Download - Small Caliber Guided Projectile
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8/11/2019 Small Caliber Guided Projectile
1/20
US007781709B1
( 1 2 ) Ulllted
States
Patent ( 1 0 )
P a t e n t N 0 . :
U S 7 , 7 8 1 , 7 0 9 B1
J o n e s e t a ] . ( 4 5 ) Date o f P a t e n t : Aug. 2 4 , 2010
( 5 4 ) SMALL
CALIBER GUIDED
PROJECTILE ( 5 6 ) R e f e r e n c e s C i t e d
( 7 5 ) I n v e n t o r s :
J a m e s F .
J o n e s , A l b u q u e r q u e , NM U S ) ; US'
PATENT
DOC_UMENTS
B r i a n A .
K a s t ,
A l b u q u e r q u e ,
NM
U S ) ;
i
1 3 ;
g r w l g
. , oss
Marc W. K n l s k e r n , A l b u q u e r q u e , NM 1 , 2 4 3 , 5 4 2 A M917 Moore
S c o t t
E -
R o s e , A l b u q u e r q u e , 1 , 2 7 7 , 9 4 2
A
9 / 1 9 1 8
K a y l o r
(U$);Brand0I1R-R0hrer,
3 , 1 2 5 , 3 1 3
A 3 / 1 9 6 4 S o d e r b e r g
Albuquerque, NM US); James W.
3,658,427
A
* 4/1972
DeCou . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. 2 4 4 / 3 . l 6
WoodsAlbumlemue, NM
U s ) ;
R on a ld 3 , 6 9 5 , 5 5 6 A
*
1 0 / 1 9 7 2 GauZZa t a l . 2 4 4 / 3 . 2 9
W_
Greene
A lb u q u erq u e NM Us) 3 , 8 4 1 , 5 8 5 A
*
10/1974 Evers-Euterneck
. . . . . . .
. .
2 4 4 / 3 . l 5
3 , 86 0,199 A 1/1975 Dunne
( 7 3 ) A s s i g n e e : S a n d i a C o r p o r a t i o n ,
A l b u q u e r q u e , NM ( C o n t i n u e d )
( U s ) OTHER UBL IC AT IO NS
( > x ) N o t i c e : S u b j e c t t o
a n y
d i s c l a i m e r , t h e
t e r m
o f t h i s S a l g u e r o ,
D . E . , T r a j e c t o r y
A n a l y s i s a n d O p t i m i z a t i o n
S y s t e m
atem
i s
extended
O r a d - u s t e d
under 35 (TAOS)
U s e r s M a n u a l ,
SAND95-l652, S a n d i a C o r p o r a t l o n ,
%
S
C
1 5 4 ( 1 ) )
b y 1 9 9 d a y J s
P r i n t e d
D e c . 1 9 9 5 , a v a i l a b l e t h r o u g h O S T I .
i i . (Continued)
( 2 1 ) APPL N05 1 2 / 2 4 1 , 4 1 0
P r i m a r y
E x a m i n e r i B e r n a r r
E
G r e g o r y
( 2 2 ) F i l e d
s e p 3 0
2 0 0 8 ( 7 4 )
A t t o r n e y ,
A g e n t , o r FirmiWilliam R . C o n l e y
.
. ,
( 5 7 ) A B S T R A C T
_ _ _ _
A
on-spinning projectile
that is
self-guided
to a laser desig
( 6 0 )
P r O V l s l O n a l apphcanon N O - 6 1 / 0 5 0 , 3 1 0 ? l e d on May n a t e d
t a r g e t a n d
i s
c o n ? g u r e d
t o
b e ? r e d f r o m a
s m a l l
c a l i b e r
R e l a t e d U . S .
A p p l i c a t i o n Data
5 ,
20 0 8
smooth
b o r e gun a r r e l
h a s
an o p t i c a l
s e n s o r mounted
i n
t h e
nose
of
h e p r o j e c t i l e , a c o u n t e r b a l a n c i n g mass
p o r t i o n n e a r
( 5 1 ) I n t - 0- t h e f o r e e n d o f t h e
p r o j e c t i l e
a n d a h o l l o W t a p e r e d b o d y
F
2 3 1 5 / 0 1 ( 2 0 0 6 - 0 1 ) mounted
f t
o f h e c o u n t e r b a l a n c i n g m a s s .
S t a b i l i z i n g s t r a k e s
F 2 3 1 0 / 6 4 ( 2 0 0 6 - 0 1 )
a r e
mounted
t o
a n d e x t e n d o u t W a r d from
t h e
t a p e r e d body
F41G
/ 2
( 2 0 0 6 - 0 1 ) W i t h c o n t r o l ? n s
l o c a t e d a t
t h e a f t end o f h e s t r a k e s . Guidance
F 4 2 B 1 5 / 0 0 ( 2 0 0 6 - 0 1 ) a n d c o n t r o l e l e c t r o n i c s a n d e l e c t r o m a g n e t i c a c t u a t o r s
f o r
F 4 2 3 0 / 6 0 ( 2 0 0 6 - 0 1 ) o p e r a t i n g t h e c o n t r ol
? n s
a r e l o c a t e d W it h i n t h e t a p e r e d
body
F 4 1 G 7
0
( 2 0 0 6 - 0 1 )
s e c t i o n . O u t p u t
f r o m t h e
o p t i c a l
s e n s o r
i s p r o c e s s e d b y t h e
( 5 2 )
U . S .
C l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . 244/316; 2 4 4 / 3 . 1 ; 244/315; g u i d a n c e
and
o n t r o l
e l e c t r o n i c s
t o p r o d u c e command
i g n a l s
2 4 4 / - 2 4 ; 1 0 2 / 3 8 2 ; 1 0 2 / 3 8 4 f o r t h e e l e c t r o m a g n e t i c a c t u a t o r s . A u i d a n c e c o n t r o l a l g o
( 5 8 )
F i e l d o f C l a s s i ? c a t i o n
Search
. . . . . . . . .
. . 2 4 4 / 3 . 1 * 3 . 3 ;
r i t h m
i n c o r p o r a t i n g
n o n - p r o p o r t i o n a l ,
bang-bang c o n t r o l i s
8 9 / 1 . 1 1 ; 1 0 2 / 3 8 2 ,
3 8 4 , 4 3 0 , 4 3 9 u s e d t o s t e e r
t h e
p r o j e c t i l e t o
t h e t a r g e t .
S e e a p p l i c a t i o n
? l e
f o r c o m p l e t e
s e a r c h
h i s t o r y .
1 3
C l a i m s ,
9
Drawing
S h e e t s
( . 1 0 0
112
110
102
\| I
A M m
I ::
-
8/11/2019 Small Caliber Guided Projectile
2/20
U S 7 , 7 8 1 , 7 0 9 B1
P a g e
2
3 , 9 7 7 , 6 2 9
4 , 1 5 3 , 2 2 4
4 , 3 1 8 , 5 1 5
4 , 4 0 7 , 4 6 5
4 , 4 3 1 , 1 4 7
4 , 4 3 1 , 1 5 0
4 , 5 3 7 , 3 7 1
4 , 5 5 4 , 8 7 1
4 , 5 6 1 , 3 5 7
4 , 5 6 5 , 3 4 0
4 , 5 6 8 , 0 4 0
4 , 7 8 3 , 3 8 2
4 , 9 4 1 , 6 2 7
4 , 9 7 8 , 0 8 8
5 , 0 4 8 , 7 7 2
5 , 0 8 5 , 3 8 0
5 , 0 8 8 , 6 5 8
5 , 1 3 9 , 2 1 6
5 , 4 3 0 , 4 4 9
U S .
PATENT DOCUMENTS
8 / 1 9 7 6
5 / 1 9 7 9
3 / 1 9 8 2
1 0 / 1 9 8 3
2 / 1 9 8 4
2 / 1 9 8 4
8 / 1 9 8 5
1 1 / 1 9 8 5
1 2 / 1 9 8 5
1 / 1 9 8 6
2 / 1 9 8 6
1 1 / 1 9 8 8
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1 2 / 1 9 9 0
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2 / 1 9 9 2
2 / 1 9 9 2
8 / 1 9 9 2
7 / 1 9 9 5
Tubeuf
R a m p o l l a e t a l .
Leek ....................... . 244/316
M e y e r h o f f
Paley
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
..
244/
.3
E p p e r s o n ,
J r .
LaWhorn
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a l .
Nixon
..................... .
244/319
Maudal
et a l .
. . 102/439
Bains ......................
. 244/328
MetZ
Benedick
e t
a l .
Moscrip . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 244/321
Himmert t a l .
Wisshaupt . . . . . . . . . . . . . . . ..
244/323
Barton
Forsmo
...................
.
244/321
L a r k i n
FraZho et
a l .
. . . . . . . . . . . . ..
244/315
5 , 4 8 0 , 1 1 1
5 , 5 9 3 , 1 1 0
5 , 7 7 5 , 6 3 6
5 , 7 8 8 , 1 7 8
6 , 2 3 7 , 4 9 6
6 , 2 8 3 , 4 0 7
6 , 4 2 2 , 5 0 7
6 , 4 6 7 , 7 2 2
6 , 4 7 4 , 5 9 3
6 , 4 7 4 , 5 9 4
6 , 5 4 8 , 7 9 4
6 , 5 6 5 , 0 3 6
7 , 2 5 5 , 3 0 4
7 , 3 5 4 , 0 1 7
A
1 / 1 9 9 6
Smith et
a 1 .
. . . . . . . . . . . . . .
.. 244/327
A 1 / 1 9 9 7 Ransom t a 1 . .. 244/323
A
7/1998
Vig t a 1 .
. . . . . . . . . . . . . . . . .
. .
244/324
A
8 / 1 9 9 8 B a r e t t , J r .
B1 *
5/2001 Abbott
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 102/384
B1 9 / 2 0 0 1 Hakenesch
B1
7 / 2 0 0 2
L i p e l e s
B1* 10/2 002 Berry
e t
a 1 .
. . . . . . . . . . . . . . . . 244/321
B1
1 1 / 2 0 0 2
L i p e l e s e t a 1 .
B1
*
1 1 / 2 0 0 2 Johnson et
a 1 . . . . . . . . . . . .. 244/324
B 4/2003 Facciano
e t
a l . 2 4 4 / 3 1
B1 *
5 / 2 0 0 3 Palathingal e t a 1 . . . . . . . . .
244/316
B2 8 / 2 0 0 7
E r i c s o n
e t
a l .
B2 4/2008 Morris e t
a l .
OTHER
PUBLICATIONS
G u i d o t t i , R . A . , A M i n i a t u r e S h o c k - A c t i v a t e d
T h e r m a l
B a t t e r y f o r
M u n i t i o n s
A p p l i c a t i o n s ,
S A N D 9 8 - 0 9 4 0 , S a n d i a C o r p o r a t i o n ,
P r i n t e d
A p r . 1 9 9 8 , a v a i l a b l e t h r o u g h O S T I .
*
c i t e d by
examiner
-
8/11/2019 Small Caliber Guided Projectile
3/20
US.
Patent A u g . 2 4 ,
2 0 1 0 S h e e t 1 0 1 9 U S
7 , 7 8 1 , 7 0 9
B1
100
r
/ 1 0 2
M M M
112
200
202
\
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V m
206 204
F i g u r e 2
-
8/11/2019 Small Caliber Guided Projectile
4/20
US.
Patent A u g . 2 4 ,
2 0 1 0 S h e e t 2 o f 9 U S
7 , 7 8 1 , 7 0 9
B1
300
250
/
/ 2 0 0
F i g u r e
3
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L 0 2
T u b e 0 p
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G a s c h e c k
p
End Vie w
F i g u r e
4
-
8/11/2019 Small Caliber Guided Projectile
5/20
U S . P a t e n t
m a x i m u m
n t e r n a l
t r s s s
k s i )
300
250
200
150
100
5 0
O
A u g . 2 4 ,
2 0 1 0
S h e e t 3 0 f 9 US
, 7 8 1 , 7 0 9 B1
4 1 4 2 ,
quenched
a n d
tempered
t
6 0 0 F
4 1 4 0 , o i l q u e n c h e d a n d
t e m p e r e d
a t 4 0 0 F
, Figure 5
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i 0 9 5 h o t r o l l e d : 1
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t h e o r y . . .
