Kinh nghiệm rút ra từ Thế chiến II
Cuối Chiến tranh thế giới II, Quân đội Mỹ bắt đầu xem xét các hướng đi mới đối với các loại súng máy gắn trên chiến đấu cơ của mình. Nhờ sự phát triển của khoa học kỹ thuật, tốc độ máy bay tiêm kích đã được tăng lên đáng kể, dẫn tới hệ quả là thao tác bắn sẽ khó trúng cũng như phải mang cơ số đạn nhiều hơn.
Việc khảo sát các khẩu pháo trên chiến đấu cơ của Đức thu được sau chiến tranh (chủ yếu là Mauser MG 213C) cho thấy tiềm năng to lớn của pháo đơn nòng, tuy nhiên tốc độ bắn vẫn còn hạn chế và hỏa lực chưa cao. Quân đội Mỹ muốn một thứ gì đó tốt hơn, kết hợp giữa tốc độ bắn cực nhanh với độ tin cậy, điều mà loại pháo nòng đơn không làm được.
Pháo Mauser MG 213 trên máy bay chiến đấu Đức
Một kinh nghiệm quý giá rút ra từ các trận không chiến cự ly gần trong Thế chiến II là máy bay chiến đấu của Đức, Ý và Nhật có thể tấn công phi cơ Mỹ từ xa thông qua vũ khí là các khẩu pháo của mình.
Trong khi đó, chiến đấu cơ Mỹ mang súng máy cỡ nòng 12,7 mm như P-51 và P-47 chỉ tiêu diệt được kẻ địch ở khoảng cách gần. Pháo Hispano 20 mm gắn trên P-38 và P-61 lại có tốc độ bắn quá thấp, rất dễ hụt mục tiêu. Hầu hết các loại súng, pháo còn lại tỏ ra không đáng tin cậy trên chiến trường.
Để đáp ứng yêu cầu của Quân đội Mỹ nói chung và Không quân Mỹ (mới thành lập) nói riêng, bộ phận chế tạo vũ khí của hãng General Electric đã quay về với ý tưởng cũ: súng máy Gatling đa nòng.
Thế hệ Gatling ban đầu không được ưa chuộng vì yêu cầu nguồn điện bên ngoài để bắn, nhưng các máy bay phản lực thế hệ mới có năng lượng dồi dào hơn, rất thích hợp với vũ khí này. Ngoài ra hệ thống điện tử hiện đại cũng làm cho súng Gatling trở nên tin cậy hơn khi so sánh với các khẩu súng nạp đạn bằng khí nén khác.
Nhờ kết cấu nhiều nòng, tốc độ bắn của mỗi nòng có thể thấp hơn súng đơn nòng khác, nhưng kết hợp các nòng lại với nhau sẽ cho nhịp bắn rất cao mà vẫn đảm bảo độ tin cậy lẫn an toàn.
Năm 1946, Quân đội Mỹ ký kết với General Electric hợp đồng có tên gọi "Dự án Vulcan" (Project Vulcan), yêu cầu chế tạo một vũ khí 6 nòng có khả năng bắn 7.200 viên/phút.
Mặc dù các nhà thiết kế châu Âu đang hướng tới những loại pháo dùng đạn 30 mm để có sức công phá tốt hơn, nhưng Mỹ vẫn tập trung vào đạn dành cho súng trường chống tăng, với hy vọng sơ tốc đầu đạn lớn sẽ bắt kịp chiến đấu cơ có tốc độ cao.
Một khẩu M61 Vulcan trên máy bay AMX
Nguyên mẫu GE đầu tiên của dự án dùng cỡ nòng 15 mm T45 được bắn thử nghiệm vào năm 1949, tốc độ đạt 2.500 viên/phút, sau cải tiến tăng lên 4.000 viên/phút. Tuy vậy tới thập niên 1950, họ nhận ra rằng tốc độ bắn cao vẫn không đủ đảm bảo tiêu tiêu diệt mục tiêu, dẫn tới cỡ nòng 20 mm và 27 mm, với các biến thể tương ứng là T171 và T150.
Hai phiên bản này lần đầu tiên bắn thử trong năm 1952. Cuối cùng, loại đạn 20 x 102 mm được chọn do kết hợp hài hòa giữa sức công phá, sơ tốc và tốc độ bắn.
"Hỏa thần" trên không trung
Theo thiết kế phong cách Gatling, mỗi nòng sẽ bắn một viên trong vòng xoay của cụm nòng, điều này cho phép M61 Vulcan đạt tốc độ tác xạ 100 viên/giây, tức 6.000 viên/phút. Điều này làm giảm sự mài mòn nòng cũng như nóng lên nhanh do nhiệt lượng cao, góp phần kéo dài tuổi thọ của khẩu pháo.
