoảng cách giữa các rãnh.
• Nó phải trơn nhẵn, không có các vết xước nằm vuông góc với nòng súng để không làm mài mòn vật liệu từ vật phóng.
• Buồng đạn và loa nòng phải chuyển tiếp vật phóng vào và ra khỏi khương tuyến một cách êm ái.

Khương tuyến có thể không bắt đầu ngay lập tức ở phía trước buồng đạn. Có thể có một đoạn cổ không có khương tuyến ở phía trước buồng đạn, để viên đạn có thể được nạp vào buồng mà không bị đẩy trực tiếp vào các rãnh khương tuyến. Điều này giúp giảm lực cần thiết để nạp đạn vào buồng và ngăn đầu đạn bị kẹt lại trong khương tuyến khi lấy một viên đạn chưa bắn ra khỏi buồng. Đường kính quy định của đoạn cổ có thể lớn hơn một chút so với đường kính rãnh, và có thể bị giãn nở theo thời gian sử dụng nếu khí thuốc nóng làm nóng chảy bề mặt bên trong nòng khi súng được bắn.

Đoạn nòng trơn là một phần nòng trơn có đường kính bằng đường kính rãnh, không có các phần lồi nằm ở phía trước đoạn cổ. Đoạn nòng trơn cho phép đầu đạn chuyển từ ma sát tĩnh sang ma sát trượt và tăng động lượng tuyến tính trước khi gặp phải sức cản của việc tăng động lượng quay. Đoạn nòng trơn có thể cho phép sử dụng thuốc phóng hiệu quả hơn bằng cách giảm đỉnh áp suất ban đầu trong giai đoạn thể tích tối thiểu của nội tạt trước khi đầu đạn bắt đầu di chuyển dọc theo nòng súng. Các nòng súng có chiều dài đoạn nòng trơn vượt quá chiều dài phần có khương tuyến đã được biết đến với nhiều tên thương mại khác nhau.

Quy trình sản xuất

Tập tin:Aciéries de Saint-Chamond - Rayage des canons de 75 - Saint-Chamond - Médiathèque de l'architecture et du patrimoine - APZ0001439.jpg

Gia công khương tuyến cho nòng pháo 75-mm trong Thế chiến I

Một phương pháp sơ khai để tạo khương tuyến cho nòng súng đã được khoan trước là sử dụng một dao cắt gắn trên một thanh có mặt cắt hình vuông, được xoắn chính xác thành hình xoắn ốc với bước xoắn mong muốn, lắp trong hai lỗ cố định cũng có mặt cắt hình vuông. Khi dao cắt tiến sâu vào trong nòng súng, nó sẽ xoắn với một tốc độ đồng nhất được quy định bởi bước xoắn. Lần cắt đầu tiên thường rất nông. Các điểm cắt được mở rộng dần qua các lần cắt lặp lại. Các lưỡi cắt được đặt trong các rãnh của một trục gỗ, vốn được chèn dần bằng các dải giấy cho đến khi đạt được độ sâu yêu cầu. Quá trình này được hoàn thiện bằng cách đổ một khối chì nóng chảy vào nòng súng, rút nó ra và sử dụng nó cùng với hỗn hợp bột mài và dầu để làm trơn nòng súng.

Hầu hết khương tuyến ngày nay được tạo ra bằng một trong các phương pháp:

• Cắt từng rãnh một bằng công cụ (Cắt khương tuyến hoặc Cắt khương tuyến đơn điểm);
• Cắt tất cả các rãnh trong một lần chạy bằng mũi chuốt chuyên dụng (Chuốt khương tuyến);
• Ép tất cả các rãnh cùng một lúc bằng một công cụ gọi là "nút đẩy" được đẩy hoặc kéo qua nòng súng (Ép khương tuyến);
• Rèn nòng súng trên một trục tâm chứa hình ảnh ngược của khương tuyến, và thường bao gồm cả buồng đạn (Rèn nguội);
• Miết biến dạng phôi nòng súng trên một trục tâm chứa hình ảnh ngược của khương tuyến (Tạo khương tuyến bằng miết biến dạng);
• Sử dụng các lực không tiếp xúc như phản ứng hóa học hoặc nhiệt từ nguồn laser để khắc mô hình khương tuyến (Khắc khương tuyến);
• Gia công kết cấu rãnh khương tuyến trên một tấm kim loại mỏng, sau đó cuộn tấm đó vào lòng trong của nòng súng (Lót nòng khương tuyến).