3 0 4
s t a i n l e s s , a n n e a l e d _____,...-
nun-?- octahedral shear
s t r e s s theory
0 . 2 5
0 . 2 0
0 . 1 5
0 . 1 0
0 . 0 5 0 . 0
W a l l t h i c kn e s s
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F i g u r e
6
-
8/11/2019 Small Caliber Guided Projectile
6/20
US.
Patent A u g . 2 4 ,
2 0 1 0 S h e e t 4 o f 9 U S
7 , 7 8 1 , 7 0 9
B1
F i g u r e
7
Turbulent r
Center
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Pressure
( % o f
L )
Mach
Number
1200
F i g u r e
8 7
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6 0 0 i r i R n
( 2 |
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/
\
G u i d e d
P r a j e c t i l e
e l o c i t ym / s )
R a n g e
( m )
-
8/11/2019 Small Caliber Guided Projectile
7/20
US.
Patent A u g . 2 4 ,
2 0 1 0 S h e e t
5
o f 9 U S
7 , 7 8 1 , 7 0 9
B1
100
108
b
114
////////
a
//////////
F i g u r e 9
-
8/11/2019 Small Caliber Guided Projectile
8/20
US.
Patent
A u g .
2 4 ,
2 0 1 0 S h e e t 6 o f 9 U S
7 , 7 8 1 , 7 0 9
B1
116a
/ 1 2 0 a
1 1 2 a 1 1 4
\
| \ \
1 2 4
1 2 2
/
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/ 1
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F i g u r e 1 0
116a 120a
/
1 1 2 a 1 1 4
\
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1 2 4 1 2 2
/
| | /
/
I l l / l l
/ /
1
1 1 6 b \
120b
F i g u r e
1 1
-
8/11/2019 Small Caliber Guided Projectile
9/20
US.
Patent A u g . 2 4 ,
2 0 1 0 S h e e t 7 o f 9 U S
7 , 7 8 1 , 7 0 9
B1
M i l d s t e e l s h e e t
M a g n e t i c
l u x
e n s i t y
Te s l a )
0 800 1600 2400 3200 4000 4800 5600
M a g n e t i c f i e l d i n t e n s i t y H
( A t / m
= a m p e r e - t u r n s / m e t e r )
F i g u r e 1 2
V e l o c i t y V e c t o r
H o r i z o n
4
V
T a r g e t
F i g u r e 1 3
-
8/11/2019 Small Caliber Guided Projectile
10/20
US.
Patent
A u g .
2 4 ,
2 0 1 0 S h e e t 8 o f 9 U S
7 , 7 8 1 , 7 0 9
B1
T r a j e c t o r y
S l m u l a t l o n
2 :2 2 4
1 . 4
. 2
. 8
. 6
. 4
. 2
Time ( s e c )
F i g u r e 1 4
p r o j e c t i l e
t a r g e t
F i g u r e 1 5
-
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11/20
U S . P a t e n t
112a
A u g . 2 4 ,
2 0 1 0
S h e e t 9 0 f 9 US
, 7 8 1 , 7 0 9 B1
116a
m
( l I I I l l I I I _
120a
I
/
( D
) I l l l l l l l l
|
/
16b ' 12Gb
F i g u r e
1 6
-
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12/20
U S
7 , 7 8 1 , 7 0 9 B1
1
SMALL CALIBER GUIDED PROJECTILE
RELATED
APPLICATIONS
T h i s
a p p l i c a t i o n
c l a i m s
t h e b e n e ? t o f U S . P r o v i s i o n a l
A p p l i c a t i o n
N o . 6 1 / 0 5 0 , 3 1 0
? l e d
o n
May , 2 0 0 8 , t h e e n t i r e t y
o f W h i c h
i s
h e r e i n i n c o r p o r a t e d b y
r e f e r e n c e .
STATEMENT REGARDING FEDERALLY
SPONSORED RESEARCH OR
DEVELOPMENT
The
U n i t e d
S t a t e s Government h a s c e r t a i n
r i g h t s i n t h i s
i n v e n t i o n
p u r s u a n t t o
D e p a r t m e n t o f E n e r g y
C o n t r a c t
N o .
DE-AC04-94AL85000
W i t h
S a n d i a C o r p o r a t i o n .
F I E L D OF THE INVENTION
T h e i n v e n t i o n
g e n e r a l l y r e l a t e s t o n o n - s p i n n i n g
p r o j e c t i l e s
( e . g .
b u l l e t s ) a d a p t e d
t o
b e
? r e d
f r o m s m o o t h b o r e g u n
b a r
r e l s , t h e p r o j e c t i l e s b e i n g
s e l f - g u i d e d
t o a t a r g e t i l l u m i n a t e d
b y
a l a s e r t a r g e t d e s i g n a t o r .
T h e i n v e n t i o n a d d i t i o n a l l y
r e l a t e s
t o
n o n - s p i n n i n g s m a l l c a l i b e r
p r o j e c t i l e s
h a v i n g a f o r W a r d
v i e W i n g
o p t i c a l s e n s o r ,
c o n t r o l
a n d
g u i d a n c e
e l e c t r o n i c s ,
?xed
s t r a k e s a n d
e l e c t r o m a g n e t i c a l l y a c t u a t e d
c o n t r o l ? n s f o r
s t e e r in g a
p r o j e c t i l e
t o W a r d s t h e t a r g e t .
BACKGROUND
OF THE INVENTION
S e l f g u i d e d p r o j e c t i l e s
( e . g . b u l l e t s )
a s c a n
b e
? r e d
f r o m
s m a l l c a l i b e r W e a p o n s
(eg
o n
t h e o r d e r o f ? f t y
( . 5 0 ) c a l i b e r )
a r e d e s i r e d t o i n c r e a s e t h e
a c c u r a c y o f
p l a c i n g t h e
p r o j e c t i l e
on a t a r g e t from
l o n g
r a n g e ( e g 2000
m e t e r s
and
b e y o n d ) .
L a s e r t a r g e t d e s i g n a t o r s h a v e b e e n u s e d t o
i l l u m i n a t e
( e . g .
d e s ig n a t e ) a
t a r g e t i n c o m b i n a t i o n W i t h o p t i c a l s e n s o r s ,
g u i d
a n c e e l e c t r o n i c s and o n t r o l s u r f a c e s W i t h i n
l a r g e r
p r o j e c t i l e s
s u c h a s m i s s i l e s , t o g u i d e t h e l a r g e r p r o j e c t i l e s t o t h e i r
t a r g e t s .
T o d a t e , t h e s e
s y s t e m s h a v e
b e e n i m p r a c t i c a l t o
r e a l i Z e
W i t h i n
t h e
s i Z e ,
W e i g h t , volume and c o s t c o n s t r a i n t s
o f
s m a l l arms
m u n i t i o n s .
E a r l i e r
a p p r o a c h e s
t o
i m p a r t i n g
g u i d a n c e
t o
s m a l l
c a l i b e r m u n i t i o n s i n c l u d e s p i n n i n g t h e p r o j e c t i l e ( o r p o r t i o n
t h e r e o f )
t o p r o v i d e
a e r o d y n a m i c s t a b i l i t y , W h i c h g r e a t l y
i n c r e a s e s t h e
c o m p l e x i t y o f
t h e
g u i d a n c e e l e c t r o n i c s a c t u a t
i n g c o n t r o l
s u r f a c e s ,
t i m e d
f o r
When t h e p r o j e c t i l e i s i n a
p r o p e r
o r i e n t a t i o n .
D e - s p i n n i n g
s e c t i o n s o r a p o r t i o n o f t h e
p r o j e c t i l e a g a i n a d d s
c o m p l e x i t y a n d c o s t t o
t h e
p r o j e c t i l e .
These e a r l i e r a p p r o a c h e s
c a n a l s o
i n v o l v e
t h e u s e o f d r a g
i n d u c i n g
c o n t r o l
s u r f a c e s Which
a r e
d i s a d v a n t a g e o u s
f r o m
t h e i r
p e n a l t y
o n t h e
p e r f o r m a n c e o f
t h e
p r o j e c t i l e (eg b y
r e d u c i n g p r o j e c t i l e v e l o c i t y
a n d r a n g e ) .
What s n e e d e d
a r e
g u i d e d
p r o j e c t i l e s s u i t a b l e f o r u s e i n s m a l l
c a l i b e r
m u n i t i o n s
t h a t
a c h i e v e a e r o d y n a m i c
s t a b i l i t y
W i t h o u t
t h e a d d e d
com
p l e x i t y a n d c o s t a s s o c i a t e d W i t h
s p i n n i n g
t h e p r o j e c t i l e ( o r
p o r t i o n t h e r e o f ) a r e
s t e e r e d b y l i f t
i n d u c i n g s u r f a c e s a s
o p p o s e d
t o
d r a g i n d u c i n g
s u r f a c e s ,
a n d
h a v e
t h e
r e q u i r e d
p o W e r ,
c o n t r o l a n d g u i d a n c e e l e c t r o n i c s , a n d a c t u a t o r s y s
tems
?tted Within a m o l d l i n e
a s
can be accommodated i n a
s m a l l c a l i b e r
p a c k a g e .
B R I E F
DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
T h e
a c c o m p a n y i n g
d r a W i n g s ,
W h i c h a r e
i n c o r p o r a t e d
i n
a n d f o r m p a r t o f t h e s p e c i ? ca t i o n , i l l u s t r a t e s e v e r a l e m b o d i
m e n t s o f h e p r e s e n t i n v e n t i o n a n d , t o g e t h e r W i t h t h e d e s c ri p
t i o n , s e r v e t o e x p l a i n t h e
p r i n c i p l e s
o f t h e
i n v e n t i o n .
The
d r a W i n g s p r o v i d e d
h e r e i n a r e n o t draWn
o s c a l e .
F I G . 1 i s a s c h e m a t i c b l o c k diagram
o f
an ex emplary
e m b o d i m e n t o f a
n o n - s p i n n i n g
g u i d e d p r o j e c t i l e
a c c o r d i n g t o
t h e
p r e s e n t
i n v e n t i o n .
2 0
25
3 0
35
4 0
4 5
5 0
55
6 5
2
FIG. 2 i s a
s c h e m a t i c
block diagram of
an
embodiment of
a s a b o t a s can
be
u t i l i Z e d i n a n o n - s p i n n i n g guided r o j e c t i l e
a c c o r d i n g
t o t h e
p r e s e n t
i n v e n t i o n .
FIG.
3
i s
a
s c h e m a t i c c r o s s - s e c t i o n a l
diagram of an
embodiment
o f
a n o n - s p i n n i n g
g u i d e d p r o j e c t i l e
a n d
s a b o t
o f
t h e
p r e s e n t i n v e n t i o n ,
assembled i n t o a
. 5 0 c a l i b e r
s h e l l c a s
i n g .
F I G .
4 i s a s c h e m a t i c b l o c k diagram o f a h o l l o W
p o r t i o n
o f
a g u i d e d p r o j e c t i l e s b o d y a c c o r d i n g t o t h e p r e s e n t i n v e n t i o n ,
a n d
t h e
s t r e s s e s upon
? r i n g
a c t i n g t h e r e o n .
F I G .
5
i s
a g r a p h i c a l p r e s e n t a t i o n
o f
t h e
r e s u l t s of s t r u c
t u r a l
s t r e s s
a n a l y s i s f o r
e m b o d i m e n t s
o f g u i d e d p r o j e c t i l e s
a c c o r d i n g
t o t h e p r e s e n t i n v e n t i o n .
FIG. 6 i s a
s c h e m a t i c
block diagram of a c o n t r o l
? n and
s h a f t
c o n ? g u r a t i o n
a s can e used i n embodiments o f g u i d e d
p r o j e c t i l e s a c c o r d i n g t o
t h e
p r e s e n t i n v e n t i o n .
