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Shooter–System Performance Variability as a Function of Recoil Dynamics

ops 2025/6/22 22:22:33

射手 - 系统性能变化与后坐力动力学的关系(射手-系统性能变化关于后坐力动力学的函数)

1 Abstract 摘要

Objective: The goal of this study was to quantify shooter performance relative to subtle variations in recoil energy.
本研究的目标是量化射手表现与后坐力细微变化之间的关联。

Background: Marksmanship performance remains undefined for subtle distinctions in weapon recoil energy across common small-arms platforms.
在常见的轻武器平台中，武器后坐力能量的细微差异对射击精度的影响尚未明确。

Method: Weapons were customized using multiple components and ammunition types. Firing scenarios were designed to examine the effect of recoil energy on shooter timing and accuracy.
使用多种部件和弹药类型定制武器，设计射击场景以检验后坐力能量对射手射击时间和准确性的影响。

Results: The results suggest that recoil condition does not affect timing during firing sequences designed to elicit differences in timed-fire performance. Recoil condition did, however, influence shot placement, with accuracy decreasing as the energy associated with firing increased. Subjective recoil estimations were quantified according to relative magnitude and spatial distribution of perceived energy transferred at shooter–weapon surface contact locations.
结果表明在旨在引发定时射击表现差异的射击序列中，后坐力条件并未对射击时序产生影响。但会影响射击落点。随着与射击相关的能量增加，射击准确性会降低。主观后坐力估计根据射手与武器表面接触位置处感知到的能量传递的相对大小和空间分布来量化。

Conclusion: The absence of differences in time to engage may be reflective of resistance to recoil-induced point-of-aim deviation based on experience. Distinctions in performance were revealed despite subtle differences in recoil energy between conditions. An instrument that may be sensitive to shooter perception of subtle differences in recoil energy during firing was also developed.
参与时间上没有差异，这可能反映了基于经验对后坐力引起的瞄准点偏差的抵抗力。尽管不同条件下后坐力能量存在细微差异，但仍揭示了性能上的差异。此外，还开发了一种仪器，它可能对射击过程中射手对后坐力细微差异的感知敏感。

Application: The findings inform performance expectations for small-arms systems relative to recoil energy levels transferred to the shooter during dynamic firing events.
这些发现为轻武器系统在动态射击事件中传递给射手的后坐力能量水平方面的性能预期提供了参考。

2 structure 结构

IntroductIon 引言(前人达到工作、遗留的问题、该文的出发点、意义)

method 方法

Participants 参与者

八名现役军人服役时间平均为 57 个月

Weapon recoil conditions 武器后坐力条件

the M4 carbine firing standard 5.56 × 45–mm ammunition (5.56)
发射标准 5.56×45 毫米弹药的 M4 卡宾枪（5.56）

an M4 carbine modified to fire 6.8 × 43–mm ammunition (6.8)
改装为发射 6.8×43 毫米弹药的 M4 卡宾枪（6.8）

a compact variant of the M110 rifle firing 7.62 × 51–mm ammunition (7.62)
以及发射 7.62×51 毫米弹药的 M110 步枪的紧凑型变体（7.62）

three levels of weapon component-based recoil mitigation
基于武器部件的三种后坐力缓解级别

baseline/standard issue flash hider, a muzzle brake, and a suppressor
基线 / 标准 issue 消焰器、枪口制退器和消音器。 7.62 M110 标准版自带制退器所以没有这组

target System, target characteristics, and Zeroing 目标系统、目标特征和归零

The target was a 40 × 50–cm (approx. 15 × 20–in.) static target, with a 2.5 × 2.5–cm (approx. 1 × 1–in.) square high-contrast point of aim, located 50 m from the firing position.
目标是一个 40×50 厘米（约 15×20 英寸）的静态目标，在距射击位置 50 米处有一个 2.5×2.5 厘米（约 1×1 英寸）的高对比度瞄准点。

Subjective recoil Perception Measures: Perceived recoil Grid 主观后坐力感知测量：感知后坐力网格

射手在射击过程中使用的四个表面接触位置的个性化射击体验的空间分布和相对大小：脸颊、支撑手、射击手和肩膀

Presentation order 呈现顺序

Alternating firing scenarios were employed: Two shooters completed a unique firing order sequence during each test day, alternating with each weapon recoil condition presented. That is, while one participant fired, the other rested in order to mitigate known aggregate fatiguing effects of recoil associated with shoulder-fired weapons. Rest period dura tion was approximately 20 min.
采用交替射击场景：两名射手在每个测试日完成独特的射击顺序，交替呈现每种武器后坐力条件。也就是说，当一名参与者射击时，另一名参与者休息，以减轻已知的肩射武器后坐力相关的累积疲劳效应。休息时间约为 20 分钟。

experimental conditions 实验条件

an unsupported, free-standing firing posture 无支撑、自由站立的射击姿势射击

participants com pleted two firing scenarios: self-paced single shots and timed, controlled pairs.
自定节奏的单发射击和定时、受控的双发射击

