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  美國海軍陸戰隊在1982年開始採用M16A2步槍(當時由FN承包)和M855彈藥來取代老舊的M16A1和M193彈藥,而旗下的Force Recon在1983年為因應新彈藥的採用,提出室內近身作戰武器的需求,此即為取代XM177E1/E2和部分M16A1卡賓槍的XM4計劃(有一說則是為因應阿拉伯聯合大公國的需求)。  當時海軍陸戰隊的Force-Recon裝備的制式武器為M3A1(非制式武器則是XM177E2),裝甲部隊也採用M3A1,海軍陸戰隊認為應為其陸戰隊武力偵察連(Force Recon)及裝甲車組成員換裝新式卡賓槍。  柯爾特公司的工程師把M16A2的改良成果運用到M653卡賓槍上,將槍管改短至14.5英寸(368.3毫米),採用伸縮槍托和M16A2的鳥籠式防火帽,使用3連發以取代全自動功能,射擊方式主要為半自動和三點發射,護木內採用了單層的鋁製隔熱屏,採用STANAG彈匣供彈。這新型卡賓槍在柯爾特公司產品編號為Model 720,後來被稱為XM4。  但國會否決了陸戰隊的XM4採購預算,Force Recon最後只能以HK MP5-N取代M3A1衝鋒槍做為近身距離作戰武器。  1988年美國陸軍也改採用了M16A2(由Colt承包),並開始進行先進戰鬥步槍(ACR)的計劃,這時又有提供給非前線戰鬥人員和空降部隊的卡賓槍使用需求提出。美國陸軍部授命柯爾特公司在陸軍部與海軍陸戰隊聯合參與下,重新展開XM4的研發和第二階段的測試。經過進一步測試和改良後,1991年3月槍支正式定型,並命名為「美國5.56毫米北大西洋公約組織口徑M4卡賓槍」(The United States Carbine, Caliber 5.56mm NATO, M4)。  M4最大改良為在槍管距離準星座前25毫米的位置上增加一縮頸,用以掛裝M203榴彈發射器,此外也能改裝成固定槍托;由於M4和M16A2構造十分相似,甚至有高達85%的零件可以互換,因此最初也有人稱其為M16A2卡賓槍,主要用於替代M16A1/A2步槍、M3衝鋒槍和車輛駕駛員使用的部分9毫米手槍,並於1994年正式列裝。  柯爾特公司還有以Model 653(俗稱M16A1卡賓槍)為藍本進行改良,換成可使用M855彈藥的14.6英寸槍管,以及採用M16A2型的上槍身和防火帽,研製出另一種射擊方式為半自動和全自動的Model 727,整體在1985年定型。柯爾特公司對出口到不同地方的M16A2卡賓槍各有不同的型號編號,出口到各阿聯酋的型號為723型,加拿大特許生產的為725型(即C8),為美國海軍生產的為727型。柯爾特公司不知從什麼時候開始把軍用型武器由Model改稱RO,但海豹突擊隊最早在1988年採用RO727,不知道是否1980年代就已經用RO727的稱呼。RO727的護木直徑比M4的小,這是RO727與M4的明顯區別。此外,要從視角上判斷護木的型別,除了比較護木粗細與槍管、機匣的比例外,還可以看看散熱孔數量。RO727是6孔,而M4系列是7孔。由於RO727的槍管中間沒有安裝M203榴彈發射器所用的縮頸部位,為了能夠掛裝M203榴彈發射器,海豹突擊隊,三角洲突擊隊及其他一些美軍特種部隊又要求把M4的槍管換上去使用,但護木還是RO727的護木(或者說與XM4的護木相同),而不是正式定型的M4/M4A1的雙層鋁隔熱罩的粗護木。直到1994年可全自動射擊的M4A1推出後,RO727才開始退出美國特種部隊的武器庫。