F I G . 7
i s
a
g r a p h i c a l p r e s e n t a t i o n
o f a n a e r o d y n a m i c a n a l y
s i s
o f
an embodiment
o f
a
g u i d e d p r o j e c t i l e a c c o r d i n g t o
t h e
p r e s e n t i n v e n t i o n .
F I G .
8
i s
a g r a p h i c a l p r e s e n t a t i o n o f
a n o t h e r a e r o d y n a m i c
a n a l y s i s
o f
a n
embodiment
o f a g u i d e d p r o j e c t i l e a c c o r d i n g t o
t h e
p r e s e n t
i n v e n t i o n .
F I G . 9
i s
a
c r o s s - s e c t i o n a l
s c h e m a t i c
diagram
of
h e a c t u a
t o r s e c t i o n
of an exemplary embodiment of
h e
i n v e n t i o n .
FIGS. 1 0 and 1 1
a r e
s c h e m a t i c b l o c k diagram i l l u s t r a t i o n s
of
an embodiment
of
an
l e c t r o m a g n e t i c a c t u a t o r
and
c o n t r o l
?n a s s e m b l y a c c o r d i n g t o t h e i n v e n t i o n .
F I G . 1 2 i s a g r a p h i c a l p r e s e n t a t i o n o f r e s u l t s f o r an e l e c
t r o m a g n e t i c a n a l y s i s of an embodiment f an
c t u a t o r
a c c o r d
i n g t o
t h e p r e s e n t
i n v e n t i o n .
FIG. 1 3 i s a
s c h e m a t i c
b l o c k diagram of
an
embodiment of
a g u i d a n c e
a l g o r i t h m f o r g u i d e d
p r o j e c t i l e s
a c c o r d i n g t o
t h e
p r e s e n t i n v e n t i o n .
F I G . 1 4
i s
a g r a p h i c a l p r e s e n t a t i o n
o f a n
a n a l y s i s o f t h e
t r a j e c t o r y
o f
a n embodiment
o f
a g u i d e d p r o j e c t i l e a c c o r d i n g
t o
t h e p r e s e n t
i n v e n t i o n .
FIG. 15 s a
s c h e m a t i c
i l l u s t r a t i o n
of
i g h t
r e ? e c t e d
o f f of
t a r g e t
from
a
l a s e r t a r g e t
d e s i g n a t o r
a s
r e c e i v e d
by
a n
o p t i c a l
s e n s o r i n
a
g u i d e d p r o j e c t i l e
a c c o r d i n g
t o
embodiments
o f h e
p r e s e n t
i n v e n t i o n .
F I G . 1 6
i s a s c h e m a t i c
b l o c k diagram l l u s t r a t i o n
o f n o t h e r
embodiment of an
e l e c t r o m a g n e t i c
a c t u a t o r and
c o n t r o l ?n
a s s e m b l y a c c o r d i n g
t o
t h e
i n v e n t i o n .
DETAILED
DESCRIPTION
OF THE INVENTION
While e x e m p l a r y embodiments
o f
t h e i n v e n t i o n a r e
d e s c r i b e d
i n
t e r m s o f
a p r o j e c t i l e s u i t a b l e
f o r i n c o r p o r a t i o n
i n t o
. 5 0 c a l i b e r
m u n i t i o n s , embodiments o f h e p r e s e n t i n v e n
t i o n a r e n o t
l i m i t e d t o
t h i s
s p e c i ? c c a l i b e r .
The
f o l l o W i n g US
P a t e n t s a r e
h e r e b y
i n c o r p o r a t e d
b y r e f e r e n c e , i n
t h e i r
e n t i r e t y
i n t o t h e
p r e s e n t d i s c l o s u r e :
U S .
P a t . N o s .
6 , 4 7 4 , 5 9 3
a n d
6 , 4 2 2 , 5 0 7 t o
L i p e l e s
e t
a l . ,
US.
a t . N o . 5 , 7 8 8 , 1 7 8
t o
B a r r e t t ,
J r . , and U S .
a t .
N o .
4 , 4 0 7 , 4 6 5
t o M e y e r h o f f . I n t h e e v e n t
o f
an
i n c o n s i s t e n c y i n t h e d i s c l o su r e s
o f
t h e
a b o v e l i s t e d r e f e r
e n c e s and
t h e p r e s e n t d i s c l o s u r e , t h e t e x t
o f
t h e p r e s e n t d i s
c l o s u r e s h a l l
g o v e r n .
S m a l l c a l i b e r p r o j e c t i l e s a r e t y p i c a l l y
s p u n
a t
v e r y
h i g h
r a t e s t o p r o v i d e
a e r o d y n a m i c s t a b i l i t y
t o t h e
p r o j e c t i l e
d u r i n g
? i g h t . S p i n n i n g o f t h e s e p r o j e c t i l e s i s
c a u s e d
b y t h e i n t e r a c
t i o n o f
t h e
body o f
t h e p r o j e c t i l e
W i t h
t h e r i ? e d i n t e r n a l
s u r f a c e
o f
a
t y p i c a l gun b a r r e l . A y p i c a l . 5 0 c a l i b e r
b u l l e t
r o t a t e s a p p r o x i m a t e l y 2400 e v /
s e c upon x i t i n g
a gun a r r e l ,
Which
c o u l d g e n e r a t e i n e x c e s s o f 1 0 0 , 0 0 0 g s o f c e n t r i p e t a l
a c c e l e r a t i o n .
I n
o r d e r t o s i m p l i f y
t h e c o n t r o l s y s t e m a n d
f a c i l i t a t e
m e c h a n i c a l i n t e g r i t y
o f s e l f - g u i d e d p r o j e c t i l e s , t h e
p r o j e c t i l e s of t h e
p r e s e n t i n v e n t i o n
a r e
i n t e n d e d
t o be
non
-
8/11/2019 Small Caliber Guided Projectile
13/20
U S
7 , 7 8 1 , 7 0 9 B1
3
s p i n n i n g ( i . e .
n o n - s p u n )
and a r e i n t e n d e d
t o be
? r e d from
a
smooth
o r e
gun
a r r e l . A
ominal s p i n
r a t e o f
a
feW r e v o l u
t i o n s p e r
second can be
e x p e c t e d due
t o
v a r i a b i l i t i e s i n e n v i
r o n m e n t a l v a r i a b l e s
and t h e
m a n u f a c t u r e
o f p r o j e c t i l e s and
b a r r e l s .
F o r t h e
p u r p o s e
o f t h e p r e s e n t d i s cl o s u r e t h e t e r m
n o n - s p i n n i n g p r o j e c t i l e
r e f e r s
t o
a
p r o j e c t i l e
t h a t
d o e s n o t
r e q u i r e o r
u t i l i Z e
s p i n n i n g t o a c h i e v e
a e r o d y n a m i c s t a b i l i t y ,
and i s
i n t e n d e d t o be
?red from
a smooth
b o r e
b a r r e l . A
nominal s p i n
r a t e
( e g o n
t h e o r d e r
of
feW r e v o l u t i o n s p e r
s e c o n d ) o f
a
n o n - s p i n n i n g
p r o j e c t i l e
may
o c c u r d u e t o
u n c o n t r o l l a b l e e n v i r o n m e n t a l a n d m a n u f a c t u r i n g f a c t o r s .
W i t h o u t
s p i n
s t a b i l i z a t i o n ,
t h e
p r i n c i p l e s o f p a s s i v e a e r o
d y n a m i c s t a b i l i t y a r e
e m p l o y e d
t o m a i n t a i n c o n t r o l l e d ? i g h t
o f
p r o j e c t i l e s a c c o r d i n g t o
t h e
p r e s e n t i n v e n t i o n . T h e s e
i n c l u d e ; moving
t h e c e n t e r
o f
g r a v i t y
f o r W a r d
i n t h e u n - s p u n
p r o j e c t i l e body a s
o p p o s e d
t o
a
t y p i c a l . 5 0 c a l i b e r
s p i n n i n g
p r o j e c t i l e W h e r e i n
t h e
c e n t e r o f
g r a v i t y
i s t o W a r d
t h e
r e a r o f
t h e
b o d y , d e s i g n i n g
t h e
p r o j e c t i l e
s o
a s t o e n s u r e
t h e a e r o d y
namic c e n t e r o f r e s s u r e
i s
a f t o f t h e c e n t e r o f r a v i t y , l e n g t h
e n i n g
t h e
b o d y o f
t h e
p r o j e c t i l e
a n d ,
a d d i n g ? x e d
? n s
( e . g .
? x e d s t r a k e s )
a l o n g
a l e n g t h o f t h e p r o j e c t i l e b o d y . L o n g e r
p r o j e c t i l e s
a r e p r a c t i c a l W i t h i n
t h e
b o u n d s
o f
t y p i c a l . 5 0 c a l i
b e r
c a r t r i d g e s .
For an
embodiment
s
d e s c r i b e d
i n
t h e
f o l l o W
i n g
e x a m p l e s
a n d a n a l y s e s ,
a
p r o j e c t i l e n o m i n a l l y
4
i n c h e s i n
l e n g t h Was s e l e c t e d
Which i l l e a s i l y
? t W i t h i n a s t a n d a r d
. 5 0
c a l i b e r c a r t r i d g e s
5 . 4 5
i n c h o v e r a l l l e n g t h
( e . g .
s t a n d a r d . 5 0
c a l i b e r B M G a r t r i d g e ) .
F I G . 1 i s a s c h e m a t i c block
diagram
of an embodiment of
a
n o n - s p i n n i n g
s e l f - g u i d e d
p r o j e c t i l e
a c c o r d i n g
t o
t h e
p r e s e n t
i n v e n t i o n .
P r o j e c t i l e
1 0 0
c o m p r i s e s
a
f o r W a r d l o o k i n g o p t i c a l
s e n s o r
1 0 2 d i s p o s e d i n t h e
n o s e o f
t h e p r o j e c t i l e f o r d e t e c t i n g
l i g h t
r e ? e c t e d
f r o m a
t a r g e t
i l l u m i n a t e d by a
l a s e r t a r g e t
d e s i g n a t o r
a s i s kn oWn i n t h e a r t .
A
o u n t e r b a l a n c e mass
104
l o c a t e d i n a f o r W a r d s e c t i o n o f h e p r o j e c t i l e 100 c a n c o m p r i s e
f o r e x a m p l e ,
a
h i g h d e n s i t y m e t a l s u c h
a s
t u n g s t e n o r d e p l e t e d
u r a n i u m .
I n t h e c o n t e x t o f t h e p r e s e n t d i s c l o s u r e a
h i g h
den
s i t y m e t a l r e f e r s
t o
m e t a l s h a v i n g a d e n s i t y g r e a t e r
t h a n
t h a t o f
i r o n .
On e
f u n c t i o n
of
h e
counterbalance
mass 104
s
t o
cause
t h e
c e n t e r o f
g r a v i t y Cg o f t h e
p r o j e c t i l e 100 t o o c c u r
a t a
l o c a t i o n
f o r W a r d o f
t h e
c e n t e r o f a e r o d y n a m i c p r e s s u r e
C F
a l o n g
t h e
l e n g t h o f
t h e
p r o j e c t i l e .
As d e s c r i b e d b e l o W ,
t h i s
c o n ? g u r a t i o n
i m p a r t s
a
d e g r e e o f
p a s s i v e
a e r o d y n a m i c s t a
b i l i t y t o t h e p r o j e c t i l e . F o r some
embodiments
o f
t h e
i n v e n
t i o n , i t h a s b e e n
f o u n d
t h a t e x e m p l a r y l o c a t i o n s f o r t h e c e n t e r
of g r a v i t y of a
p r o j e c t i l e
can
occur
W i t h i n a
range
of from
a p p r o x i m a t e l y
30% o 4 0% o f t h e
l e n g t h o f
t h e p r o j e c t i l e , a s
m e a s u r e d f r o m t h e f o r W a r d
i p o f
h e p r o j e c t i l e t o W a r d s t h e
a f t
e n d
o f t h e p r o j e c t i l e .
