Dopo aver sperimentato, senza successo, il cannoncino T17 da 15,2mm, l’USAF aveva richiesto un nuovo cannone, data l’insufficienza delle mitragliatrici M-3 da 12,7mm. Le origini del Vulcan, il cannone forse più famoso al mondo, si fanno risalire agli esperimenti condotti da due ufficiali americani, Howell and Johnson, per impiegare un motore esterno su un Gatling per possibili impieghi aeronautici. Nei test, effettuati alla fine del 1945, un Gatling calibro .45 modello 1886 a 10 canne, prelevato dall’Ordnance Museum dell’Aberdeen Proving Ground, ha sparato 4000 e 5500 c/m. I risultati hanno portato l’Army Air Force e l’ U.S.Army Ordnance Department ad assegnare il 18/1/1946 un contratto per ulteriori studi alla General Electric e poi il contratto di sviluppo, all’interno del progetto “Vulcan”. La specifica USAF prevedeva un’arma a 5 canne da 15,2mm, con una cadenza di 1000 c/m per canna, una lunghezza massima di 203 cm con canne di 152 cm, facile da manutenere e affidabile ad alte velocità, quote e temperature estreme.

Il prototipo T-45 ad aprile 1949 ha raggiunto i 2500 c/m, e dopo alcuni miglioramenti i 5000 c/m a giugno e i 6000 a settembre del 1950. Dopo ulteriori prove all’Aberdeen Proving Ground e allo Springfield Armory, a maggio 1952 dieci prototipi T45 hanno sparato 75000 colpi senza incepparsi. L’USAF ha ritenuto, però, il calibro insufficiente, chiedendo altri prototipi da 20 e 27mm. A metà del 1952 erano in prova tre modelli: il T-45 (Model A) da 15,2mm, il T-150 (Model B) da 27mm, e il T-171 (Model C) da 20mm. Alla fine si è ritenuto che il proiettile da 20mm presentasse il giusto rapporto di peso esplosivo e velocità iniziale. Il nuovo cannone ha ricevuto la sigla T171E1. Tra il 1952 e il 1955 la General Electric ha prodotto 33 T171E1 per le prove ad Eglin, con la prima prova a fuoco nel 1953. Il peso era di 165 kg e la cadenza di 4000 c/m. Nel 1954 sono state incorporate alcune modifiche nel nuovo T171E2 ed è iniziata la produzione pilota, ma senza risolvere alcuni problemi a carico della culatta del cannone. Nel 1955 il cannone era pronto per il nuovo F-104. Ma durante un test, dopo aver sparato 100000 colpi nelle prove, un bossolo si è rotto dentro una delle camere del cannone, e il secondo colpo camerato è esploso all’esterno, rompendo l’arma e danneggiando la struttura dell’aereo. Il cannone è stato irrobustito in alcune parti, assumendo nell’aprile del 1956 la nuova sigla T171E3.

Per risolvere il problema, si è impiegato un otturatore a movimento alternato, inizialmente pensato per una cadenza più elevata. Anche così le tolleranze formavano uno spazio anteriore eccessivo e, con una cartuccia  debole, poteva verificarsi la rottura. Ma ridisegnare il cannone avrebbe richiesto troppo tempo e sarebbe stato costoso. Riprogettando ogni componente, la General Electric ha ridotto le tolleranze a metà. Il circuito di accensione è stato modificato in modo che non potesse arrivare all’innesco a meno che l’otturatore non fosse completamente bloccato. Ma subito dopo è apparso un altro problema. Il nastro delle munizioni era in contenitori affiancati, quando il primo era terminato, il violento passaggio al secondo rompeva le maglie. Il cannone, in un epoca dove i missili sembravano aver reso superfluo il combattimento ravvicinato, ha rischiato più volte la cancellazione. Terminato lo sviluppo, coi prototipi spinti fino a 8000 c/m, è iniziata la produzione di pre-serie con un contratto da 7 milioni $ per due versioni, con motore elettrico e idraulico, per soddisfare le richieste della  Lockheed e della Republic. A dicembre del 1957 i cannoni sono stati ridesignati M-61 Vulcan. La produzione in serie è iniziata nel 1959.

E’ il caso di citare due progetti paralleli, all’interno del contratto del 1946:  il “mini-Vulcan”, che avrebbe dato vita al GAU-2/A Minigun, pronto nel 1958 ma che ha trovato impiego solo dal 1963 in Vietnam nei pod SUU-11A/A e il T-212 da 30mm, completato in due esemplari, per l’attacco al suolo e per le torri posteriori dei bombardieri, abbandonato fino al 1973, che avrebbe dato vita al GAU-8/A Avenger.

