Method and apparatus for a selectable speed projectile system

本発明は、推進システムに関係する方法および装置に関する。

推進システムは、建築工具、内燃機関、衛星発射に使用されるロケット、ミサイル等、および戦争用の弾薬のような種々の応用で使用されている。 推進システムは多数の異なった形式の発射メカニズムを有している。 例えば、通常の弾薬は揮発性の粉末又はペレットに点火して発射体を推進するための膨張ガスを生成する。 発射体の速度は主として使用される推進剤の形式および量に依存している。 大砲或いは小型兵器のようなう弾薬筒、弾丸および推進剤のようなカートリッジを使用するシステムでは、発射体の速度は固定されている。

本発明の種々の特徴にしたがった方法および装置は、発射体を推進するための選択可能な速度を有する推進システムを提供する。

１実施形態では、推進システムはカートリッジと、推進システムと発射体とを含んでいる。
本発明のさらに完全な理解は、添付図面を参照にした特許請求の範囲および以下の詳細な説明から明らかになるであろう。 図面全体を通して同様の素子は同様の参照符号を付けられている。

本明細書および図面は、例示としてベストモードの例示的な実施形態を示している。 これらの例示的な実施形態が説明されているが、他の実施形態も可能であり、本発明の技術的範囲から逸脱することなく論理的および機械的変更が可能である。 したがって、詳細な説明は例示の目的でのみ記載されたものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。 例えば、方法またはプロセスの説明に挙げられているステップは任意の適当な順序で実行されることができ、示されている順序に限定されない。 さらに、通常の機械的特徴およびシステムの個々の動作部品のコンポーネントは詳細に説明されないこともある。 種々のコンポーネントの説明は、例示的な機能的関係、位置関係、および、または種々の素子間の物理的結合を表すことを意図している。 多くの別の、或いは付加的な機能関係、物理的関係、または物理的接続が実際のシステムに与えられることができる。

本発明は機能的コンポーネントおよび種々の方法について部分的に説明される。 そのような機能的コンポーネントは、特定の機能を実行し、種々の結果を得るように構成された任意の数のコンポーネントによって実現されることができる。 例えば、本発明は、種々の材料、爆発物、発射体、推進剤、点火システム、種々のコンポーネントの形状、寸法、および重量、電子部品、機械的部品等を使用することができ、それらは種々の機能を行うことができる。

本発明の種々の特徴は、既存のシステムのカスタム化、アド・オン製品、或いは分配されたシステムとして実施れることができる。 ソフトウエアが例えばタイミングおよび制御のような機能を実行するために本発明と関連されてもよい。 したがって、本発明の種々の特徴は、ソフトウエアおよびハードウエアの特徴を組合わせた形態を取ることもできる。 さらに、システムの点火および／または制御のような本発明に関連する任意のプログラムまたはその他の制御機能は、任意の適当なコンピュータで実行されるコンピュータプログラムの形態をとってもよく、プログラムは専用のハードウエアによって実行され、その場合そのプログラムはハードディスク、光記憶媒体等のような任意の形式の媒体に記憶されてもよく、或いは、メモリまたは論理装置によりハードウエア中に埋設されているプログラムであってもよい。 さらに、本発明は任意の多数の応用および環境と関連して実行されてもよく、記載されているシステムは単に本発明の例示的な応用である。 さらに、本発明は製造、点火、展開等のための任意の多数の通常の技術を使用することができる。

本発明の種々の特徴にしたがった方法およぴ装置は推進システムを有する兵器その他の発射体を含んでいる。 その推進システムは、内燃機関中のピストンの運動、建築工具からの推進ネイル、軌道への衛星の発射、兵器システムからの発射体の推進、その他の適当な応用のような任意の適当な目的または目的の組合わせに対して使用されることができる。 その方法および装置は任意の目的に対して目標の推進および／または移動に対してシステムを適応させることができる。

例えば、本発明の種々の特徴にしたがった推進システムは兵器システムのカートリッジの一部であってもよい。 １実施形態では、カートリッジはカートリッジケースと、推進システムと、カートリッジケースに取付けられた発射体とを備えている。 カートリッジは発射と所望のターゲットの捕捉との間である時間が必要とされる誘導発射体を点火するように構成されることができる。 砲口速度が実質上固定されているシステムでは、近接するターゲットに対して発射された誘導発射体はターゲットを捕捉する前に所望のターゲットを通過する可能性があり、したがって、ある最小距離より近いターゲットに対する誘導発射体の効力を減少させる。 したがって推進システムは誘導発射体の速度を遅くすることを可能にしてより近接したターゲットを誘導発射体が捕捉することを可能にするように種々の発射速度で発射体を発射することを可能にされる必要がある。