A u i d a n c e and
c o n t r o l
e l e c t r o n i c s
module
106
c a n
be
l o c a t e d
i n
t h e mid-body o f t h e p r o j e c t i l e and a n a c t u a t o r
module
108
i n c o r p o r a t i n g
e l e c t r o m a g n e t i c a c t u a t o r s t o con
t r o l t h e
movement of c o n t r o l ?ns 112 f o r s t e e r i n g ,
can be
l o c a t e d i n t h e
r e a r
p o r t i o n o f t h e p r o j e c t i l e .
G u i d a n c e
and
c o n t r o l e l e c t r o n i c s module
106
and
a c t u a t o r
module
108 can
b e
c o n t a i n e d
W i t h i n
a
h o l l o W c y l i n d e r ( e . g . t u b e )
t h a t
f o r m s
a
p o r t i o n
o f t h e
body
o f t h e
p r o j e c t i l e 1 0 0 .
C o n t r o l ? n s 1 1 2 c a n
b e mounted t o W a r d s
t h e a f t
end o f
t h e p r o j e c t i l e t o i n c r e a s e
t h e i r
e f f e c t i v e n e s s , b y c r e a t i n g a l a r g e r
moment
e . g . l e v e r
a g e )
a b o u t
t h e
p r o j e c t i l e s
c e n t e r
o f m a s s . R o t a t i o n
o f t h e
c o n t r o l ? n s
112
c a u s e s l i f t t o
be i m p a r t e d t o
t h e p r o j e c t i l e
b o d y ,
i n c o n t r a s t t o t h e u t i l i Z a t i o n o f d r a g i n d u c i n g c o n t r o l
s u r f a c e s .
F i x e d
s t r a k e s 1 1 0 l o c a t e d a d j a c e n t t o and o r W a r d
o f
t h e
c o n t r o l
? n s 1 1 2
e x t e n d
a l o n g t h e t a p e r e d p r o ? l e o f t h e
p r o j e c t i l e body
a n d
s e r v e t o i m p a r t
a n a d d i t i o n a l
d e g r e e
o f
p a s s i v e a e r o d y n a m i c s t a b i l i t y t o t h e p r o j e c t i l e . An x a m p l e o f
t h e
o p e r a t i o n o f
h e
p r o j e c t i l e
1 0 0 i s f o r t h e o p t i c a l s e n s o r 1 0 2
i n c o mb i n a t i o n W i t h t h e g u i d a n c e a n d c o n t r o l
e l e c t r o n i c s
2 0
25
3 0
35
4 0
4 5
5 0
55
60
6 5
4
module 1 0 6 t o d e t e r m i n e
t h e
o r i e n t a t i o n o f
h e p r o j e c t i l e
W i t h
r e s p e c t t o a l a s e r - d e s i g n a t e d
t a r g e t . T h a t i n f o r m a t i o n i s
u t i
l i Z e d
W i t h i n
t h e g u i d a n c e
a n d
c o n t r o l module 1 0 6 t o
g e n e r a t e
command ( e . g .
d r i v e )
s i g n a l s f o r t h e a c t u a t o r s W i t h i n t h e
a c t u a t o r
module
1 0 8 .
The c t u a t o r s
d r i v e t h e c o n t r ol
? n s
1 1 2 ,
c o r r e c t i n g t h e
p r o j e c t i l e s a t t i t u d e
a n d s t e e r i n g i t t o W a r d t h e
t a r g e t .
I n embodiments o f t h e
i n v e n t i o n ,
t h i s o p e r a t i o n c a n b e
r e p e a t e d a p p r o x i m a t e l y 3 0 t i m e s p e r s e c o n d , W h i c h r e s u l t s i n
a p r o j e c t i l e s u i t a b l e f o r u s e a g a i n s t moving o r s t a t i o n a r y
t a r g e t s .
FIG. 2 i s a
s c h e m a t i c
block
diagram
of
an
embodiment of
a
s a b o t
a s
can be
u t i l i Z e d i n
c o n j u n c t i o n With
a
non-spinning
g u i d e d p r o j e c t i l e a c c o r d i n g
t o
t h e p r e s e n t i n v e n t i o n . Embodi
m e n t s o f
t h e p r e s e n t i n v e n t i o n
( s u c h a s
i l l u s t r a t e d i n
F I G .
1 )
i n c o r p o r a t e c o n t r o l ? n s 1 1 2
a n d
s t r a k e s 1 1 0
t h a t e x t e n d
from
t h e
t a p e r e d
p r o ? l e
o f
h e
p r o j e c t i l e
b o d y
t h e r e b y n o t
r e q u i r i n g
p o s t - ? r i n g
deployment o r e x t e n s i o n o f c o n t r o l ? n s
o r
s t r a k e s
f r o m W i t h i n t h e b o d y o f t h e p r o j e c t i l e 1 0 0 . T h i s
g r e a t l y
r e d u c e s t h e c o m p l e x i t y , c o s t , s i Z e a n d W e i g h t o f t h e a c t u a t o r
mechanisms W i t h i n module 1 0 8 , Which n t e r a l i a , a l l o W s ? t
t i n g o f t h e s e
a s s e m b l i e s
W i t h i n t h e body o f a s m a l l
c a l i b e r
m u n i t i o n . S a b o t 200 c o m p r i s e s a s l e e v e 202 o f m a t e r i a l t h a t
s u r r o u n d s
a t
l e a s t
a p o r t i o n
of
t h e
p r o j e c t i l e
and
can
be
a s s e m b l e d
W i t h
t h e p r o j e c t i l e i n t o a c a r t r i d g e . S a b o t
2 0 2
c r e a t e s a smooth x t e r i o r
mold i n e
f o r t h e
p r o j e c t i l e body
by
? l l i n g i n t h e s p a c e a r o u n d c o n t r o l ? n s 1 1 2 and
s t r a k e s
1 1 0 ,
p r e s e n t i n g a u n i f o r m s u r f a c e t o t h e gun a r r e l ,
t h e r e b y p r o
t e c t i n g ? n s
1 1 2 a n d
s t r a k e s
1 1 0 f r o m
damage
upon ? r i n g .
S a b o t 2 0 0
i s s e p a r a t e d
a n d
d i s c a r d e d f r o m t h e
p r o j e c t i l e upon
? r i n g and can be f a b r i c a t e d from m a t e r i a l s
s u c h
a s h i g h
s e r v i c e t e m p e r a t u r e
p o l y m e r s
( e . g . p o l y i m i d e b a s e d p o l y
m e r s )
o r m e t a l s , a n d
c a n c o m p r i s e s e v e r a l s l i t s
2 0 4
a l o n g t h e
l e n g t h o f t h e s a b o t
2 0 0
t o
f a c i l i t a t e
s e p a r a t i o n o f t h e s a b o t
from t h e p r o j e c t i l e upon
e x i t
from a gun
b a r r e l .
I n s om e
embodiments o f t h e s a b o t
200
m a n u f a c t u r e d
from
a polymer
m a t e r i a l ,
an
end c a p 206 made o f a m e t a l ( e . g . b r a s s , c o p p e r
o r
aluminum)
can be
i n c l u d e d
t o o p t i m i Z e
t h e
t r a n s f e r of
e n e r g y
o f
t h e
e x p a n d i n g
g a s e s
from
? r i n g
t o
t h e
f o r W a r d
m o t i o n
o f t h e
p r o j e c t i l e
1 0 0 .
FIG. 3 i s a s c h e m a t i c c r o s s - s e c t i o n a l
diagram
of an
embodiment
o f
a n o n - s p i n n i n g
g u i d e d p r o j e c t i l e
a n d s a b o t
o f
t h e p r e s e n t i n v e n t i o n ,
assembled
W i t h a . 50 c a l i b e r
s h e l l
c a s
i n g . T h e c a r t r i d g e a s s e m b l y 3 0 0
c o m p r i s e s
p r o j e c t i l e 1 0 0
i n s e r t e d i n s a b o t 200 Which
s
i n t u r n i n s e r t e d i n s h e l l c a s i n g
2 5 0 . S h e l l c a s i n g 250 i n t h i s example i s
i l l u s t r a t i v e
o f
a
s t a n d a r d
. 5 0
c a l i b e r
BMG
a s i n g .
The v o i d a r e a around
and
b e h i n d s a b o t
2 0 0 Would t y p i c a l l y c o n t a i n t h e
p r o p e l l a n t
c h a r g e t o ? r e t h e
m u n i t i o n .
The f o l l o W i n g d i s c l o s u r e
d e t a i l s
t h e
v a r i o u s e l e m e n t s
o f
e m b o d i m e n t s
o f o n - s p i n n i n g
s e l f - g u i d e d
p r o j e c t i l e s a c c o r d
i n g t o t h e p r e s e n t i n v e n t i o n , a n d a n a l y s e s
o f
t h e s e
e l e m e n t s
p e r f o r m e d
u s i n g
c o m m o n l y k n o W n
m e c h a n i c a l
d e s i g n
a n d
s i m u l a t i o n
c o d e s . F o r
e x a m p l e ; M i s s i l e
Datcom a n d
TAOS c o d e s
( s e e
S a l g u e r o , D .
E .
T r a j e c t o r y
A n a l y s i s
a n d
O p t i m i z a t i o n S y s t e m ( T A O S ) U s e r s M a n u a l , SAND95
1 6 5 2 ,
S a n d i a
N a t i o n a l L a b o r a t o r i e s ,
p r i n t e d D e c e m b e r
1 9 9 5 ,
a v a i l a b l e t h r o u g h
O S T I .
C o n s i d e r i n g
a p r o j e c t i l e a s
i l l u s t r a t e d
i n
F I G .
1 , t h e s t r u c
t u r e
o f t h e p r o j e c t i l e
i s
d e s i g n e d t o W i t h s t a n d a n e x p e c t e d
1 2 0 , 0 0 0
g s o f
a c c e l e r a t i o n
a n d 5 0 , 0 0 0 p s i o f p r e s s u r e d u e t o
e x p a n d i n g
g a s e s W it h i n t h e
b a r r e l
d u r i n g
? r i n g . The r e a r
o f
t h e
p r o j e c t i l e
i s
r e l a t i v e l y s m a l l
a n d
t h u s s t r u c t u r a l l y
W e l l
s u p p o r t e d .
The n o s e o f
t h e p r o j e c t i l e
c a n c o m p r i s e
a s l u g
o f
h i g h
d e n s i t y m e t a l
( e . g .
t u n g s t e n )
W i t h
s p a c e
i n t h e
n o s e o f h e
s l u g f o r a n o p t i c a l s e n s o r .
The
most v u l n e r a b l e
p a r t
o f
t h e
s t r u c t u r e
i s
p r e s u m a b l y
t h e
c y l i n d r i c a l
s i d e W a l l s o f t h e main
p r o j e c t i l e
b o d y
( e . g . c o n t r o l a n d g u i d a n c e s e c t i o n 1 0 6 a n d
-
8/11/2019 Small Caliber Guided Projectile
14/20
U S
7 , 7 8 1 , 7 0 9 B1
5
a c t u a t o r s e c t i on 1 0 8 ) and h e a x l e s o n t o Which h e c o n t r ol ?ns
1 1 2
a r e m o u n t e d .
The o l l o w i n g
a n a l y s i s i n d i c a t e s t h a t
v a l u e s
o f 0 . 0 5 0 t h i c k si d e W a l l s
and
0 . 0 2 5 d i a m e t e r c o n t r o l ?n
a x l e s
a l l o W f o r a m p l e s t r u c t u r a l s t r e n g t h u s i n g r e a d i l y a v a i l
a b l e
e n g i n e e r i n g s t e e l s .
The
p u r p o s e
o f h i s
a n a l y s i s
i s t o d e t e r m i n e d e s i g n param
e t e r s
f o r t h e h o l l o W g u i d a n c e
a n d
a c t u a t o r s e c t i o n ( s ) o f t h e
g u i d e d
p r o j e c t i l e
t o
W i t h s t a n d
t h e
e x p e c t e d
c h a m b e r p r e s s u r e .
The
c o n ? g u r a t i o n
i s d e p i c t e d i n
F I G .
