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在1970年3月13日，五角大楼要求其他北约国家仿照美国军队的做法把M16/M16A1定为北约的标准配备。英国人的反应十分强烈。在大约二十年前，英国军队曾强烈地反对美国军械人员把7.62mm T65弹定为北约标准弹，说他们的.280弹能力不足，而现在美国人竟然要求他们采用一种口径更小的子弹！！！但无论如何，M16/M16A1在越南战争后期的表现非常优秀，北约组织决定选用新的小口径枪弹作为北约的标准配备。
北约组织在1977年4月至1979年春期间进行了一系列的测试以决定新的北约制式弹。美国提出了他们的最初设计——M193，没有改进，在面对单兵防护能力得到普遍提高的情况下该弹没有好的侵彻性能；英国人推出了改进的5.56mm弹，使用比较细长的4.85mm弹头装在美国弹壳中，该弹有较好的弹道和更好的侵彻性能，有效射程能达600m而且符合他们的班用自动武器（轻机枪）的需求；德国人推出了新的4.7mm无壳弹，非常轻而且弹道性能与美国M193相似，然而该系统大量发射后可能导致自燃；最后的设计是比利时提供的SS109，一种与美国弹尺寸相同的5.56mm新弹，但有钢弹尖以改善侵彻性能，枪口初速约每秒3000英尺（915m/s），有效射程比美国M193更远，适合轻机枪使用。
试验很快就显示出英国和比利时的设计大致相当，两者都比美国的设计好。在1980年比利时的SS109弹被选定为第二种北约标准弹。但要让SS109的性能得到完全的表现，枪管必须使用1/7的膛线缠距，原有的1/12缠距会由于没有足够的稳定性而使它的有效射程降低到90米。其实SS109弹头的最佳缠距应该是1/9，之所以采用1/7是为了让较长的L110曳光弹（SS109同型曳光弹）也有足够的稳定性。这种曳光弹的有效射程比现有的M196曳光弹（M193同型曳光弹）超出450米，可达800米外。所以当美国陆军选定了比利时弹作为新的制式弹后，就必需装备新步枪。同时，美国海军陆战队正根据M16A1在部队使用的十几年来的意见也对M16着手改进并试验。
海军陆战队改进的M16A1命名为M16A1E1，较之M16A1有如下改进：
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改用比利时SS109弹，膛线缠距由12英寸改为7英寸，理论射速达到700~900RPM；
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在护木前方的枪管外直径加粗到18.5mm，接近消焰器直径，以增加枪管的抗弯曲性能，减缓了持续射击时的升温，提高单发精度，枪管因此加重170克，在护木内的枪管直径与M16A1的相同，这是为了兼容原有的M203榴弹发射器的安装（就是说不打算改装或购买能安装于厚枪管上的榴弹发射器）。
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为节省弹药，将连发射击方式改为三发点射；
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为符合人体工程学，枪托加长了16mm，以便于抵肩方式进行瞄准射击，而且新枪托更加坚固耐用；
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原来A1式的三角形左右两半式的护木改为圆柱形上下两半式，护木外表有散热肋条，也可以起防滑作用，新护木不但让手掌较小的射手也容易掌握，而且上、下两半的完全对称的，所以在军械库存放的备件不必再单独区分左护木和右护木；
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原直径2mm的觇孔改为5mm，以方便瞄准近距离运动目标，准星尖由圆柱形改为方柱形，照门的风偏和高低可调，为充分利用SS109弹的弹道特性使照门高度可调到300~800米。
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取消了枪口消焰器上的两个向下的开孔，以抑制枪口上跳和避免卧射时枪口扬尘；
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抛壳口后面增加了一块凸起的弹壳偏向装置，阻止弹壳后抛，左手射击时弹壳不会打到脸上；
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枪托、护木和握把材料改用纤维增强尼龙；
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枪托有防滑底板，直形小握把改为有手指槽的握把。
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在1981年夏季期间，M16A1E1进行了非常彻底的测试，并且在1982年9月定型为M16A2，同时把美国生产的SS109定型为M855，把L110定型为M856。但直到一年后，即1983年11月20日它才正式地被海军陆战队采用。而此时陆军中的部分人正试图说服相关部门不要采用M16A2，虽然他们也承认大量的M16A1在长期使用和训练中已经很损耗严重了，但最后，陆军还是在1985年采用了M16A2。