Các rãnh là không gian được cắt bỏ, và các gờ nổi còn lại được gọi là phần lồi. Số lượng, độ sâu, hình dạng, hướng xoắn (phải hoặc trái) và bước xoắn của các phần lồi và rãnh này có thể khác nhau. Chuyển động xoay do khương tuyến tạo ra giúp cải thiện đáng kể độ ổn định của vật phóng, từ đó tăng cả tầm bắn và độ chính xác. Thông thường, khương tuyến có tỷ lệ xoắn không đổi dọc theo nòng súng, thường được đo bằng chiều dài quãng đường cần thiết để tạo ra một vòng quay duy nhất. Đôi khi, ta có thể bắt gặp các loại súng có bước xoắn tăng dần (gain twist), trong đó tốc độ xoay tăng dần từ buồng đạn đến miệng nòng. Mặc dù bước xoắn tăng dần có chủ đích là hiếm gặp, nhưng bước xoắn tăng nhẹ do sai số sản xuất thực tế lại khá phổ biến. Do việc giảm tỷ lệ xoắn gây hại rất lớn cho độ chính xác, nên các thợ quân khí khi gia công một nòng súng mới từ phôi nòng đã có khương tuyến sẽ thường đo bước xoắn cẩn thận để họ có thể đặt đầu có bước xoắn nhanh hơn (bất kể sự khác biệt nhỏ đến mức nào) ở phía miệng nòng.

Đầu đạn

Tập tin:7,62x39 bullets - unfired and fired.JPG

Đạn quân sự tiêu chuẩn 7.62×39mm 57-N-231 với lõi thép - viên bên trái chưa bắn, viên bên phải đã bắn, có thể thấy rõ các rãnh khương tuyến. Lưu ý lớp mạ đồng bị cạo đi và lớp vỏ thép lộ ra tại các vết rãnh

Tập tin:7,62mm G3 oder MG3.jpg

Ba đầu đạn 7.62×51mm NATO được thu hồi (cạnh một viên đạn chưa bắn), cho thấy các vết khương tuyến tạo ra chuyển động xoay ngược chiều kim đồng hồ

Các loại súng ban đầu được nạp từ miệng nòng bằng cách ép viên đạn từ miệng nòng xuống buồng đạn. Dù sử dụng nòng có khương tuyến hay nòng trơn, việc viên đạn phải vừa khít là điều cần thiết để bít kín nòng súng và mang lại độ chính xác tốt nhất cho khẩu súng. Để giảm bớt lực cần thiết khi nạp vật phóng, những khẩu súng đời đầu này sử dụng một viên đạn nhỏ hơn cỡ nòng, và một miếng đệm làm bằng vải, giấy hoặc da để lấp đầy "độ hở" (khoảng trống giữa viên đạn và thành nòng). Miếng đệm này đóng vai trò như một vật chặn, cung cấp một mức độ bít kín áp suất nhất định, giữ cho viên đạn nằm cố định trên khối thuốc súng và giữ cho viên đạn đồng tâm với nòng súng. Trong các nòng súng có khương tuyến, miếng đệm cũng cung cấp phương tiện để chuyển chuyển động xoay từ khương tuyến sang viên đạn, vì miếng đệm mới là bộ phận trực tiếp khớp vào rãnh thay vì viên đạn. Cho đến khi có sự xuất hiện của đạn Minié với phần đáy rỗng, vốn sẽ giãn nở và bít kín khi bắn để lấp đầy nòng súng và khớp vào khương tuyến, miếng đệm vẫn là phương tiện tốt nhất để giúp vật phóng ăn khớp với khương tuyến.