4 , W h e r e i n t h e h o l l o W
p o r t i o n 4 0 0 o f a
p r o j e c t i l e
b o d y
i s
r e p r e s e n t e d b y a
c y l i n d e r
4 0 2
a n d
g a s c h e c k
4 0 4
(eg
e n d
c a p ) . T h e a n a l y s i s i s s i m p l i
?e d t o
c o n s i s t o f
one end of
holloW tube With a
g a s check
Which
s s u r r o u n d e d
by
h e chamber r e s s u r e p . The
o t h e r
e n d o f h e t u b e
i s e x p o s e d
t o
a t m o s p h e r i c p r e s
s u r e
making
h e
i n s i d e
p r e s s u r e
e f f e c t i v e l y Z e r o
p r e s s u r e .
Note t h a t t h e
g a s
c h e c k
i s
shoWn s e p a r a t e d f r o m t u b e f o r c l a r i t y b u t When
a s s e m b l e d Would
form a
g a s t i g h t s e a l
a g a i n s t
o n e end o f
t h e
t u b e .
R a d i a l s t r e s s i n t h e t u b e W a l l i s g i v e n b y :
Where:
o , : r a d i a l
s t r e s s
p i : i n t e m a l
p r e s s u r e
p 0 : e x t e m a l p r e s s u r e
a I i n n e r
r a d i u s o f t u b e
b : o u t e r r a d i u s o f t u b e
Fradius of
t r e s s
c a l c u l a t i o n
The
n t e r n a l
p r e s s u r e
i s
assumed
o
be
e r o
and
h e e x t e r n a l
p r e s s u r e i s assumed o be a
f r a c t i o n
of h e chamber r e s s u r e ,
prpmaxxC, Where
C s
a r e d u c t i o n
f a c t o r . S e v e r a l
f a c t o r s
cause
t h e
W a l l s of
t h e p r o j e c t i l e t o s e e a
p r e s s u r e t h a t i s
r e d u c e d r e l a t i v e
t o
t h a t
measured i n t h e
c h a m b e r .
F l u i d i c
f a c t o r s : The s m a l l
g a p betWeen
h e b a s e o f
t h e
p r o j e c t i l e
and
t h e
b a r r e l W a l l
r e s t r i c t s
g a s ? o W a r o u n d
t h e
p r o j e c t i l e , r e d u c
i n g p r e s s u r e s
from
t h o s e s e e n
b e h i n d
t h e p r o j e c t i l e . T h i s i s
e s p e c i a l l y t r u e i n
a
smooth-bore Weapon, a s i s planned
f o r
? r i n g embodiments o f t h e p r e s e n t
i n v e n t i o n .
I n
a d d i t i o n , a s
t h e
p r o j e c t i l e t a p e r s t o W a r d i t s t i p ,
t h e
g a p
b e t W e e n t h e p r o
j e c t i l e
a n d
t h e b o r e W a l l
i n c r e a s e s ,
a l l o W i n g g a s e s t h a t
Would
otherWise
e x e r t p r e s s u r e o n h e s i d e W a l l s t o
vent
ahead
of
h e
p r o j e c t i l e .
M e c h a n i c a l
f a c t o r s : The
i n t e r n a l
volume
o f t h e
p r o j e c t i l e
body
can be
? l l e d
W i t h an
epoxy
o r e l a s t o m e r i c
m a t e r i a l , a s i n
p o t t i n g
o f
t h e
i n t e r n a l e l e c t r o n i c s , c a p a b l e o f
s u p p o r t i n g
a s s t r e s s a s g r e a t a s
10 ks i.
This can
reduce
t h e
r a d i a l
and a n g e n t i a l s t r e s s e s on
h e W a l l .
The s a b o t
s u r r o u n d
i n g
t h e p r o j e c t i l e may
a l s o r e l i e v e some f r a c t i o n o f
t h e p r e s
s u r e
a p p l i e d .
I n i t i a l i n v e s t i g a t i o n s s u g g e s t
t h a t a
r e d u c t i o n f a c t o r o f
C:0. 25 r e s u l t s i n
a
c o n se r v a t i v e e s t i m a t e
of t h e s i d e W a l l
p r e s s u r e . Numerical c a l c u l a t i o n
of
s t r e s s e s a c r o s s
t h e t h i c k
n e s s
o f h e
W a l l
i n d i c a t e s
p e r h a p s c o u n t e r - i n t u i t i v e l y , t h a t t h e
h i g h e s t i n t e r n a l s t r e s s e s o c c u r a t t h e i n t e r n a l s u r f a c e o f t h e
c y l i n d r i c a l
c h a m b e r
W a l l .
I n t h i s c a s e ( E q n . 1 ) b e c o m e s ;
0 , : 0 .
( E q n .
2 )
2 0
25
3 0
35
4 0
4 5
5 0
55
60
6 5
6
T a n g e n t i a l s t r e s s
( o t )
i s
g i v e n
b y ;
A p p l y i n g
t h e
same
a s s u m p t i o n s
a s
f o r
r a d i a l s t r e s s
( E q n .
3 )
b e c o m e s ;
p b 2 a z b z p / r 2 ( E q n - 4 )
U
=
Thus
t h e
t a n g e n t i a l
s t r e s s a t t h e i n t e r n a l W a l l i s ;
_ 2 b 2
( E q n .
5 )
U : b2-a2p'
To c a l c u l a t e t h e a x i a l
s t r e s s
( 0 1 ) ,
We
i l l assume h a t a g a s
check
t r a n s f e r s
t h e f o r c e
due
t o
t h e
chamber
p r e s s u r e
t o
t h e
e n d
o f t h e t u b e . The f o r c e a p p l i e d t o t h e g a s c h e c k i s ;
F : T | b 2 p .
( E q n .
6 )
T h u s , a x i a l
s t r e s s may b e c a l c u l a t e d
b y
d i v i d in g t h e
a p p l i e d
f o r c e by h e c r o s s - se c t i o n a l a r e a o f h e
t u b e W a l l a n d
a p p l y i n g
t h e s i g n c o n v e n t i o n
p o s i t i v e
t e n s i o n ;
By
h e
maximum h e a r - s t r e s s
t h e o r y ,
t h e y i e l d
s t r e n g t h o f
t h e m a t e r i a l u s e d must e
g r e a t e r
t h a n t h e l a r g e s t
d i f f e r e n c e i n
normal
s t r e s s e s .
I n t h i s c a s e f a i l u r e i s a v o i d e d When;
A ore
re?ned
e s t i m a t e can be made
s i n g
o c t a h e d r a l s h e a r
s t r e s s t h e o r y ( a . k . a . d i s t o r t i o n
e n e r g y
o r von
M i s e s - H i n c k e y
t h e o r y ) .
I n
t h i s
c a s e
f a i l u r e
i s
a v o i d e d
When;
y 2
Which
r e d u c e s
t o ;
b z p ( E q n . 1 1 )
S y > \Em.
-
8/11/2019 Small Caliber Guided Projectile
15/20
U S
7 , 7 8 1 , 7 0 9 B1
7
The
computed
e s u l t s a r e d i s p l a y e d
g r a p h i c a l l y
i n F I G . 5
a n d
compared
W i t h
t h e y i e l d s t r e s s
o f s e v e r a l s t e e l s . The
computed
maximum n t e r n a l s t r e s s e s i n p r o j e c t i l e s t r u c t u r e s
a s a
f u n c t i o n of
i d e W a l l t h i c k n e s s i s shoWn
c c o r d i n g
t o
both
t h e
m a x i m u m
s h e a r s t r e s s
t h e o r y and
t h e o c t a h e d r a l
s h e a r
s t r e s s
t h e o r y . The i e l d s t r e s s e s o f v a r i o u s
s t e e l s
a r e shoWn n
comparison. T he W a l l t h i c k n e s s of 0.050 Was s e l e c t e d
a s a
s t a r t i n g p o i n t f o r t h e o t h e r a n a l y s e s d e s c r i b e d
i n
t h i s
d o c u
m e n t . The ? g u r e s h o W s t h a t t h e m a t e r i a l s l i s t e d , W i t h t h e
p o s s i b l e e x c e p t i o n o f
a n n e a l e d
3 0 4 s t a i n l e s s s t e e l ,
c o u l d
b e
used t o
b u i l d
a p r o j e c t i l e
s t r u c t u r e
With
0 . 0 5 0
s i d e W a l l s
c a p a b l e o f
W i t h s t a n d i n g
t h e p r e s s u r e s e x p e r i e n c e d
d u r i n g
? r i n g .
V a l u e s
f o r
t h e y i e l d s t r e s s o f t h e v a r i o u s s t e e l s shoWn
a r e
a d o p t e d
from
commonly
a v a i l a b l e r e s o u r c e s .
The f o l l o W i n g a n a l y s i s Was c o n d u c t e d
t o
d e t e r m i n e d e s i g n
p a r a m e t e r s
f o r a r o b u s t
c o n t r o l
? n - s h a f t
a s s e m b l y . F I G .
6
i l l u s t r a t e s p l a n a n d e d g e
v i e W s o f
a c o n t r o l ?n a s s e m b l y
comprising c o n t r o l ? n mounted
o n
a
r o t a t a b l e
s h a f t
6 0 4 .
Assuming
h a t t h e c o n t r o l
?n n d
t h e s h a f t
may e
f a b r i c a t e d
f r o m
i f f e r e n t m a t e r i a l s ,
t h e
m a s s o f
h e
a s s e m b l y i s g i v e n
b y ;
m I p f I / ? p S V S . ( E q n . 1 2 )
Where
p i s
d e n s i t y ,
V s v o l u m e , a n d
t h e
s u b s c r i p t s
f
and
s
r e f e r
t o t h e ?n
a n d
t h e
s h a f t r e s p e c t i v e l y .
S u b s t i t u t i n g g e o
m e t r i c p a r a m e t e r s
f o r t h e
?n n d
s h a f t
g e o m e t r i e s
i n t o
( E q n .
1 2 ) y i e l d s ;
7 r
2
7 r d 2
( E q n -
1 3 )
=
d
S h S h.
m
p f c
f 4 + p ; 4
Th e
s t r e s s
i n t h e s h a f t may be W r i t t e n a s ;
M ( E q n . 1 4 )
0
=
1
S i n c e t h e s h a f t i s
r o u n d ;
n d ? ( E q n - 1 5 )
1
=
64
Th e maximum
t r e s s
o c c u r s a t t h e
o u t e r
?ber of
t h e
s h a f t ,
t h u s ;
y I l / 2 d S . ( E q n . 1 6 )
The ma x im um
moment,
M,
i s t h e
a p p l i e d
l o a d t i m e s t h e
d i s t a n c e from t h e
a p p l i e d l o a d
t o t h e
b a s e o f
t h e
s h a f t . The
a p p l i e d
l o a d i s t h e
t o t a l
mass t i m e s a c c e l e r a t i o n
and
t h e
d i s t a n c e
i s from h e b a s e of h e s h a f t t o t h e c e n t e r of a s s , o r ;
MIl/2 m a h .
( E q n . 1 7 )
S u b s t i t u t i n g
( E q n s .
1 5 - 1 7 ) i n t o
( E q n . 1 4 ) a n d t a k i n g
t h e a b s o
l u t e v a l u e g i v e s ;
6 4
2 0
25
3 0
35
4 0
4 5
5 0
55
60
6 5
S i m p l i f y i n g y i e l d s ;
_ 1 6 mah
( E q n .
1 9 )
N e x t , t h e
mass
o f
t h e c o n t r o l
?n
and
s h a f t
a s s e m b l y
i s
c a l c u l a t e d f o r tWo c a s e s .
I n
t h e ? r s t c a s e ,
both
h e
? n
and h e
s h a f t
a r e f a b r i c a t e d from
t e e l .
I n t h e
second c a s e , t h e ? n
s
of
t i t a n i u m a n d t h e
s h a f t
i s
s t e e l .
U s i n g t h e a p p r o p r i a t e dimen
s i o n s , l e t
d f : d s : 0 . 0 5 i n c h e s
h:0.10 i n c h e s
c:0.20
i n c h e s
a n d ,
p s t e e l : 0 . 2 8 9
l b m
l b m / i n 3
p H I O .
