AR15 - Lauflänge und Gassysteme

AR15 sind in jedem Anwendungsbereich der Langwaffen verbreitet und kommen in vielen verschiedenen Variationen vor. Gemein haben sie alle, dass sie Direct Impingement Systeme sind, also direkte Gasdrucklader. Um die Waffe nach dem Schuss wieder feuerbereit zu machen wird ein Teil der Treibgase abgeleitet und genutzt um den Verschluss zu entriegeln und die abgeschossene Hülse auszuwerfen. Die Verhältnisse dieses Gassystems nehmen maßgeblich Einfluss auf das Schussverhalten der Waffe. Es ist nachvollziehbar, dass das Gassystem so abgestimmt sein muss, dass eine zuverlässige Funktionsweise der Waffe gewährleistet ist. Weiter wird durch die Auslegung des Gassystems auch der Verschleiß und das Schussgefühl beeinflusst. Letzteres ist der Grund, weshalb gerade im Sport einstellbare Gasabnahmen beliebt sind, um das Rückstoßverhalten der Waffe perfekt auf den Schützen anzupassen.

Bevor wir aber mit einstellbaren Gasabnahmen die Waffe feinabstimmen, wollen wir ersteinmal die Grundlagen erarbeiten und eine Basis für uns schaffen, die gut funktioniert. Eine wichtige Größe in der Auslegung des Gassystems ist die Dwell Time (Verweilzeit). Die Dwell Time gibt die Zeit an die das Geschoss braucht um den Weg von der Gasabnahme bis zur Mündung zurückzulegen. In dieser Zeit hat das Gas Zeit um durch die Gasabnahme zu strömen, den Verschluss zu entriegeln und genug Energie auf den Verschluss zu übertragen um diesen vollständig nach Hinten zu beschleunigen. Ist die Dwell Time zu gering, also der Weg zwischen Gasabnahme und Mündung zu gering, kommt es zu Funktionsstörungen und die Waffe lädt nicht zuverlässig nach. Ist der Abstand deutlich größer als nötig, kommt es zum "Overgassing". Das bedeutet zu viel Gas wird abgeleitet, was zu unruhigem Schussverhalten führt, zu höherem Verschleiß durch die hohe Verschlussgeschwindigkeit und überschüssigem Gas das dem Schützen in das Gesicht strömt. 

Aus der Entwicklung der verschiedenen AR15 Modelle haben sich vier Standard-Positionen für die Gasabnahme ergeben. Die Pistol Variante, die bei 4" ansetzt, das Carbine System bei 7", das Mid-Length System bei 9" und Rifle-Length bei 12". Die Pistol-Variante kommt üblicherweise bei Läufen unter 10" zum Einsatz. Ab 10" wird das Carbine-System eingesetzt, welches dem System des M4 Carbine entspricht. Entsprechend gibt es häufig auch 14,5" Läufe mit Carbine Gasabnahme. Das Mid-Length Gas System ist klassisch für 16" AR15. Ab 18" wird das Rifle Gas System genutzt, welches aus der Zeit der langen M16 Modelle kommt. Natürlich sind diese Kombinationen nicht in Stein gemeiselt und andere Kombinationen können durchaus Sinn ergeben und funktionieren. Wie gut welche Kombinationen funktionieren können und warum möchte ich im Folgenden an einem Beispiel diskutieren.

8" Pistol

10" Carbine

14,5" Carbine

16" Mid-Length

18" Rifle-Length

Abbildung 1: Schematische Darstellung des Verhältnisses von Lauflänge zu Gasabnahme. Gemessen von Stoßboden zur Laufmündung. Das Verhältnis von Lauflänge zu Position der Gasabnahme ist im korrekten Verhältnis dargestellt.