experimental Procedures 实验程序

Independent Variables 自变量

Weapon–ammunition configuration included three levels: M4 carbine (5.56 × 45–mm ammunition), M4 carbine (6.8 × 43–mm ammunition), and M110 rifle (compact variant; 7.62 × 51–mm ammunition). Muzzle device included three lev els: flash hider, muzzle brake, and suppressor.
武器弹药配置包含三个级别：发射 5.56×45 毫米弹药的 M4 卡宾枪、发射 6.8×43 毫米弹药的 M4 卡宾枪，以及紧凑型 M110 步枪（发射 7.62×51 毫米弹药）。枪口装置包含三个级别：消焰器、枪口制退器和消音器。

dependent Variables 因变量

Dependent variables included response time (i.e., time to trigger squeeze), marksmanship accuracy (shot placement, mean radial error), and perceived recoil (perceived relative magnitude and spatial breadth).
因变量包括响应时间（即扣动扳机的时间）、射击精度（射击落点，平均径向误差）和感知后坐力（感知相对大小和空间广度）

Result 结果

A primary analytical focus was follow-on shot timing and location relative to first-shot time and location. Target engagement dynamics are assumed to be functionally dependent on recoil energy transferred to the shooter, which was categorically determined by weapon condition .
主要的分析重点在于后续射击的时机和位置相对于首发射击的时间和位置。目标交战动态被假定为在功能上取决于传递给射手后坐力能量，该能量由武器工况决定。

1、response time 响应时间方差分析 ANOVA (Analysis of Variance)

对于控制双发射击试验：

第一发射击时间： 武器-弹药配置对双发中第一发射击时间有显著影响
第二发射击时间： 后坐条件对双发中第二发射击时间的影响趋于显著
枪口装置效应：对于第一发或第二发射击时间，均未发现与枪口装置相关的主效应。
交互效应：对于第一发或第二发射击时间，武器-弹药配置与枪口装置之间均无显著的交互效应。

核心发现（不同弹药配置对第一发射击时间有显著且反直觉的影响，对第二发有边缘显著影响，枪口装置无显著影响且无交互作用

2、Marksmanship Accuracy: Shot Placement 射击精度：射击落点
卡方检验（chi-square analysis）

弹着点分布定义为脱靶 (miss)、命中 (hit) 或精准命中 (critical hit)
第一发射弹着点分布：卡方分析表明，弹药类型对第一发射弹着点分布有显著的主效应；应用 Holm-Bonferroni 校正的事后 2 × 3 分析表明，第一发射弹着点分布在所有配对比较之间均存在显著差异
第二发射弹着点分布：弹药类型对第二发射弹着点分布同样存在显著的主效应；第二发射弹着点分布在所有比较之间均存在显著差异
关于命中质量：枪口装置（制退器）对第一发或第二发射弹着点分布均无显著影响；在武器-弹药配置内部的比较中，枪口装置也无显著影响

3、Marksmanship Accuracy: Mean radial error 射击精度：平均径向误差

Relatively short range (50 m) and static, single target 相对较短的射程（50米）静态单一目标
Effects of ranging and crosswind are not significant contributors to error测距和横风的影响对误差贡献不显著
受控双发射击实验：比较不同后坐条件下受控双发试验中第一发和第二发的精度时，未观察到平均径向误差 (MRE) 存在统计学差异
不同后坐条件间的 MRE 比较：合并分析单发射击和受控双发射击 5.56口径[制退器]、5.56口径[消音器]和7.62口径[消音器]之间的MER存在显著差异；5.56口径[消焰器]、6.8口径[所有条件]和7.62口径[制退器]之间未记录到MER差异。
射击模式（单发 vs. 双发）与后坐条件的交互效应：在 6.8 口径[消音器]和 7.62 口径[制退器][消音器]，不同射击模式（单发 vs. 双发）之间的 MRE 存在显著差异；其他后坐条件下（即 5.56 口径 [所有条件]、6.8 口径 [消焰器和制退器条件]），未观察到不同射击模式间的统计学差异。

4、Perceived recoil energy 感知后坐力能量

数据报告说明：射手感受到的大部分能量通过肩部传递给他们（49.89%），其强度大致等同于在其他各个接触面位置感知到的总后坐能量之和；有指示要求参与者将四个接触面位置的相对强度以百分比形式表示（总和为100%），但参与者常常遗漏或错误计算他们所报告的相对强度值。各接触面位置的总和并未达到100%（与预期不同）；此外，基线感知（即武器发射前的感知状态）的报告并不常见，表明在发射前，参与者间各接触面位置的感知差异很小。

感知空间广度分析：对感知空间广度的分析显示，与其他接触面位置相比，传递至射手的能量在肩部关联的感知区域更广。
肩部感知后坐力与基线的差异：肩部感知的后坐力与基线记录存在显著差异；Tukey HSD 事后比较显示，7.62口径[制退器]和7.62 口径[消音器]与基线相比存在特定差异。