1 6 3
l b m
l b m / i n 3
Note h a t
t h e
d i a m e t e r o f
t h e s h a f t
i s
e q u a l t o t h e t h i c k n e s s
o f
t h e
?n
f o r
b o t h
c a s e s .
T h i s g i v e s f o r C a s e 1 ( a l l S t e e l ) ,
m l : 2 . 8 9 > < 1 0 _ 4 l b m a n d , f o r c a s e 2 ( T i t a n i u m a n d
S t e e l )
m 2 : 1 . 8 8 > < 1 0 _ 4
l b m .
N e x t , t h e m a s s v a l u e s a n d
o t h e r
param
e t e r s f o r b o t h c a s e s can be s u b s t i t u t e d i n t o ( E q n . 1 9 ) . Case 1
( a l l S t e e l ) o 1 : 1 4 1 k s i a n d
f o r
c a s e
2
( T i t a n i u m a n d S t e e l )
0 2 : 9 2 . 0 k s i .
S i n c e t h e y i e l d s t r e s s o f 410 SS i s 1 7 8 k s i and o 1
c a l c u l a t e d
f o r b o t h
c a s e s
i s l e s s t h a n t h i s v a l u e , t h e ? n s h a f t may be
f a b r i c a t e d u s i n g a
commonly
v a i l a b l e e n g i n e e r i n g
m a t e r i a l .
I f s u ? i c i e n t mass
c o u l d
be
removed
from h e
? n
s t r u c t u r e
i t i s
p o s s i b l e
t h e ?n s h a f t
c o u l d be
f a b r i c a t e d from a 300 s e r i e s
s t a i n l e s s
s t e e l
t o
r e d u c e c o s t .
The f o l l o W i n g
a n a l y s i s in d i c a t e s t h a t t h e c e n t e r o f mass
o f
p r o j e c t i l e s
a c c o r d i n g
t o t h e i n v e n t i on
c a n
b e
mo ved
f o r W a r d
e n o u g h , i . e . f o r W a r d o f t h e p r o j e c t i l e s c e n t e r o f p r e s s u r e ,
a l o n g
t h e
l e n g t h
o f t h e
p r o j e c t i l e t o
i n s u r e a e r o d y n a m i c s t a
b i l i t y . A
o m i n a l
l e n g t h o f
4
i n c h e s
( ~ 1 0 0
mm)
h a s
b e e n
s e l e c t e d f o r
t h e
e x e m p l a r y
embodiment
o f
a
g u i d e d
p r o j e c t i l e
a s
shoWn n
F I G .
1 . I t ? t s e a s i l y W i t h i n t h e s t a n d a r d . 5 0
c a l i b e r
c a r t r i d g e s 5 . 4 5 i n c h o v e r a l l l e n g t h a n d i s l o n g
e n o u g h
t o
s t a b i l i Z e
t h e
b o d y . The
c e n t e r
o f
mass
i s mo ved f o r W a r d by
u s i n g h i g h d e n s i t y m a t e r i a l ( e g
t u n g s t e n ,
d e p l e t e d u r a n i u m )
i n t h e c o u n t e r b a l a n c e p o r t i o n o f t h e p r o j e c t i l e .
R e m a i n i n g
p o r t i o n s o f
t h e
p r o j e c t i l e a r e
d e t e r m i n e d
b y
f u n c t i o n a l
r e q u i r e m e n t s . The ? n
a c t u a t o r s a r e
i n t h e
r e a r
p o r t i o n a s
c o n t r o l ? n s a r e most e f f e c t i v e Where t h e y h a v e t h e l o n g e s t
moment ( l e v e r a g e ) a b o u t t h e
b o d y s
c e n t e r
o f m a s s . The
r e m a i n d e r o f t h e
i n t e r i o r
i s
a v a i l a b l e f o r
b a t t e r i e s
and
e l e c
t r o n i c s .
M a t e r i a l d e n s i t y f o r t h e i n t e r i o r p o r t i o n o f t h e p r o j e c t i l e
Was e s t i m a t e d a t a p p r o x i m a t e l y 0 . 1 pounds p e r c u b i c i n c h
( 2 . 8 g / c c ) . T h u s , h i g h e r d e n s i t y m a t e r i a l s i n
t h e
c o n t r o l
? n
a c t u a t o r s ( d e s c r i b e d b e l o W ) c a n
b e
o f f s e t b y u t i l i Z a t i o n o f
l o W e r
d e n s i t y
b a t t e r i e s
a n d
e l e c t r o n i c s
a n d l o W d e n s i t y
p o t
t i n g m a t e r i a l s .
U s i n g
s t a n d a r d d e n s i t i e s
f o r
t h e t u n g s t e n
a n d
s t a i n l e s s
s t e e l p o r t i o n s
o f
t h e
p r o j e c t i l e ,
t h e
e x e m p l a r y c o n
? g u r a t i o n
p r o d u c e s
a c e n t e r o f mass t a p p r o x i m a t e l y 3 9% o f
b o d y
l e n g t h , a s
m e a s u r e d f r o m
t h e
t i p
o f t h e
p r o j e c t i l e ,
W e l l
f o r W a r d
t o p r o v i d e a e r o d y n a m i c s t a b i l i t y .
T a b l e
1
p r o v i d e s
a
summary o f
t h e
a n a l y s i s .
TABLE
Mass c o n t r i b u t i o n s
of
e l e c t e d s e c t i o n s
Nose
M a s s :
4 . 1 2 E ( 4 ) C e n t e r :
7 . 7 9 E ( 2 )
Moment:
3 . 2 0 E ( 5 )
O g i v e
M a s s : 5 . 6 5 E ( 2 )
C e n t e r : 6 . 2 4 E ( 1 ) M o m e n t :
3 . 5 2 E ( 2 )
-
8/11/2019 Small Caliber Guided Projectile
16/20
U S
7 , 7 8 1 , 7 0 9 B1
9
TABLE - c o n t i n u e d
Mass
c o n t r i b u t i o n s o f s e l e c t e d s e c t i o n s
S h e l l
M a s s : 1 . 9 9 E ( 2 ) C e n t e r : 1 . 6 3 E ( 0 ) Moment: 3 . 2 4 E ( 2 )
c y l i n d e r
P o t t e d M a s s :
8 . 8 4 E ( 3 )
C e n t e r : 1 . 6 3 E ( 0 ) Moment:
1 . 4 4 E ( 2 )
c y l i n d e r
S h e l l c o n i c M a s s :
2 . 2 6 E ( 2 )
C e n t e r : 3 . 0 3 E ( 0 ) Moment:
6 . 8 3 E ( 2 )
P o t t e d c o n i c
M a s s :
8 . 2 1 E ( 3 ) C e n t e r : 2 . 9 7 E ( 0 ) Moment: 2 . 4 3 E ( 2 )
End
c a p
M a s s :
2 . 0 5 E ( 3 )
C e n t e r :
3 . 9 5 E ( 0 )
Moment:
8 . 1 0 E ( 3 )
T o t a l m a s s : 1.19E(1)Lbs
C e n t e r o f r n a s s : 1 . 5 4 1 5 ( 0 )
F r a c t i o n o f l e n g t h : 0 . 3 9
The f o l l o w i n g
a n a l y s i s
was c o n d u c t e d
t o
i l l u s t r a t e
t h a t
a e r o d y n a m i c c o n t r o l
c a p a b i l i t y
o f
a
p r o j e c t i l e a c c o r d i n g t o
t h e
i n v e n t i o n , i s
s u i t a b l e f o r u s e a g a i n s t e i t h e r
s t a t i o n a r y o r
m o v i n g
t a r g e t s .
F o r t h e e x e m p l a r y
g u i d e d
p r o j e c t i l e , t h e
e x t e r n a l
m o l d - l i n e ,
a e r o d y n a m i c l i f t i n g s u r f a c e s , a n d c o n t r o l
s u r f a c e s
were d e s i g n e d t o a c h i e v e
a d e q u a t e
t r a j e c t o r y
c o r r e c
t i o n t o a d d r e s s s t a t i o n a r y o r moving a r g e t s . I n
a d d i t i o n ,
t h e
d e s i g n p r o v i d e s
a e r o d y n a m i c s t a b i l i t y w i t h o u t s p i n n i n g t h e
p r o j e c t i l e
upon
x i t i n g t h e
b a r r e l .
F o r
d e l i v e r y
o f
t h e
p r o j
e c
t i l e
u s i n g a . 5 0 c a l i b e r g u n , t h e
e x t e r n a l
m o l d - l i n e o f t h e
p r o j e c t i l e was c o n s t r a i n e d b y t h e
f o l l o w i n g
c r i t e r i a :
m i n i
mum ose
a d i u s
of
. 5
mm
o r o p t i c a l
s e n s o r l e n s , maximum
d i a m e t e r of 1 2 . 7 mm,
and
a
maximum
e n g t h of 102
mm.
C o n s i d e r i n g
t h e s e
c o n s t r a i n t s ,
t h e
a e r o d y n a m i c
d e s i g n o f h e
p r o j e c t i l e
was d e v e l o p e d
t o
a c h i e v e t h e f o l l o w i n g p e r f o r
mance e q u i r e m e n t s :
minimum
e r o d y n a m i c s t a t i c m a r g i n o f
10% f
b o d y l e n g t h ( L ) ,
minimum
a t e r a l
a c c e l e r a t i o n o f 1 0 g
u p o n
a r r e l e x i t ( f o r t r a j e c t o r y
c o r r e c t i o n ) . A t a t i c m a r g i n
o f
10% L w i l l i n s u r e a e r o d y n a m i c s t a b i l i t y o f t h e
p r o j e c t i l e
w i t h o u t s p i n n i n g , and a 1 0
g
l a t e r a l a c c e l e r a t i o n
upon
a r r e l
e x i t
w i l l p r o v i d e t r a j e c t o r y c o r r e c t i o n f o r
a d d r e s s i n g
? x e d
a n d
m o v i n g
t a r g e t s .
U s i n g
t h e M i s s i l e Datcom
c o d e
t o c o m p a r e t h e C P a n d Cg
o f
a
p r o j e c t i l e ,
t h e
d e s i g n
o f
t h e
a e r o d y n a m i c
l i f t i n g
a n d
c o n t r o l
s u r f a c e s w a s
a n a l y z e d c o n s i d e r i n g
t h e p e r f o r m a n c e
r e q u i r e m e n t s
f o r
t h e p r o j e c t i l e . T h i s s e m i - e m p i r i c a l
c o d e
i s
u s e d
f o r p r e l i m i n a r y
d e s i g n
o f
r o c k e t a n d
m i s s i l e
s y s t e m s i n
t h e s p e e d r e g i m e s a n d o n t h e
R e y n o l d s
number
s c a l e s
c h a r
a c t e r i s t i c o f t h e p r o j e c t i l e .
The
ma x im um d i a m e t e r
o f
t h e
p r o j e c t i l e
w a s
reduced
t o
1 0 . 2
mm
1 2 . 7
mm o r
a
s t a n d a r d
. 5 0 c a l i b e r
p r o j e c t i l e ) t o
i n c r e a s e t h e s p a n
o f
t h e
c o n t r o l
? n s
a n d s t r a k e s
n e c e s s a r y
f o r a e r o d y n a m i c
s t a b i l i t y .
The c o n t r o l
?ns o s i t i o n e d
a t
t h e
b a s e o f
h e v e h i c l e have
s p a n and c h o r d
of . 5 mm nd .1 mm , e s p e c t i v e l y . The m a x i m u m e ? e c t i o n
o f h e c o n t r o l s u r f a c e s
i s
s e t t o 3
d e g r e e s
f o r t h i s e x a m p l e .