Für den Vergleich habe ich mit dem Gordon Reloading Tool (GRT) eine Patrone simuliert die in etwa einer typischen 55 gr .223 Rem entspricht (S&B FMJ 2903 55 gr, Accurate 2230 m= 24,5 gr, restliche Variablen sind Standard-Einstellungen). In Abbildung 2 sind der Druck p (grün), die Geschoss-Geschwindigkeit v (blau) und die Geschoss-Energie E (rot) gegen den Geschossweg l aufgetragen. Dazu habe ich die abgelaufene Zeit an den diskussionsrelevanten Punkten angegeben.

Der Graph startet bei 4", also dem Gasabnahmepunkt des Pistol Systems, wo ungefähr der Maximal-Gasdruck liegt. Im weiteren Verlauf nimmt der Gasdruck ab, da weniger Pulver abbrennt und das Volumen durch die Bewegung des Geschoss' entlang des Laufs zunimmt. Mit abnehmendem Druck sinkt die Beschleunigung des Geschosses, weshalb die Geschwindigkeit zu Beginn stärker steigt und die Steigung mit zunehmender Lauflänge abnimmt, wobei die Beschleunigung in keinem praktischen Szenario Null wird. Ein längerer Lauf bedeutet also immer eine höhere Mündungsgeschwindigkeit, was zu einer flacheren Flugbahn und höheren Geschossenergie führt. Die Geschossenergie nimmt entsprechend der Formel für kinetische Energie E= 1/2 m v ^2 quadratisch zu. Daher bedeutet jeder Zoll Lauf eine deutliche Steigerung der Mündungsenergie, selbst bei relativ geringen unterschieden in der Geschwindigkeit. Bei der Wahl der Lauflänge muss also abgewägt werden zwischen Führigkeit, der ballistischen Leistung und der Mündungsenergie bzw. der Zielballistik.

Abbildung 2: Auftragung des Gasdrucks p (grün), der Geschossgeschwindigkeit v (blau) und der Geschossenergie E (rot) entlang der Lauflänge l. Zusätzlich sind die Zeiten nach Zündung im Lauf notiert, welche das Geschoss braucht um die genannte Strecke zurückzulegen.

Bei kurzen Läufen bis 12,5" steht die Führigkeit im Vordergrund, da die kurzen Gewehre eher in engen Umgebungen zum Einsatz kommen sollen. Der Anwendungsbereich liegt hier in der Nahdistanz, weshalb die ballistische Kurve hier in den Hintergrund tritt. Wie wir später sehen werden, wird der Einfluss der Mündungsgeschwindigkeit erst ab einer Entfernung von über 100 m relevant. Wichtiger ist im Kontext der kurzen Läufe die Mündungsenergie, um eine gute Wirkung auf das Ziel zu haben. Hier bietet das Inkaufnehmen von einigen Zoll Lauflänge eine deutliche Steigerung der Mündungsenergie, wobei die Führigkeit verhältnismäßig gering leidet - ausgehend von einem 8" oder 10" Lauf, der auf 11,5" oder 12,5" verlängert wird. 

Für AR15 die auf Distanzen bis 300 m oder weiter genutzt werden sollen, werden typischerweise Läufe mit 16" oder 18" genutzt. Durch die höhere Mündungsgeschwindigkeit wird eine flachere Flugbahn erreicht, was zu geringerem Geschossabfall führt. Abbildung 3 zeigt den Geschossabfall bei verschiedenen Lauflängen bei ansonsten gleichen Bedingungen einer .223 Rem mit 55 gr und Mündungsgeschwindigkeiten, wie sie bereits in Abbildung 2 simuliert wurden. Bei Entfernungen bis 300 m passt die Treffpunktverlagerung bei gleichem Haltepunkt und Lauflängen von 20" bis 11,5" in die A Zone eines Standard IPSC Targets. Ob für die Rifle Division ein 16" oder 18" Lauf verwendet wird ist demnach praktisch irrelevant. Was einen Unterschied macht ist aber das Schussgefühl. In 16" Systemen werden häufig Mid-Length Gas Systeme verwendet, während 18" Systeme das Rifle System nutzen. Anhand von Abbildung 4 soll der Einfluss der Lauflänge und des Gassystems auf das Schussgefühl und die Zuverlässigkeit diskutiert werden.