  之後美國特戰司令部為整合各特種部隊的武器系統,計劃採用M4為主要單兵武器,並搭配計劃中的系統,開始著手改良M4。  M4主要改良是將三點放改成全自動,但由於全自動射擊下容易造成過熱的情形,當使用連發方式打完6個彈匣後,護木就燙得不能直接用手去碰,所以護木改良成更粗厚並有兩層鋁隔熱片。另外重要的改良為MIL-STD-1913的實際應用,去除了原有的提把並換成從陸軍ACR計劃的經驗中獲得的皮卡汀尼導軌(Picatinny rail),方便安裝各種瞄具,1994年8月這項改良也被美軍採用。這種平頂(Flattop)構型的M4的最早型號為M4E1(Colt型號為Model 921),後來正式命名為M4A1,並在1994年被USSOCOM採用。  因應USSOCOM的改良,美國陸軍也將原本的M4改成粗護木和平頂上機匣,此改良型在柯爾特的型號為Model 920,並以SOPMOD為藍本發展模組化武器系統(Modular Weapon System)。除了將原有的M4提升至920型外,美國陸軍也發展MWS型,採用改良自RIS的導軌轉接系統(Rail Adapter System),由4個皮卡汀尼導軌組成,使其可以加裝許多附件,RAS還包含有一套備用機械瞄具。搭配RAS的M4型號為925,並曾有短時間被命名為M4E2,最後則以M4或M4 MWS稱呼之。  2001年因為911事件而開始駐軍阿富汗的USSOCOM,發現M4槍管在全自動射擊多個彈匣的情況下容易過熱並造成損壞,而當特戰人員在高山寒冷的天氣下射擊M4A1,瞬間的熱脹冷縮作用常發生故障的情形,嚴重的話甚至槍管會炸開。因此緊急改良採用重型槍管。在槍管整體加厚後雖然會略為增加重量,但全自動射擊時更耐熱也更準確。這些採用重型槍管的槍支還配有一重量稍大,被稱為H2的新緩衝器。  標準的H緩衝器裡面有一塊鎢和兩塊鋼組成的滑動配重,而新的H2緩衝器改為兩塊鎢和一塊鋼。目前這些武器被稱為柯爾特921HB型(Heavy Barrel,重槍管),但軍隊採用的HB改進型並沒有重新命名,所以政府型M-4A1是包括了921和921HB。

  M4卡賓槍的設計可追溯至早期卡賓槍版本的M16及XM177,都是由尤金·斯通納開發的CAR-15發展而來,同樣採用導氣、氣冷、轉動式槍機設計,以彈匣供彈及可選射擊模式的突擊步槍,而M4的長度比M16突擊步槍為短,槍管縮短至368.3毫米,重量也較輕,令射手能在近戰時快速瞄準目標,兩者之中有八成的部件可以共享。  一些M4A1裝配較厚較重的槍管,以減低全自動開火時所產生的熱力,並且加厚鋁質隔熱層。美軍最初版本的M4卡賓槍只有「單發」及「三點發」模式,其後的M4A1以「單發」及「全自動」模式取代「三點發」,M4及M4A1均使用5.56 毫米口徑的SS109子彈,而且仍採用M16特有的氣體直推傳動方式。  M4卡賓槍的護木較短,槍管長368.3毫米,比M16A2短了約140毫米。槍托為滑動,槍托拉出時,可採抵肩姿勢射擊;而槍托縮入時,則可進行腰際射擊。M4的揹帶不同於M16A2/A4的揹帶連線在槍支的下方,而是連線在武器的一側,如此一來士兵在攜槍巡邏時可便於隨時射擊。  M4型卡賓槍有兩種瞄準具可以配套使用,一種是光學瞄準具,主要是用來替代目前M16A2步槍上所使用的機械瞄準具。這種瞄準具主要在白天使用,瞄準時可以看到一個紅點,而紅點所在的位置也就是子彈將會擊中的位置;另一個是輕型熱成像瞄準具,利用目標的熱影像來確定目標。此外,因考慮到士兵在與敵突然遭遇時將會沒有時間調整表尺,M4還配備一隻專門設計的校射儀,士兵即可在不需要射擊的情況下就可以直接對槍或其附加裝置進行校正工作。 M4和M16A2/A4的分別主要有:  雖然M4系列具有緊湊及輕巧等優點,但它的短槍管令出口初速及火力降低,縮短的導氣系統令射擊聲音增大,槍管過熱亦較快。而沿用M16的導氣系統,開火時是依靠氣體推動整個系統。  一些武器專家認為,它直接將氣體匯入開火裝置,容易攜帶碳渣,從而產生汙垢和熱量,造成潤滑劑乾燥,可能會在沙漠地區出現可靠性問題。  其中在一次位於阿伯丁陸軍試驗鑑定中心對柯爾特公司的M4、比利時FN公司美國分公司的MK16 SCAR、H&K公司的HK416和XM8四種槍進行沙塵暴環境下的效能測試,現役的主力槍支M4卡賓槍竟以中斷射擊882次(彈匣故障239次)排名倒數第一,在加強潤滑後整體故障率降低到307次故障,引起陸軍官方的重視。然而在美軍當中仍有89%士兵表示信賴M4。不過其M4卡賓槍從基層部隊抽調,而其它參與測試的SCAR、XM8、HK416則是廠商提供的全新產品。