Trong vũ khí nạp đạn đuôi, nhiệm vụ đưa vật phóng vào khương tuyến được đảm nhận bởi "cổ" (throat) của buồng đạn. Tiếp theo là "đoạn nòng trơn", là phần cổ súng mà vật phóng đi qua trước khi bắt đầu đến phần có khương tuyến. Phần cuối cùng của cổ súng là "góc vát cổ nòng", nơi chuyển tiếp giữa cổ súng vào phần nòng có khương tuyến.

Cổ buồng đạn thường được thiết kế lớn hơn một chút so với vật phóng để có thể nạp và tháo đạn dễ dàng, nhưng cổ súng nên có kích thước gần nhất có thể với đường kính rãnh của nòng súng. Khi bắn, vật phóng sẽ giãn nở dưới áp suất từ buồng đạn và bít kín để vừa khít với cổ súng. Viên đạn sau đó di chuyển dọc theo cổ súng và ăn vào khương tuyến, tại đây nó bị "tạc rãnh" và bắt đầu xoay. Việc tạc rãnh vào vật phóng đòi hỏi một lực đáng kể, và ở một số loại súng, đoạn nòng trơn rộng giúp giữ áp suất buồng đạn ở mức thấp bằng cách cho phép khí thuốc giãn nở trước khi chúng phải thực hiện việc tạc rãnh vào vật phóng. Việc giảm thiểu đoạn nòng trơn sẽ cải thiện độ chính xác bằng cách giảm khả năng vật phóng bị biến dạng trước khi đi vào khương tuyến.

Khi vật phóng được ép vào khương tuyến, nó sẽ mang hình ảnh phản chiếu của khương tuyến khi các phần lồi ấn vào vật phóng trong một quá trình gọi là "tạc rãnh". Quá trình tạc rãnh không chỉ ghi lại các đặc điểm chính của nòng súng như các phần lồi và rãnh, mà còn cả các đặc điểm phụ như vết trầy xước và vết công cụ. Mối quan hệ giữa các đặc tính của nòng súng và vết tạc trên vật phóng thường được sử dụng trong pháp y đạn đạo.

Các nòng súng có rãnh khương tuyến được cắt sâu có thể được tìm thấy trong các loại súng tự động để cố tình làm giảm áp suất khí thuốc (mặc dù nó có thể ảnh hưởng đến vận tốc của đạn), từ đó khí thuốc sẽ thoát vượt qua vật phóng. Khẩu Heckler & Koch VP70 là một ví dụ sử dụng cơ chế này để giảm áp lực lên khóa nòng súng ngắn.

Những phát triển gần đây

Tập tin:Polygonal vs normal rifling.svg

Khương tuyến truyền thống (trái) và khương tuyến đa giác (phải). Cả hai loại khương tuyến đều sử dụng mô hình xoắn ốc

Tập tin:Hammer forged 6-right polygonal rifling pattern.png

Mô phỏng mô hình xoắn ốc (ở đây là khương tuyến đa giác)

Các rãnh khương tuyến phổ biến nhất được sử dụng trong các loại súng hiện đại thường có các cạnh khá sắc. Gần đây, khương tuyến đa giác, một sự hồi sinh của các loại khương tuyến thời kỳ đầu, đã trở nên phổ biến, đặc biệt là ở súng ngắn. Các nòng súng đa giác có xu hướng có tuổi thọ phục vụ dài hơn vì việc giảm bớt các cạnh sắc của phần lồi (rãnh là các khoảng trống được cắt bỏ, và các gờ nổi còn lại được gọi là phần lồi) giúp giảm sự ăn mòn của nòng súng. Những người ủng hộ khương tuyến đa giác cũng khẳng định nó giúp đạt vận tốc đạn cao hơn và độ chính xác lớn hơn. Khương tuyến đa giác hiện nay có thể thấy trên các loại súng ngắn của CZ, Heckler & Koch, Glock, Tanfoglio, và Kahr Arms (chỉ dòng P series), cũng như khẩu Desert Eagle.