1986年，美国陆军部宣布在8年内（1986~1994）采购2000万支M16A2步枪进行全面换装。本来，柯尔特公司也参与了M16A2的改进计划的，但在1988年陆军招标购买267,000支M16A2的时候，柯尔特公司却因为报价比FNMI（比利时FN公司在北美开设的制造厂）高出50美元，而失去美国陆军订购M16A2的生产合同，结果美军装备的M16A2枪身上被打上了FNMI的标志。直到1990年初，柯尔特脱离其总公司而独立，才终于夺到了12,000支M16A2的订货合同，总价值95万美元。
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M16A2只具备半自动和3发点射功能，这迎合了某些美国陆军高级军官的主张。他们认为3发一组地射击是在节省弹药、提高命中率和增强火力之间一个最合适（不如说是妥协）的解决之道。据说英国专家也特别赞赏这种发射方式，他们认为许多训练不足的士兵掌握不到控制连发射击的技巧，而“可控的3发点射可以得到较高的命中率，这比一下子向敌方喷洒10至15发子弹要好。”
但美国一些军事专家和技术专家激烈反对。因为这种设计思想从根本上动摇了突击步枪的宗旨。突击步枪在战术使用上的主要意图是借助突然和猛烈的火力阻止、压制、歼灭或震慑敌人。所以M16A2定型后又推出有一些有全自动发射功能的改型，不过这些全自动的M16A2只用于出口，美国陆军和海军陆战队装备的只是三发点射的美国标准型（Model 645）。
在这件事上，斯通纳本人也是激烈地反对M16A2的初始型号，他并不反对3发点射机构，但反对用3发点射代替全自动射击，因为这完全背离了他当初设计M16的初衷。早在20世纪60年代，美国有相当一部分军人倾向于步枪的半自动射击方式，理由是全自动射击白白浪费弹药，当时斯通纳据理力争。不少专家发现在二战当中，大约有4/5的M1伽兰德步枪手在战斗中不扣扳机，距BAR步枪越近的士兵越是呆看BAR连续射击的壮观场面，因此士兵得出“半自动在实战中无用”论。斯通纳认为半自动步枪即使在一名训练有素的士兵手中也难以发挥威力，原因有以下几点：①选择目标时犹豫不决；②敌人一反击就停射；③邻兵伤亡时分散精力；④扣一发响一发，由于紧张甚至恐惧弹头射出去不是偏高就是偏低。具有全自动射击方式的步枪则完全是另一回事。士兵握住着BAR这样的枪会感觉到他已经控制着一个区域，只要敌人在这个区域，就hose it down（用子弹橡皮水管浇它——形容全自动射击的美军俚语）。
而且M16A2的三发点射机构也设计不好，每发射3发棘轮转动半圈，但如果在点射过程中过早地松开扳机中断射击，板机组不会重新设定。举例来说，当一名士兵在点射至第2和第3发之间就松开板机，那么下一次再扣下扳机时则只能射出1发弹。在半自动模式中板机机构也会影响扳机扣力，在射击一发后棘轮停止的位置不同，这样再次扣动扳机的扳机力就不一样，以致影响单发射击精度等等。
M16A2的新特征使M16变得更重和更复杂，而且又取消了全自动的功能。另外新的弹头比较重，因此弹道更弯曲，射手需要更准确地判断距离和正确瞄准。还有些批评家指出觇孔的设计不理想，小孔太小而不容易找到准星，而大孔太大又降低了瞄准的准确性。而照门的射程调整也显得多余，很少在战斗被士兵使用，一般只设定在300米距离上。但不管有多少批评，由于美军必须遵从SS109（M855）的北约标准化，而越南时期使用的武器现在都已经到了不得不换的时候，所以始终还是需要装备这种新步枪。
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1991年海湾战争中使用M16A2的美国海军陆战队士兵
1987年9月底，美国陆军提出了“美国陆军轻武器总规划”，规划中坦承当时美国在轻武器方面没有技术优势，是近斯的一种过渡措施，M16A2作为单兵武器至少要装备到1994年。在1989年开始的ACR（先进战斗步枪）计划的目的之一就是寻求M16A2的替代品。但由于没有一个ACR的参与竞争者能表现出综合性能比M16A2有大的提高，这个计划最终被取消。
现在美军已经抛弃了某些人所主张的“轻武器万能论”，肯定了单兵武器并不是单独作战的，而是主要对付有生目标、轻型车辆和防御工事内的敌人。至于轻装甲目标和低速空中目标则由其它专门武器对付。M16系列仍可满足目前的基本使用要求，所以美军决定继续改进和使用M16系列，至少会用到2010年。
| [align=center]M16A2 | |
| 口径 | 5.56×45mm SS109/M855 |
| 采用日期 | 1983年11月20日 |
| 全枪长 | 39.37"（1000 mm） |
| 枪管长 | 20"（510 mm） |
| 膛线 | 6条，右旋，缠距178mm |
| 空枪重(带空弹匣) | 3.77 kg（8.30 lbs.） |
| 理论射速 | 700~900 RPM |
| 有效射程 | 600 m |
| 初速 | 945 m/s（3100FPS） |
| 枪口动能 | 1765 J |
| 弹匣容量 | 20 / 30 rds |
| 瞄准基线长 | 501 mm |
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