  美軍曾於第一次波斯灣戰爭發包給Bushmaster公司生產M4應急。柯爾特並以「M4」註冊商標為由,興訟阻撓Bushmaster、H&K等公司進行軍事上的生產或改良。2007年5月,按緬因州當地判決,「M4」非專有名稱,柯爾特應撤銷其商標使用。  2012年4月,早在2009年7月即取得M4技術資料(Technical Data Package,TDP)權利的美國陸軍,宣佈雷明登武器公司承包生產,結束柯爾特長期壟斷M4軍用市場的局面。但柯爾特不願認輸,找出雷明登承包合約中權利金計算錯誤之處,而獲得競標機會;參與廠商除了柯爾特、雷明登之外,還有Fabrique Nationale。2013年2月,宣佈Fabrique Nationale公司得標。

  阿布扎比為M4卡賓槍第一個外國使用者,但卻要求改用M16A1的下機匣,以讓M4卡賓槍可全自動射擊。  緊湊的外形和強大火力適合近身距離作戰使M4系列受到反恐部隊和特種部隊的喜愛,這些優點也適用於城市戰鬥。因此在常規部隊的步兵班中,以M16A4為主再搭配少量M4A1成為流行的模式。在特種部隊和空降部隊等快速反應部隊中,M4A1是主戰武器,美國特種作戰司令部(USSOCOM)並把M4A1列為制式步槍。  除了美軍外,M4卡賓槍及其改型/仿製型亦獲多國特種部隊及特警隊所使用,多數出現在近戰及城市戰亦十分合適。

  美國海豹特種部隊在1998年也開始些許採用M4,三角洲部隊及美軍一些部隊也跟進。特種部隊之所以選購這種武器,是因為M16A2步槍只有三點發設計,但是因為任務需求更需要全自動射擊,加上M16A2步槍的三連發設計不良,如果在射擊中過早放開扳機而只打出2發子彈時,那麼再扣動扳機時僅能打出1發子彈。  M4卡賓槍首次上陣是1991年的第一次波斯灣戰爭。  戰爭爆發前美軍發現他們缺少新型步槍,大多數部隊仍在使用M16A1,而M16A2則在1986年才開始裝備美軍部隊,數量仍然不足。由於需要儘快獲得大量的M16A2和M4,美國國防部特別批准增加M4的供應商。  位於緬因州的Bushmaster公司得到一份對美軍提供M4卡賓槍的合約,為陸軍提供了4000把。這批槍在之後的「沙漠之盾」和「沙漠風暴」期間由美軍第82空降師所使用。由於美國政府未經柯爾特公司允許就向其他公司提供M4卡賓槍的專利和說明檔案,柯爾特公司威脅控告美國政府,最後Bushmaster公司也就只得到這一和美軍的合約。  1994年,海軍陸戰隊公佈「任務需求說明書v1.14」,該檔案指出未來Force-Recon執行任務,應該以M4A1卡賓槍代替MP5-N衝鋒槍作為近身距離作戰武器。海軍陸戰隊最終購買M4A1卡賓槍,但主要是裝備特種部隊,但是美國空軍卻始終沒有大量裝備M4。  美國陸軍目前已經用柯爾特公司的M4卡賓槍替換約10%左右的M16步槍(近20萬支)。2008年和2009年該項替換的預算將分別達到9,800萬和1.03億美元。而美國海軍陸戰隊預估進行一項類似的計劃,此外美軍訓練與條令司令部也正在制定整個陸軍配發M4的基本原則。  M4卡賓槍系列取代了.45 ACP的M3衝鋒槍成為美軍工兵、戰車駕駛員及非前線部隊的裝備,限制3發點射的M4卡賓槍多數裝備車組成員、機組成員、文書或軍官,例如M-1坦克車組成員多年來是使用4支M-3A1衝鋒鎗作為自衛武器用(現在則改為兩支M-4卡賓槍和兩把M9手槍)。  近年,對應戰術配件的平頂型上機匣及導軌式護木改進型號亦正漸漸取代舊式的M4卡賓槍。M4卡賓槍並不需要輔助發射裝置就能發射美軍和北約的制式22毫米槍榴彈,而M203型40毫米榴彈發射器也能非常容易地配裝到該槍上,不僅給射手提供了點殺傷能力,亦提供了面殺傷能力。