Discussion

本研究的核心是探讨细微差异的后坐能量（由不同武器-弹药配置和枪口装置引起）如何影响经验丰富射手的射击表现（时机、精度、感知），并引入了一种新的感知测量工具（PRG）。主要发现和讨论点如下：

1、后坐能量与射击时机 (Recoil Energy vs. Timing):

研究发现，武器-弹药配置（5.56mm, 6.8mm, 7.62mm）和枪口装置（制退器、消音器、无装置）对受控双发射击（controlled-pair）的时机没有显著影响。即使是后坐能量最高的7.62mm配置，其射击间隔时间也未显著延长。

作者认为这很可能归因于参与者均为经验丰富的射手，他们对后坐力的适应能力强，不易产生影响时机的畏缩反应（flinch）。临界结果（borderline findings）表明，武器配置可能对射击准备时间（time to engage）有微弱影响，需进一步研究。

建议未来研究纳入经验较少的射手（可能更易受后坐力时机影响）或对特定高后坐配置更熟悉的射手（可能显示出适应性）。

2、后坐能量与射击精度 (Recoil Energy vs. Accuracy):

与时机不同，武器-弹药配置对弹着点精度（shot placement accuracy）有显著影响。精度随着后坐能量的增加而下降（5.56mm > 6.8mm > 7.62mm），且这种负面影响在受控双发射击的第二发上表现得尤为明显。

枪口装置条件对精度（弹着点或命中质量）没有显著影响。这与普遍认为制退器和消音器能减少枪口上跳从而提高精度的观点相左。

结合时机不受影响但精度下降的发现，作者提出可能存在时间-精度权衡（time-accuracy trade-off）：在高后坐力条件下，花费更多时间可能有助于提高精度。

3、实验条件与解释 (Experimental Conditions & Interpretation):

研究中所有射击条件都优先强调精度（单发射击不计时，双发射击也强调精度优先）。这被认为是精度整体较高且枪口装置未显示效果的关键原因。射手专注于仔细瞄准和控制，可能掩盖了不同条件下后坐力对第二发时间和精度的潜在影响。

使用静态目标、近距离简化了瞄准任务。

作者指出，这些设计选择（优先精度、简化瞄准）限制了结果的普遍性，仅代表了这些特定约束下的表现。真实作战环境（时间压力、动态目标、复杂情境）下的表现可能不同。

未来研究建议：

明确操纵速度与精度的优先级（如强制时间限制或要求两者同等重要）。

引入时间压力、复杂目标阵列或次要任务以模拟实战认知负荷。

探讨后坐事件作为“任务中断” 在复杂情境下如何干扰认知过程和瞄准。

4、感知后坐力测量工具 (Perceived Recoil Measurement - PRG):

研究引入了感知记录仪（Perceived Recoil Gauge, PRG） 来测量后坐力的主观感受。

PRG的优势：

避免传统问卷依赖记忆（易衰减、易受干扰）和共同参照物的问题。

测量射击后立即感知的相对强度大小和空间分布。

可能减少参与者因不愿表现脆弱而保守报告后坐力的倾向。

提供更高分辨率的感知数据。

PRG测量结果：

感知后坐力主要集中于肩部。

感知强度随弹药威力增加而增加（5.56 < 6.8 < 7.62），但统计上显著的感知差异仅出现在最高能量配置（7.62，无论枪口装置）与基线之间。

性能差异（精度）在最低(5.56)-最高(7.62)对比和中(6.8)-高(7.62)对比（单发 vs. 双发）中出现，提示7.62mm可能是一个感知和性能变化的有效阈值。

PRG改进建议：

增加一个线性强度估计量表：以常用武器（或最近体验）为中心参照点（无其他刻度），左右分别代表更低/更高能量。射手标记感知位置。

此改进旨在结合相对强度、空间分布和连续（非离散）的强度估计，提供更全面的后坐力感知表征，尤其适用于比较能量传递差异细微的系统。

此方法也可应用于其他感官知觉研究。

5、总结与意义 (Conclusion & Implications):

本研究在受控条件下（强调精度、简单目标）揭示了细微后坐能量变化（主要通过武器-弹药配置）对经验射手时机无影响但对精度（尤其双发第二发）有负面影响，枪口装置效果不显著。

引入并验证了PRG作为测量后坐感知的有效工具，并提出了改进方案。

核心局限在于实验条件与实战环境的差距（无时间压力、静态目标）。

未来方向：研究更广泛的后坐能量范围、不同经验水平的射手、操纵速度-精度优先级、引入时间压力/复杂性/竞争元素、使用改进的PRG、探索后坐作为中断在认知负荷下的作用。

最终目标是为军事、执法等领域的武器选型、训练方案设计和性能预测提供实证依据，更好地理解射手与武器系统在压力下的交互。