図１および２を参照すると、本発明の種々の特徴にしたがったカートリッジ100 は発射体110 、カートリッジケース112 および推進システム114 を備えている。 発射体110 はカートリッジケース112 の一端に位置して、カートリッジケース112 の内部の包囲体を形成している。 推進システム114 が付勢されるとき、推進システム114 は急激に膨張して発射体110 をカートリッジケース112 から外へ押し出す。

発射体110 はカートリッジケース112 から点火される適当な任意の部品を備えており、特定の応用或いは環境に対して任意の形式、形状および材料で構成されることができる。 例えば、発射体110 は誘導体であっても、非誘導体であってもよく、弾丸形状または空気力学的形状であってもよく、発射体の目的に対して適切な任意の材料、例えば鉛、鋼鉄、チタニウム、プラスティック、ゴム、テフロン（登録商標）、或いは任意の材料の組合わせであってもよい。 発射体110 は任意の方法で、例えば、砲身の旋条、砲身の照準、有線制御、および、または自動誘導装置のような任意の方法で誘導されることができる。 例示的な実施形態では、発射体110 は、主として金属で作られた４０乃至５０ポンドの重量の自動誘導発射体から構成され、砲身から発射されるように構成されている。 発射体110 は、目標に向けて正確に飛行させ、飛行制御表面を与える鰭144 （図４参照）を有していてもよい。 発射体110 は、大砲および小型兵器のような通常の固定された弾薬兵器システムで使用される発射速度形状、寸法、重量が類似するものでよい。

カートリッジケース112 は推進システム114 および、または発射体110 の位置を保持するための適当なシステムで構成されることができる。 カートリッジケース112 は、特定の応用或いは環境に対して任意の形式、形状および材料であってもよい。 カートリッジケース112 は、発射まで発射体110 に固定されることができ、１回限りの使用でも、或いは再使用可能であもよい。 カートリッジケース112 の外部は、通常の大砲および小型兵器のような通常の兵器システムで使用される通常の固定された兵器と形状、寸法および材料が類似していてもよい。 １実施形態では、カートリッジケース112 は、カートリッジケース112 および発射体110 の露出された部分が発射前の取扱いのために単一の集合体を形成するように発射体が発射されるまで動かしたり、調節したりできない位置に発射体を保持される。

推進システム114 は発射体110 を発射するように任意の適当な方法で構成されることができる。 推進システム114 任意の形式でよく、任意の適当な方法で付勢されることができる。 推進システム114 はカートリッジケース112 および発射体110 に関して任意の位置に配置されることができる。 この例示的な実施形態では、推進システム114 は大部分がカートリッジケース112 の内部にある。 別の実施形態では、推進システム114 はカートリッジケース112 の外部に配置されてもよく、カートリッジケース112 は推進システム114 と発射体110 との間の導管として機能してもよい。

図３を参照すると、この実施形態の推進システム114 は、発射体を推進するために個々に付勢されることのできる多数の推進剤または推進剤ゾーンを設けることによって発射体110 に対して選択可能な発射速度を提供するように構成されている。 例えば、推進システム114 はカートリッジケース112 内にそれぞれ推進剤118 を含む多数のチャンバ116 および付勢システム120 を含むことができる。 チャンバ116 は、発射体110 の発射速度が推進剤のチャンバの数によって制御されるように、推進力を別々の点火インクリメントに分割し、分離し、それは実質的に同時に点火されてもよい。 単一のチャンバ116 の点火は発射体110 を最低の速度発射する。 全てのチャンバの実質的に同時の点火は最大速度で発射体110 を発射する。 チャンバの最大数よりは少ない２以上のチャンバ116 の点火は、最低速度よりは大きく、最大速度よりは小さい発射速度で発射体110 を推進する。

チャンバ116 の物理的配置は任意の適当な基準にしたがって選択されることができる。 任意の数のチャンバ116 が大きなチャンバ116 内に部分的に、または完全に収容されることができる。 さらに、任意の数のチャンバ116 が鳥の巣を重ねるように重ねて収容されてもよく、その場合には小さいチャンバ116 は大きいチャンバ内に収容され、その大きいチャンバは順次さらに大きいチャンバにより収容されている。 例えば、図４を参照すると、１実施形態ではチャンバ122 は、小さいチャンバ122 が大きいチャンバ124 内に部分的に収容されるように少なくとも部分的にチャンバ124 の内部に配置されている。 再度図３を参照すると、チャンバ116 はまた他のチャンバ116 に隣接して、および、またはその近くに配置されてもよい。 例えば１つのチャンバ116 はその周囲を多数のチャンバで囲まれてもよく、或いはチャンバ116 は互いに隣接する重ねられた層として形成されてもよい。 各チャンバ116 は任意の適当な容積でよく、各チャンバは実施的に等しい容積であってもよい。 各チャンバの容積は、カートリッジケース112 内の推進システム114 に対して利用可能な容積、各チャンバの位置またはチャンバ116 中の推進剤118 の点火の制御のような任意の合理的な基準にしたがって選択されることができる。