  

  M4跟M4A1最主要的分別是,M4擁有“S-1-3”系統(保險/單發/三點發)扳機,而M4A1則擁有“S-1-F”系統(保險/單發/全自動)扳機,早期型採用固定提把。現在,美軍所使用的版本分別為Colt 920與Colt 921

  M4的模組化武器系統(Modular Weapon System)版本,簡稱M4 MWS(又曾名M4E2),是配備RIS護木的柯爾特M925卡賓槍,並配有大量戰術配件。當初配備RIS護木的柯爾特925型卡賓槍經過測試後原被定型為M4E2,但這個名稱對已有的卡賓槍安裝這個護木後是否需也應更改名稱疑問而放棄此稱,美國陸軍野戰手冊中則把安裝RAS的M-4系列稱為模組化武器系統(Modular Weapon System)或簡稱M-4 MWS。

  M4A1卡賓槍(M4A1 carbine)是其中一種M4卡賓槍的衍生型,被用作特別作戰用途,亦是現在最常見的版本。現時主要裝備美軍各常規部隊及特種部隊,包括三角洲特種部隊、美國海軍海豹部隊、美國陸軍遊騎兵及美國海軍陸戰隊。  2007年4月19日,美國陸軍與M16/M4槍系製造商柯爾特,簽訂一筆總價值高達5080萬美金的M4/M4A1卡賓槍生產合約,預計合約內容於2008年7月30日前全數執行完畢。

  USSOCOM為其轄下部隊開發的M4卡賓槍改裝套件Special Operations Peculiar Modification()Block I。

  第二代的SOPMOD改裝套件(又稱SOPMOD II),是Block I的更新改進版本。現由多間公司生產,包括KAC(Knight's Armament Company)、ARMS(Atlantic Research Marketing Systems)、Lewis Machine & Tools,而Daniel Defense則生產RIS-II(新一代戰術導軌)。  由不同公司生產的M4卡賓槍已在特種部隊服役,澳洲特種空勤團使用柯爾特的出口型M4,英國特種空勤團使用加拿大迪瑪科SFW。

  M4A1 Plus主要針對以下八點作改進

  注:粗體的柯爾特編號為美軍裝備,斜體柯爾特的編號是出口型及民間發售型,粗體名稱是美軍的指定名稱。

  M4樣式的卡賓槍(普遍地被歸類為AR-15改型,因此這些型號嚴格而言不算是M4)在美國及部分國家相當普遍,並有獲授權生產或仿製,不過絕大部分型號均未獲柯爾特原廠授權。生產過M4樣式卡賓槍的國家包括:美國、加拿大(Colt Canada)、德國(黑克勒-科赫、Schmeiser、Overland Arms及瓦爾特)、英國(Imperial Defence Service)、瑞士(Swiss Arms、Astra Arms及B&T)、捷克(LUVO Arms及Pro Arms)、黑山(Tara)、烏克蘭(Zbroyar)、俄羅斯(莫洛工廠)、土耳其(MKE及Safir Arms)、喬治亞以及中華人民共和國(北方工業)等。  具有M4樣式設計的槍械包括:  及所有對應M1913導軌(MIL-STD-1913 Picatinny rail)的配件

  M4卡賓槍也同時出現在許多的娛樂媒體當中,尤其是以21世紀的美軍及其特種部隊作主題的作品,幾乎無處不在:

  市面上亦有出售M4的生存遊戲用槍,而且非常的普遍並受到某些玩家的喜愛。現在M4的生存遊戲用槍大多都是由中國大陸、美國、臺灣、香港及日本的廠商製造。
M4卡賓槍(M4 carbine)是M16A2突擊步槍的縮短版本,獲世界各國的軍隊及警隊採用。