Qua thử nghiệm, Vulcan có thể bắn tới hơn 10.000 viên trước khi bị kẹt hay sự cố, khiến cho nó trở nên vô cùng tin cậy trong mắt giới chức quân sự cũng như phi công Mỹ.
Hầu hết các phiên bản trên chiến đấu cơ của M61 đều sử dụng năng lượng ngoài là thủy lực và dùng hệ thống điện. Bộ phận rotor cùng cơ cấu nạp vận hành bằng động cơ thủy lực thông qua ổ trục rất linh hoạt. Đạn được bắn bởi động cơ điện, mỗi lần dòng điện chạy qua, kim hỏa lại đập vào hạt lửa làm đầu đạn bay đi; sau khi dòng điện ngắt, kim hỏa lại về vị trí cũ.
Đạn liên kết bằng đai nối trên M61 đã bị loại bỏ trong thực chiến
Các khẩu pháo M61 ban đầu dùng băng đạn (các viên đạn được liên kết bằng đai nối), tuy nhiên do thường xảy ra sự cố nên sau này nó bị thay thế bằng M61A1 với dây nạp đạn không đai nối. Tùy thuộc mục đích sử dụng mà hệ thống nạp cho M61 có thể loại bỏ vỏ đạn rỗng hay bị hỏng (Single-end), hoặc đẩy ngược chúng trở lại hộp tiếp đạn sau khi bắn (Double-end).
Một nhược điểm khác là hệ thống nạp đạn phải được thiết kế riêng cho từng mục đích sử dụng, trọng lượng lên tới khoảng 140 - 180 kg tùy loại. Hầu hết các máy bay đều nạp đạn theo kiểu Double-end, bởi việc đẩy vỏ đạn ra ngoài có thể gây nguy hiểm cho đồng đội (nhất là máy bay phản lực), việc giữ lại vỏ đạn rỗng còn giúp duy trì trọng tâm của máy bay tốt hơn.
Một khẩu pháo GAU-4
M61 có một phiên bản không sử dụng năng lượng ngoài có tên GAU-4 (hay M130), nạp đạn tự động bằng khí nén từ 3 trong số 6 nòng để kích hoạt cơ chế trích khí. Khẩu Vulcan tự nạp đạn này nặng hơn khoảng 4,5 kg so với phiên bản dùng điện, nhưng nó cũng cần một bộ cung cấp điện để khởi động súng, sau khi súng đã khai hỏa thì không cần điện vào nữa.
Phiên bản nhẹ hơn của khẩu Vulcan được phát triển để gắn trên chiếc F-22 Raptor có tên gọi M61A2, máy súng giống M61A1 nhưng nòng mỏng hơn, giúp giảm khối lượng xuống còn 92 kg (thay vì 112 kg ban đầu). Nhà sản xuất cũng lược bỏ những chi tiết kim loại không quá cần thiết và thay thế một số thành phần khác bằng vật liệu nhẹ.
Tốc độ bắn của pháo Vulcan đạt 6.000 viên/phút, mặc dù một số biến thể lắp trên AMX và F-106 Delta Dart bị giới hạn ở mức thấp hơn. Loại gắn trên A-7 Corsair có chọn ở mức 4.000 hoặc 6.000 viên/phút. Phiên bản nòng mỏng cải tiến M61A2 cho phép tăng tốc độ bắn lên đến 6.600 viên/phút.
Đạn pháo PGU-27 AB dùng trong huấn luyện
Cho đến cuối những năm 1980, M61 vẫn chủ yếu sử dụng đạn M50 cỡ 20 mm với nhiều loại đầu đạn khác nhau, mỗi đầu đạn nặng 99 g có sơ tốc 1.030 m/s, có thể đuổi kịp nhiều loại chiến đấu cơ hiện đại. Các loại đầu đạn chính vẫn gồm đầu đạn xuyên giáp (API), đầu đạn nổ mạnh (HEI) và các loại dùng trong huấn luyện.
PGU-28/B là loại đạn mới được phát triển vào giữa thập niên 1980. Đầu đạn của nó nổi bật với đặc tính cháy nổ và bán xuyên giáp (SAPHEI), cải tiến về tầm bắn, độ chính xác, uy lực hơn các loại đạn trước đó.
F-4 Phantom với pháo M61 dưới bụng
Pháo nòng xoay M61 Vulcan đã được thông qua để trở thành vũ khí cận chiến cơ bản của nhiều loại tiêm kích phục vụ trong Không quân và Hải quân Mỹ như F-14 Tomcat, F-15 Eagle, F-16 Fighting Falcon, F/A-18 Hornet và sau này là F-22 Raptor, F-35 Lightning II.
Bên cạnh đó, máy bay yểm trợ hỏa lực mặt đất AC-130 cũng được trang bị tới 4 khẩu Vulan, M61 còn hiện diện trên phi cơ AMX của Ý và Mitsubishi F-1 của Nhật Bản.