The
r e s u l t s
o f
h e Datcom r e d i c t i o n s a r e p r e s e n t e d g r a p h i c a l l y i n
F I G . 7 . The most f o r w a r d p o s i t i o n o f h e
p r o j e c t i l e s
c e n t e r o f
p r e s s u r e
o c c u r s
a t
Mach
and
s
p o s i t i o n e d
a t 47%
from
h e
p h y s i c a l n o s e - t i p . F o r a c e n t e r o f
g r a v i t y
p o s i t i o n o f
37% L ,
t h e
s t a t i c
m a r g i n o f
t h e p r o j e c t i l e
r a n g e s
f r o m
10% L
o
20%
L o v e r t h e ? i g h t
Mach
number r e g i m e . A n a l y s i s s h o w s t h e
t r i m a n g l e
o f
a t t a c k ( a m - m )
o f
t h e
p r o j e c t i l e
f o r a 3 d e g r e e ?n
d e ? e c t i o n v a r i e s s l i g h t l y w i t h s p e e d , b u t r e m a i n s
a b o u t
1 . 5
d e g r e e s .
T h i s
t r i m
a n g l e i s
s u ? i c i e n t
t o
a c h i e v e a
1 0 g
l a t e r a l
a c c e l e r a t i o n upon e x i t i n g t h e b a r r e l .
U s i n g
t h e
a e r o d y n a m i c
model o b t a i n e d f r o m D a t c o m , a
t h r e e
d e g r e e - o f - f r e e d o m t r a j e c t o r y s i m u l a t i o n w a s
d e v e l o p e d
u s i n g
t h e
T A O S c o d e . T h i s s i m u l a t i o n was
s e d
t o i n v e s t i g a t e
t h e ? i g h t p e r f o r m a n c e
o f
t h e
g u i d e d
p r o j e c t i l e .
F o r
t h i s
s i m u
l a t i o n ,
t h e b a r r e l
e x i t
v e l o c i t y and mass
o f
t h e p r o j e c t i l e
a r e
1 0 0 0 m / s a n d 4 5 g , r e s p e c t i v e l y .
The
e s u l t s
o f t h i s
a n a l y s i s
a r e g r a p h i c a l l y
i l l u s t r a t e d
i n
F I G .
8 .
The
b a l l i s t i c
p e r f o r
mance
o f h e
g u i d e d p r o j e c t i l e ( l o w e r c u r v e ) i s
c o m p a r a b l e
t o
5
2 0
25
3 0
35
4 0
4 5
5 0
55
60
6 5
1 0
a
s t a n d a r d . 5 0 - c a l i b e r u l l e t
( u p p e r
c u r v e ) .
The
o w e r
v e l o c i t y
o f h e g u i d e d
p r o j e c t i l e r e s u l t s
from
i n c r e a s e d
n o s e
b l u n t n e s s
a s
r e q u i r e d
by
h e l e n s
o f
an p t i c a l s e n s or .
At r a n g e
of 2000
m , t h e v e l o c i t y o f t h e g u i d e d p r o j e c t i l e i s
2 6 0
m / s
c o m p a r e d
t o
300
m/s
f o r a s t a n d a r d b u l l e t . F u l l c o n t r o l ? n d e ? e c t i o n ( 3
degrees)
can cause
a
t r a j e c t o r y d e v i a t i o n o f 2 6 0
m
t
a range
of
000 m.
For maximum
o n t r o l
? n
e ? e c t i o n o f
3 d e g r e e s ,
t h e m a x i m u m normal l o a d i n g o n t h e ? n s 0 . 2 1 l b a t b a r r e l
e x i t . T h i s v a l u e c a n
b e
u s e d ( a s
d e s c r i b e d
b e l o w ) t o a p p r o p r i
a t e l y s i z e t h e
c o n t r o l a c t u a t o r s and
a t t e r i e s .
F I G .
9 i s a
c r o s s - s e c t i o n a l
s c h e m a t i c diagram
of
h e
a c t u a
t o r s e c t i o n
o f
t h e e x e m p l a r y
embodiment o f
t h e
i n v e n t i o n .
The a c t u a t o r s e c t i o n 1 0 8 o f p r o j c t i l e
1 0 0 c o m p r i s e s
c o n t r o l
?ns 112a and 1 2 1 9 mounted o
a
r o t a t i n g s h a f t
1 1 4 .
S h a f t
114
h a s a n a c t u a t i n g
l e v e r
1 1 6 a a n d o p p o s e d a c t u a t i n g l e v e r
1 1 6 1 9
which
o r
a f o r ce a p p l i e d t o
l e v e r
1 1 6 1 1 by
a n e l e c t r o m a g n e t i c
a c t u a t o r , c a u s e s t h e s h a f t t o
r o t a t e
t h e r e b y
d e ? e c t i n g
t h e
a t t a c h e d c o n t r o l ? n s , i n t h i s e x a m p l e b y u p t o 3 d e g r e e s .
Applying
f o r c e
t o
t h e
opposed e v e r 1 1 6 1 )
c a u s e s
r o t a t i o n of
t h e c o n t r ol
? n s
i n t h e o p p o s i t e d i r e c t i o n . A i m i l a r a n a l y s i s
h o l d s
t r u e f o r
t h e
p a i r
o f
c o n t r o l
? n s
mounted
r t h o g on a l l y . I n
t h i s p e r s p e c t i v e
a s
viewed from t h e a f t
e n d o f
t h e p r o j e c t i l e
l o o k i n g f o r w a r d ,
a n e l e c t r o m a g n e t i c
a c t u a t o r
f o r
e a c h
c o n t r o l
l e v e r
a n d o p p o s e d
c o n t r o l l e v e r
i s
p o s i t i o n e d b e l o w t h e
p l a n e
o f
t h e
? g u r e .
FIGS.
1 0
and
1 1
a r e s c h e m a t i c
b l o c k d i a g r a m s o f
t h e
c o n t r o l
? n ,
s h a f t and a c t u a t o r a s s e m b l y f o r t h e c o n t r o l ?n
1 1 2 1 1 o f F I G .
9 .
C o n t r o l ?n 1 1 2 1 1 i s mounted t o a x l e 114
h a v i n g c o n t r o l l e v e r 1 1 6 a a n d o p p o s e d c o n t r o l l e v e r 1 1 6 b , t o
which e l e c t r o m a g n e t i c a c t u a t o r s 120a and 1 2 0 1 ) c a n be ( r e
s p e c t i v e l y )
m a g n e t i c a l l y c o u p l e d . E l e c t r o m a g n e t i c
a c t u a t o r s
120a and 1 2 0 1 9 a r e i l l u s t r a t e d
a s t h i n
r o d s
o f
f e r r o m a g n e t i c
m a t e r i a l
1 2 2 wrapped i t h c o i l s o f c o n d u c t i v e w i r e 1 2 4 . F I G .
1 1
i l l u s t r a t e s
t h a t
by
a p p l y i n g
a
c o n t r o l command o n
t o
e l e c t r o m a g n e t i c
a c t u a t o r
1 2 0 a , and command
o f f
t o a c t u a
t o r 1 2 0 b ,
c o n t r o l
l e v e r 1 1 6 1 1 i s m a g n e t i c a l l y p u l l e d t o w a r d s
e l e c t r o m a g n e t i c a c t u a t o r 1 2 0 a , c a u s i n g c o n t r o l ?n
1 1 2 1 1
t o
d e ? e c t
u p w a r d s b y
t h e e x e m p l a r y 3 d e g r e e s . L i k e w i s e ,
r e v e r s i n g
t h e c o n t r ol commands would c a u s e t h e c o n t r ol ?n
1 1 2 1 9
t o
d e ? e c t
downwards.
T h e f o l l o w i n g a n a l y s i s i l l u s t r a t e s t h e
p e r f o r m a n c e
o f
l e c
t r o m a g n e t i c a c t u a t o r s
f o r
movement o f t h e c o n t r ol ?ns i n
embodiments
o f
t h e
p r e s e n t i n v e n t i o n . A f u n d a m e n t a l
r e q u i r e m e n t f o r
t h e
g u i d e d p r o j e c t i l e
i s
t o c h a n g e
t h e ? i g h t
p a t h .
A s w i t h
most l a r g e s c a l e
s y s t e m s ,
t a i l ? n s
a r e
an e f f e c
t i v e means t o g e n e r a t e ? i g h t p a t h c o r r e c t i o n s . C h a n g i n g t h e
c o n t r o l
?n n g l e i m p a r t s a moment on h e e n t i r e b o d y , t i l t i n g
i t w i t h r e s p e c t t o t h e v e l o c i t y v e c t o r .
The
r e s u l t i n g
a e r o d y
namic p r e s s u r e i m b a l a n c e g e n e r a t e s
l a t e r a l
a c c e l e r a t i o n
w h i c h c h a n g e s t h e v e l o c i t y
v e c t o r .
T h e
p e r f o r m a n c e
t a r g e t s
f o r
t h e
e x e m p l a r y g u i d e d p r o j
e c
t i l e
assume an
aerodynamic
s i d e
load
o n
a
c o n t r o l ? n
o f
a p p r o x i m a t e l y 0 . 0 2
p o u n d s
f o r c e
maximum
a t 3 d e g r e e s
d e ? e c t i o n . The e x e m p l a r y ? n s a r e 0 . 1 i n c h e s w i d e , 0 . 2 i n c h e s
l o n g
a n d
p i v o t n e a r t h e i r l e a d i n g e d g e . The ? n s o n o p p o s e d
s i d e s o f t h e
p r o j e c t i l e
body
r e d i r e c t l y c o u p l e d a n d a r e i n d e
p e n d e n t o f t h e o r t h o g o n a l p a i r .
E a c h
p a i r o f c o n t r o l ? n s h a s 3
s t a t e s : d r i v e n p o s i t i v e , d r i v e n n e g a t i v e (eg i n a n
o p p o s e d
d i r e c t i o n ) , a n d n e u t r a l
( b o t h
a c t u a t o r s o f f ) . T h e s e
v a l u e s
can
h e n be
used o de?ne
t h e s p e c i ? c a t i o n s f o r t h e ? n c t u a
t o r , e n u m e r a t e d i n T a b l e 2 .
-
8/11/2019 Small Caliber Guided Projectile
17/20
U S
7 , 7 8 1 , 7 0 9 B1
1 1
TABLE
P i n
a c t u a t i o n
r e q u i r e m e n t s
Normal f o r c e
( l b s )
0 . 2 0
Average moment arm
( i n c h e s ) 0 . 1 0
F i n s h a f t
moment
( i n c h - l b s ) 0 . 0 2
F i n
s h a f t
moment
( m i l l i - N m ) 2 . 2 6
2
? n s
( m i l l i - N m ) 4 . 5 2
A t t r a c t i o n
f o r c e ( N )
( l e v e r = 1 . 2
mm) 3 . 7 7
S t r o k e ( m m )
( 3
d e g r e e s @ . 2 mm) 0 . 0 6 3
E l e c t r o m a g n e t i c a c t u a t i o n
a s
u t i l i z e d
i n
t h e a c t u a t o r
s y s
tems
of embodiments o f t h e p r e s e n t i n v e n t i o n a r e v e r s a t i l e
a n d e a s i l y c o n t r o l l e d . T h e y
a r e
s i m p l e m e c h a n i c a l
d e v i c e s ,
p h y s i c a l l y r o b u s t ,
and c a n b e made
t o ? t
w i t h i n
t h e s m a l l
c o n ? n e s of
a
g u i d e d
p r o j e c t i l e . The
e x e m p l a r y embodiment
o f
h e
g u i d e d
p r o j e c t i l e h a s t w o e l e c t r o m a g n e t i c a c t u a t o r s p e r
p a i r
o f
o n t r o l ? n s , m o u n t e d
l e n g t h w i s e i n
t h e p r o j e c t i l e b o d y
( e g . w i t h i n a c t u a t o r m o d u l e 1 0 8 ) i l l u s t r a t e d
n o t i o n a l l y
i n
FIGS. 1 and 9 - 1 1 . One
a c t u a t e s p o si t i v e l y
w h i l e t h e
o t h e r
a c t u a t e s i n
t h e
opposed
d i r e c t i o n . A
e u t r a l
s t a t e o c c u r s w h en
b o t h
a c t u a t o r
c o i l s
a r e
u n - p o w e r e d
( e g .
commanded
o f f ) .