M-61                                                                                                                                    

Dopo una temporanea sospensione dei test nel 1957, per l’installazione di un miglior sistema di ventilazione nel compartimento del cannone, il primo modello è entrato in servizio sugli F-104A.

Ad alimentazione elettrica, pesava 136 kg ed è stato prodotto in 480 esemplari. Sugli Starfighter disponeva di 725-750 colpi e cadenza di 4000 c/m con espulsione esterna dei bossoli. In qualche raro caso si inceppava per difficoltà nell’estrazione dei bossoli, ma il vero problema era l’impiego di un nastro di munizioni a maglia disgregabile. L’altissima cadenza piegava, deformava o rompeva il nastro, con inceppamenti frequenti e rischio FOD per le maglie espulse.

Sugli F-105B il cannone, con 1028 colpi, poteva sparare a 6000c/m, alternando i colpi tra due alimentatori collegati.

M-61A1

Un sistema alternativo alle maglie disgregabili era già stato previsto per aumentare la cadenza di fuoco, così lo sviluppo è partito velocemente. Nel 1959, sugli F-104C, è apparso il nuovo M-61A1 che ha risolto la maggior parte dei problemi con un sistema di alimentazione con convogliatore a cinghia senza maglie, che ha aumentato l’affidabilità. L’MRBF (Mean Rounds Before Failure) è di 30000 colpi prima di un inceppamento. La vita delle canne non è inferiore a 30000 colpi, quella del cannone è di 150000 e quella dell’intero complesso arriva a 250000 colpi.

Il Vulcan è lungo 1,875 metri e pesa 112,5 kg. Spara 6000-6600 c/m. La General Electric indica una dispersione massima di 8 millesimi di diametro per l’80 % dei colpi ma già negli anni ’60 la media era tra 2 e 5 millesimi e non era raro 1 millesimo. E’ possibile variare lievemente la rosa (3,5-7 millesimi) impiegando differenti anelli di ritegno anteriore (circolare o ellittico). La portata ottimale è di 300-900 metri.

Le canne e il congegno di alimentazione sono mossi da un motore da 35 hp a trasmissione idraulica o, raramente, elettrica o pneumatica. I proiettili, dal convogliatore, entrano in un congegno elicoidale a vite di Archimede. La rotazione è antioraria, vista dalla parte anteriore. Le sei canne vengono caricate in parallelo nelle varie posizioni del cerchio descritto dalle canne rotanti. Ogni canna spara quando passa in posizione alta, il movimento controlla il movimento dell’otturatore, con accensione elettrica del proiettile, poi il bossolo viene estratto ed espulso. I bossoli vengono trasportati indietro al caricatore con un secondo convogliatore. Ingresso ed estrazione avvengono a velocità costante, così il movimento è dolce, con un rinculo tra 967 kg (4000 c/m) e 1451 kg (6000 c/m), e il tempo del ciclo è minimo. L’alimentazione esterna aumenta l’affidabilità. Ogni canna spara solo 1000 c/m, aumentandone la vita, riducendone l’usura e lo sviluppo di calore. E’ possibile sparare un raffica continua di 6 secondi prima che le canne si surriscaldino. 

Se un colpo non parte viene estratto ed espulso. Non avviene interruzione del fuoco perché il sistema non dipende dai gas del proiettile o dal rinculo per operare. Servono 0,5 secondi per fermare il cannone, togliendo corrente. Alla fine della raffica 5-12 colpi terminano il ciclo senza essere stati sparati e ritornano al caricatore. Su alcuni velivoli, il sistema SMS (Stores Management System) che conta i colpi rimasti, li sottrae dai colpi caricati. Non c’è modo di sapere il vero numero dei colpi non esplosi, così l’SMS ne conta 7. Questo può creare differenze tra colpi rimasti indicati e numero reale, che aumentano all’aumentare delle raffiche.