Abbildung 3: Vergleich der Ballistikkurven eines 55 gr FMJ Geschoss' in .223 Rem bei gleichem Haltepunkt, verschiedenen Lauflängen und entsprechenden Mündungsgeschwindigkeiten.

Wie in Abbildung 2 gezeigt, nimmt der Druck im Lauf mit dem Geschossweg ab. Die zur Beschleunigung des Verschluss' genutzte Kraft ist direkt vom Druck abhängig (Druck= Kraft/Fläche). Je höher der Druck bei Gasabnahme ist, desto stärker wird der Verschluss beschleunigt, was zu einer höheren Verschlussgeschwindigkeit und Belastungsspitzen führt. Diese Impulse spürt der Schütze, weshalb eine Rifle Length Gasabnahme als besonders angenehm zu schießen empfunden wird. Diese werden typischerweise ab einer Lauflänge von 18" eingesetzt, wobei die Gasabnahme bei 12" erfolgt. Logischerweise wäre eine Gasabnahme bei 12" auch bei 16" Läufen denkbar, oder sogar bei 14,5". Hier kommen wir zur Dwell Time, also der Zeit die das System hat um zu Öffnen, bzw. die Zeit die das Geschoss benötigt um von Gasabnahme bis zur Mündung zu gelangen. Sobald das Geschoss den Lauf verlässt sinkt der Druck im Lauf fast schlagartig auf Atmosphärendruck. Entsprechend wirkt keine Kraft mehr auf das Gassystem und der Nachladeprozess wird nicht weiter angetrieben. Für eine reibungslose Funktion ist es also Voraussetzung, dass der Verschluss ausreichend kinetische Energie aufgenommen hat, bevor das Projektil den Lauf verlässt.

Für eine funktionierende Dwell Time werden verschiedene Bereiche genannt, wobei die ideale Spanne von min. 0,12 ms bis max. 0,18-0,20 ms reicht. Klassisches Beispiel für eine sehr geringe Dwell Time ist ein 10" AR15 (z.B. Mk18). Die Gasabnahme erfolgt bei 7" wobei der Lauf bei 10" endet. Die Dwell Time beträgt nach GRT ca. 0,11 ms, bei einem Druck von 2230 bar. Grundsätzlich gibt es unzählige Beispiele die die Funktion von 10" AR15 belegen, es wird jedoch auch häufig berichtet, dass nicht jede Munition reibungslos funktioniert. Daher scheint eine Dwell Time unter 0,12 ms nicht optimal zu sein. Ähnliche Konfigurationen sind 16" Läufe mit einer Rifle Gasabnahme. In Fall wird unter den angenommenen Bedingungen eine Dwell Time von 0,12 ms erreicht, wobei der Druck 900 bar geringer ist. Die Dwell Time liegt am unteren Ende des angenommenen Funktionsbereiches, es wird aber vermutlich ein deutlich größere Querschnitt der Gasabnahme von Nöten sein um die Funktion sicherzustellen. Liegt die Gasabnahme relativ weit von der Mündung entfernt liegt die Dwell Time über 0,20 ms. In diesem Extremfall ist die Funktion durch exzessive Gasabnahme sichergestellt. Häufig findet man dafür den Begriff "overgased". Beispiele sind 14,5" Läufe mit Carbine Gasabnahme, oder 16" Läufe mit Mid-Length Systemen. Nachteile dieser Systeme sind exzessives Ausströmen überschüssiger Gase in Richtung des Schützen. Natürlich führt eine längere Beschleunigung auch zu höherem Verschließt, wobei der Effekt mit abnehmendem Druck ebenfalls abnimmt. Ein schnellerer Verschluss führt auch zu einem unruhigerem Schussgefühl.

Abbildung 4: Vergleich der Dwell Time verschiedener, gängiger Kombinationen von Lauflängen und AR15-Gassystemen. Neben der Dwell Time hat auch der Druck bei Gasabnahme einen maßgeblichen Einfluss auf Schussgefühl und Zuverlässigkeit.