As
shown
b e l o w ,
t h i s
c o n ? g u r a t i o n d o e s n o t r e q u i r e a n y
p e r m a n e n t m a g n e t s , a l t h o u g h p e r m a n e n t
m a g n e t s
c o u l d b e
i n c o r p o r a t e d
t o
e x t e n d
t h e a c t u a t o r p e r f o r m a n c e i f d e s i r e d .
The c t u a t o r
system d o e s
n o t u t i l i z e
f e e d b a c k o r
p r o p o r t i o n a l
c o n t r o l o f a c o n t r o l ?n o s i t i o n ,
b u t
c o u l d b e used i n a
p u l s e
width modulation
m o d e t o
a c h i e v e a c r u d e form of propor
t i o n a l c o n t r o l .
T a b l e
3
l i s t s
t h e
p a r a m e t e r s u s e d t o p r e d i c t
t h e
o p e r a t i n g
p e r f o r m a n c e o f t h e e x e m p l a r y
e l e c t r o m a g n e t i c a c t u a t o r s .
F I G . 1 2 g r a p h i c a l l y p r e s e n t s t h e p r e d i c t e d p e r f o r m a n c e
f o r
t h r e e
common
e r r o m a g n e t i c c o r e m a t e r i a l s . While h e s e v a l
u e s a p p r o a c h t h e m a g n e t i c s a t u r a t i o n l i m i t s
f o r
s o f t s t e e l , t h e
r e s u l t s i l l u s t r a t e t h e r e q u i r e d
f u n c t i o n a l i t y
f o r t h e e l e c t r o m a g
n e t i c
a c t u a t o r s i s a c h i e v a b l e u s i n g
common
e n g i n e e r i n g
m a t e r i a l s f o r
t h e
c o r e s of
h e a c t u a t o r s .
A n a l y s i s
s h o w s
t h a t u s i n g 3 8
g a u g e
m a g n e t w i r e p r o v i d e s
a
goo d match
t o t h e e l e c t r i c a l
power
a v a i l a b l e .
The
c u r r e n t
l o a d s i g n i ? c a n t l y
e x c e e d s
r e c o m m e n d a t i o n s f o r
t h a t
g a u g e .
There w i l l
n o t
be a n y
c o o l i n g f o r
t h i s d e v i c e , s o i t must be
c a p a b l e
o f s u r v i v i n g 5 s e c o n d s ( e g . t y p i c a l ? i g h t t i m e o f a
p r o j e c t i l e ) o f
o p e r a t i o n r e l y i n g
on
t h e r m a l
mass a l o n e . Even
w i t h
100% d u t y
c y c l e ,
t h e
t h e r m a l
r i s e i s n o t
a
c o n c e r n d u r i n g
t h e
e x p e c t e d
? i g h t
t i m e
a s shown n T a b l e
4 .
A l t h o u g h d i r e c t
a c t u a t i o n v i a
e l e c t r o m a g n e t s may n o t
be a s e l e c t r i c a l l y
e f f i
c i e n t
a s o t h e r m e t h o d s , i t d o e s p r o v i d e a s i m p l e , p h y s i c a l l y
r o b u s t , a n d i n e x p e n s i v e
s o l u t i o n .
The
o m i n a l b u d g e t f o r t h e s y s t e m power f
h e
e x e m p l a r y
g u i d e d
p r o j e c t i l e i s 3
W.
T w o w a t t s
a r e
b u d g e t e d f o r t h e
c o n t r o l ?n a c t u a t o r s ( a s s u m i n g 3 5 a c t u a t i o n s / s e c / ? n ,
300%
f r i c t i o n l o s s e s , 10% c t u a t o r e ? i c i e n c y , and
s a f e t y
f a c t o r o f
4 )
a n d 1
W o r
t h e
e l e c t r o n i c g u i d a n c e
a n d c o n t r o l
f e a t u r e s .
A c t u a l s y s t e m
power consumption w i l l be
d e p e n d e n t
on a
g i v e n
a p p l i c a t i o n s
c o n ? g u r a t i o n .
B a s i c p r i n c i p l e s
i n d i c a t e
t h a t t h e r e
i s a v a i l a b l e p a y l o a d c a p a c i t y f o r c a r r y i n g
more
h a n
e n o u g h
e n e r g y t o
p e r f o r m t h e t r a j e c t o r y c o n t r o l .
Assuming
a
minimum s u p p l y
v o l t a g e o f
3 V o s u p p o r t c o n t r o l
l o g i c ,
t h e
b a t t e r i e s s h o u l d p r o v i d e 1
A
f c u r r e n t
t o
p r o d u c e
3
W.
A o r
5 s e c o n d s i s ~ 1 . 4
mA o u r s , l e s s
t h a n 5
mW o u r s . T h a t
works o u t t o a b o u t 1 5 mg of a c t i v e m a t e r i a l f o r a g o od
Li / MnO 2 c e l l and
around 120
mg
o r an
o l d c a r b o n - z i n c
c e l l .
The v a s t m a j o r i t y o f c o m m e r c i a l b u t t o n
c e l l s
a r e o p t i m i z e d
f o r maximum
e n e r g y
s t o r a g e a n d d e l i v e r y
o v e r v e r y l o n g
p e r i o d s , o f t e n y e a r s . T h e
p r i m a r y
c e l l s
o p t i m i z e d f o r h i g h e r
power
r a t i n g s t e n d t o u s e l a r g e r p a c k a g e s . However, a
c u s
1 0
25
3 0
35
4 0
4 5
5 0
55
60
6 5
1 2
t o m - d e s i g n e d t w o - c e l l L i t h i u m s y s t e m c a n p r o v i d e e x t r a
v o l t a g e t o overcome i n t e r n a l r e s i s t a n c e i n
t h e
b a t t e r i e s .
TABLE
P a r a m e t e r s
f o r c a l c u l a t i n g
e l e c t r o m a g n e t p e r f o r m a n c e .
Mass
o f o b j e c t
t o
l i f t ,
M
k g )
0 . 1
F o r c e r e q u i r e d t o l i f t o b j e c t ,
F
( N ) 0 . 9 8
T o t a l
r e q u i r e d M a g n e t o m o t i v e f o r c e ,
M M F t o t a l ( A t )
1 8 9 . 6
A v a i l a b l e
c u r r e n t , l a v a i l ( a m p s ) 0 . 5
Minimum number
o f
r e q u i r e d t u r n s 3 7 9 . 2
Air gap
A r e a o f
r s t p o l e ,
Api l ( m m A 2 )
1
L e n g t h
o f
r s t a i r g a p ,
L a g 1
(mm) 0 . 1
A r e a o f s e c o n d p o l e , Api 2 ( m m A 2 ) 1
L e n g t h
o f s e c o n d a i r g a p , L a g 2 (mm)
0 . 1
R e q u i r e d m a g n e t i c f l u x d e n s i t y t o
l i f t
o b j e c t , B r e q ( T e s l a ) 1 . 1 1 0
M a g n e t i c ? e l d
i n t e n s i t y F m @ r e q , MMFag A t ) 1 7 6 . 6
R e q u i r e d m a g n e t i c
c i r c u i t
? u x , p h i ( W b ) 1 . 1 1 E - 0 6
L i f t i n g m a g n e t s h e e t
s t e e l
S e c t i o n
1
M a g n e t i c c i r c u i t p a t h
l e n g t h ,
Lil ( m m )
1 0
M a g n e t i c
c i r c u i t p a t h a r e a , A i l ( m m A 2 )
1
F l u x
d e n s i t y ,
B i l
T e s l a )
1 . 1 1 0
From
B-H
c u r v e ,
m a g n e t i c
? e l d i n t e n s i t y ,
H i 1
( A t / m ) 5 0 0
M a g n e t o m o t i v e f o r c e (MMF),
MMFil
A t ) 5
S e c t i o n 2
M a g n e t i c c i r c u i t
p a t h l e n g t h ,
Li2
( m m ) 3
M a g n e t i c c i r c u i t
p a t h a r e a , A i 2 ( m m A 2 ) 1
F l u x
d e n s i t y , B i 2
T e s l a ) 1 . 1 1 0
From
B-H c u r v e , m a g n e t i c ?e l d i n t e n s i t y , Hi2 A t / m ) 5 0 0
M a g n e t o m o t i v e f o r c e
(MMF), MMFi2 A t )
1 . 5
S e c t i o n
3
M a g n e t i c
c i r c u i t p a t h l e n g t h ,
Li3 1 0
M a g n e t i c c i r c u i t p a t h a r e a , A i 3 ( m m A 2 )
1
F l u x
d e n s i t y , B i 3 T e s l a )
1 . 1 1 0
From
B-H
c u r v e ,
m a g n e t i c ?e l d
i n t e n s i t y , H i 3
( A t / m ) 5 0 0
M a g n e t o m o t i v e f o r c e (MMF), MMFi3
A t )
5
O b j e c t b e i n g l i f t e d s h e e t
s t e e l
M a g n e t i c c i r c u i t p a t h
l e n g t h ,
L o b l ( m m )
3
M a g n e t i c c i r c u i t
p a t h
a r e a , A o b l (mm 2 ) 1
F l u x d e n s i t y , B o b l
( T e s l a )
1 . 1 1 0
From
B-H
c u r v e , m a g n e t i c ? e l d i n t e n s i t y @ r e q , H o b l 5 0 0
( A t / m )
M a g n e t o m o t i v e
f o r c e (MMF),
MMFobl
A t ) 2
P e r m e a t i v i t y o f f r e e
s p a c e , mu0
( H / m ) 1 . 2 6 E - 0 6
TABLE
A c t u a t o r t h e r m a l h e a t i n g
S p e c i ? c h e a t
mm3
cm3 g
J/gK
J / K 1 G 1
i r o n
20 0 . 0 2 0 0 . 1 5 7 0 . 4 5 0 0 . 0 7
1 4 . 1 2
copper
1 4
0.014
0 . 1 2 5 0 . 3 8 5
0 . 0 5 2 0 . 7 1
combined 0 . 1 2
8 . 3 9
Power 1 . 5 3 J / s
T i m e 5 s
E n e r g y
7 . 6 5
1
T e m p d e g r e e s
r i s e
6 4 . 2 2
K
Shock a c t i v a t e d
b a t t e r i e s could a s w e l l
be
u t i l i z e d
t o
p r o
v i d e p o w e r f o r
e m b o d i m e n t s o f g u i d e d
p r o j e c t i l e s a c c o r d i n g
t o
t h e
p r e s e n t
i n v e n t i o n .
Shock
a c t i v a t e d b a t t e r i e s a r e
d e s c r i b e d
i n
d e t a i l e l s e w h e r e ,
f o r e x a m p l e
i n
US.
P a t .
N o .
4 , 7 8 3 , 3 8 2
t o B e n e d i c k e t a l . ,
and
i n G u i d o t t i e t a l . ,
A
Min
i a t u r e
S h o c k - A c t i v a t e d
T h e r m a l B a t t e r y
f o r M u n i t i o n s A p p l i
c a t i o n s , S A N D 9 8 - 0 9 0 4 3 8 , S a n d i a
N a t i o n a l L a b o r a t o r i e s ,
-
8/11/2019 Small Caliber Guided Projectile
18/20
U S
7 , 7 8 1 , 7 0 9 B1
1 3
p r i n t e d
1 9 9 8 ,
a v a i l a b l e
t h r o u g h OSTI a n d p r e s e n t e d
a t t h e
3 8 t h
A n n u a l P o w e r S o u r c e s C o n f e r e n c e ,
C h e r r y
H i l l , N J ,
J u n .
8 - 1 1 , 1 9 9 8 , t h e e n t i r e t y o f e a c h o f
W h i c h
i s i n c o r p o r a t e d
h e r e i n
by r e f e r e n c e . Shock a c t i v a t e d b a t t e r i e s i n c l u d e s h o c k
a c t i v a t e d
t h e r m a l b a t t e r i e s t h a t c o m p r i s e f o r e x a m p l e , e l e c
t r o l y t e s
s t o r e d
a s
p o W d e r s
o r p r e s s e d - p o W d e r p e l l e t s ( i . e . d r y
e l e c t r o l y