Sono state studiate non meno di 30 diverse soluzioni, specifiche per ogni velivolo. L’M-61A1 ha trovato impiego sugli F-4E (639 colpi e 6000 c/m), F-14 (676 colpi, 4000/6000 c/m),  F-15 (940 colpi, 4000/6000 c/m), F-16 (515 colpi, 4000/6000 c/m, oggi regolato a 4800 c/m), F-18 (578 colpi, 4000/6000 c/m), F-104C/G/S (638-725 colpi, 4000/6000 c/m), F-105D/F (1028 colpi, 6000 c/m), F-106 (650 colpi, 4500 c/m), F-111 (2084 colpi, 5000 c/m, alimentazione elettrica, single end), A-7D (1030 colpi, 4000/6000 c/m), B-52H (1242 colpi, 4000 c/m), B-58 (1200 colpi, 4000 c/m), AC-119G/K (2 M-61 con 3000 colpi totali), AC-130A (4 M-61 con 2500 colpi totali, poi 2 M-61 con 3000 colpi totali), AC-130H (2 M-61, 2500 c/m, poi 6000 c/m). Il cannone è stato provato sui B-57G in torretta ventrale TAT-157 e TAT-161.　

Ha conosciuto un certo successo all’estero, montato sui Ghibli (403 colpi, 4000 c/m) e sul Ching Kuo (515 colpi,  6000 c/m). Ed è prodotto su licenza in Giappone come JM-61 per i Mitsubishi F-1/T-2  (750 colpi,  6000 c/m) ed F-2 (512 colpi, 6000 c/m). La compagnia è stata recentemente acquisita dalla Martin Marietta così il Vulcan è attualmente prodotto dalla Lockheed-Martin.

L’M-61 Vulcan impiega i proiettili  20×102 mm serie M-50 e PGU-28.

M56A3/A4  HEI (XM242 HEI-T): a scoppio ritardato, pesa 100 grammi (257 completo) con 10,7 grammi di RDX e 1,3 grammi di meteriale incendiario. Velocità iniziale 1030 m/s. Penetra 12,5mm a 100 metri. Può causare perdite su personale allo scoperto entro un raggio di 2 metri. Frammenti pericolosi fino a 20 metri.

M53 API: in acciaio con punta in lega di alluminio con effetto incendiario all’impatto (4,2 grammi). Velocità iniziale 1030 m/s. Perfora 6,3mm a 1 km.

M55A1 TP e M55A2 TP-T  (M220 TP Tracer): in acciaio cavo per esercitazione.

PGU-28/A e A/B SAPHEI: sviluppato a metà degli anni ’80, ha sostituito la serie M-50. Pesa 102 grammi ed è a scoppio istantaneo o ritardato, con esplosivo piroforico (10 grammi) e frammenti più grandi. Realizzato per coprire la distanza tra il raggio minimo degli AIM-9 e quello massimo del Vulcan, è a bassa resistenza. Riduce la pressione in canna aumentando l’affidabilità del cannone e migliora la tolleranza ad impatti obliqui. La velocità iniziale maggiore, 1040-1052 m/s, e il tempo di volo ridotto del 20 %, aumentano un po’ il raggio d’azione, ma non tre volte come pubblicizzato.

PGU-27A/B TP e PGU-30A/B TP-T: da addestramento in acciaio con punta in lega di alluminio.

Vantaggi e difetti

L’M-61 ha una cadenza elevatissima, compresa tra 100 e 110 colpi al secondo. Per ottenere lo stesso numero di colpi servirebbero 3-4 cannoni a revolver. Ed è molto affidabile. I colpi, distanziati di 1/100 di secondo permettono di piazzarne sul bersaglio un buon numero. L’M-61 garantisce che una raffica “centrata” di 1 secondo possa abbattere un bersaglio.

Gli esperti stimano, però, che la “finestra” utile di una raffica non superi 0,5-1 secondo di durata, il resto dei colpi va a vuoto.  il Vulcan richiede 0,25 secondi per raggiungere la velocità di 3200 c/m di inizio del fuoco, richiesta per camerare le cartucce, e 0,4-0,5 secondi per accelerare alla massima cadenza di tiro. Nel primo secondo l’M-61 spara, secondo le stime, tra 68 e 75 colpi. Se il pilota tenta uno “snap shot”, un tiro al volo con angolo di incrocio elevato, in 0,5 secondi sparerà solo 18-25 colpi ! Un MiG-29 a 1000 km/h verrà colpito da solo 2-3 colpi. I cannoni a revolver, invece, raggiungono istantaneamente la massima cadenza. Il pilota, naturalmente, può iniziare il fuoco prima e attraversare la traiettoria del bersaglio, cosa effettivamente avvenuta in molte occasioni, con raffiche di 2-3 secondi.

I proiettili da 20mm sono balisticamente inferiori ai 27-30mm, perdono presto energia e hanno poco esplosivo. La velocità iniziale si riduce a 500 m/s dopo appena 1000 metri.

L’installazione, comprensiva del sistema di alimentazione e del caricatore, è pesante, complessa e voluminosa, non adatta a tutti i velivoli e deve essere progettata apposta.