Tập tin:ERFB 155-mm projectiles for the G6 howitzer.jpg

Đạn ERFB 155-mm cho lựu pháo G6

Đối với các loại pháo dã chiến, khái niệm đạn tăng tầm, cỡ nòng đầy đủ (extended range, full bore - ERFB) được phát triển vào đầu những năm 1970 bởi Dennis Hyatt Jenkins và Luis Palacio thuộc Space Research Corporation của Gerald Bull dành cho lựu pháo GC-45. Khái niệm này thay thế đai dẫn hướng bằng các mấu nhỏ, vốn được thiết kế để khớp khít vào các phần lồi của nòng pháo.

Các loại pháo có khả năng bắn những vật phóng này đã đạt được mức tăng đáng kể về tầm bắn, nhưng điều này bị bù trừ bởi sự sụt giảm độ chính xác rõ rệt (từ 3–4 lần), do đó chúng không được quân đội các nước NATO chấp nhận. Không giống như loại đạn hẹp hơn cỡ nòng súng sử dụng guốc đạn, đạn ERFB sử dụng toàn bộ cỡ nòng, cho phép mang theo lượng thuốc nổ lớn hơn. Các ví dụ bao gồm lựu pháo G5 của Nam Phi và PzH 2000 của Đức. ERFB có thể được kết hợp với công nghệ base bleed.

Khương tuyến bước xoắn thay đổi

Một hệ thống khương tuyến bước xoắn tăng dần (gain-twist) hoặc khương tuyến tịnh tiến (progressive rifling) bắt đầu với một bước xoắn chậm và tăng dần dọc theo lòng nòng, dẫn đến sự thay đổi ban đầu rất nhỏ về mô-men động lượng của vật phóng trong vài inch đầu tiên sau khi nó đi vào cổ nòng. Điều này cho phép đầu đạn về cơ bản không bị xáo trộn và giữ đúng tâm so với miệng vỏ đạn.

Sau khi khớp vào khương tuyến tại cổ nòng, đầu đạn dần dần chịu tác động của mô-men động lượng gia tăng khi nó được đẩy dọc theo nòng súng. Ưu điểm về mặt lý thuyết là bằng cách tăng dần tốc độ xoay, mô-men xoắn được truyền dọc theo chiều dài nòng súng lớn hơn nhiều, cho phép ứng suất nhiệt cơ được lan tỏa trên một diện tích rộng hơn thay vì tập trung chủ yếu tại cổ nòng - nơi thường bị ăn mòn nhanh hơn nhiều so với các phần khác của nòng súng.

Khương tuyến bước xoắn tăng dần đã được sử dụng trước và trong thời kỳ Nội chiến Hoa Kỳ (1861–65). Các khẩu súng ngắn ổ quay Colt Army và Navy đều sử dụng loại khương tuyến này. Tuy nhiên, khương tuyến bước xoắn tăng dần khó sản xuất hơn so với khương tuyến đồng nhất và do đó đắt đỏ hơn. Quân đội đã sử dụng khương tuyến bước xoắn tăng dần trong nhiều loại vũ khí, chẳng hạn như súng Gatling 20 mm M61 Vulcan được sử dụng trên một số máy bay chiến đấu hiện nay và súng Gatling 30 mm GAU-8 Avenger lớn hơn được sử dụng trên máy bay hỗ trợ không quân tầm gần A-10 Thunderbolt II.

Trong các ứng dụng này, nó cho phép chế tạo nòng súng nhẹ hơn bằng cách giảm áp suất buồng đạn thông qua tỷ lệ bước xoắn ban đầu thấp, trong khi vẫn đảm bảo vật phóng có đủ độ ổn định sau khi rời khỏi nòng súng. Nó hiếm khi được sử dụng trong các sản phẩm thương mại, mặc dù đáng chú ý là có trên khẩu Smith & Wesson Model 460 (X-treme Velocity Revolver).