１以上のチャンバ116 は推進剤118 を含んでいる。 推進剤118 は爆薬または燃焼物質のような発射体を駆動する任意の適当な材料で構成されることかできる。 各チャンバ116 中の推進剤118 の量は各チャンバ116 の容積に関係している。 例えば、図５を参照すると、後部チャンバ122 は完全に推進剤126 で負荷されているが、後部チャンバ122 は大きい前部チャンバ124 の推進剤128 と同じ量を保持しない可能性もある。 各チャンバ116 は同じ量または異なった量および、または形式の推進剤118 を保持していてもよい。 それ故、推進剤118 の形式は寸法に関係なく点火時に実質的に等しい推進力或いは所望の推進力を生成することを可能にするように選択されることができる。

例えば、再度図５を参照すると、後部チャンバ122 の後部推進剤126 は、後部チャンバ122 が前部チャンバ124 よりも容積が小さい場合でも、後部推進剤126 の点火により与えられる推進力が前部推進剤128 を点火することにより与えられる推進力以上であるように前部チャンバ124 の前部推進剤128 よりも大きい爆発力を有することが可能である。 さらに、任意の適当な推進剤118 の混合物が点火において所望の推進力を与えるように任意のチャンバ116 中に配置されることができる。

可能な発射速度の数は推進剤118 のゾーンの数に対応させることができる。 独立して点火可能なゾーンの数が多いほど発射速度の選択範囲は広くなる。 推進システム中の推進剤118 の組成もまた種々の選択可能な発射速度に影響する。 例えば小さい寸法のチャンバ116 は、大きいチャンバ116 が小さいチャンバ116 と実質的に等価な点火パワーを有するように、点火パワーが比例して強くなる推進剤118 を有していてもよい。 各チャンバ116 は実質的に同じ量の力で発射体を推進することが可能であり、点火されるチャンバの数と発射速度との間に実質的に線形の関係を生成する。 さらに、チャンバの構造は発射速度を選択するための付加的な変数を提供することができる。 例えば、いくつかのチャンバ116 はチャンバ116 内で点火された推進剤118 が大きい圧力を得るまで元のままであるように構成されることができ、したがっていくつかのチャンバ116 が組合わせて使用されるとき他よりも大きい推進力および多くの変化する発射速度を与えることを可能にする。

図５を参照すると、この例示的な推進システム114 は２個のチャンバ122 および124 を有している。 チャンバ122 、124 の少なくとも一方は推進剤126, 128を含んでおり、それは他のチャンバ中の推進剤を点火させずに点火されることができる。 発射体110 の高い速度を発生するために、両方のチャンバ122 、124 中の推進剤126, 128は実質的に同時に点火される。 低い速度では前部チャンバ124 の前部推進剤128 だけが点火される。

付勢システム120 はチャンバ116 中の推進剤118 の付勢を制御する。 付勢システム120 は任意の方法でチャンバ116 中の推進剤の付勢を制御することができ、任意の適当なプロセスおよび、またはシーケンスにしたがって各チャンバ116 を点火することができる。 例えば、付勢システム120 は図３のように１以上の点火素子130 と制御システム132 を備えてることができる。 点火素子130 はチャンバ116 中の推進剤118 を点火し、制御システム132 は点火素子130 の付勢を制御する。

例示的な実施形態では、各チャンバ116 は少なくとも１つの点火素子130 を有しているが、チャンバ116 中の推進剤118 が隣接するチャンバ116 の推進剤118 の点火のような他の刺激に対して反応するように構成されている場合には点火素子130 を有していなくてもよい。 例えば図５を参照すると、前部チャンバ124 は、後部点火素子134 を使用して後部チャンバ122 中の後部推進剤126 を点火することによって生じた圧力および熱が前部の第２の点火素子136 を使用しないで前部チャンバ124 中の前部推進剤128 を点火させるように配置されることもできる。 種々のチャンバ116 中の推進剤118 を点火するために任意の方法が使用可能であり、それには制御システム132 により直接制御される点火素子130 による点火、点火された推進剤118 が他のチャンバ116 中の推進剤118 を点火するようなチャンバ116 の配置による点火等が含まれている。

点火素子130 は電気点火素子、熱点火素子、振動点火素子、付勢素子、或いはその他の適当なシステムのような推進剤118 を付勢する任意の適当な装置またはシステムでよい。 異なった形式の点火素子130 が異なったチャンバ116 および、または推進剤118 のタイプに応じて使用されることができる。 例えば、点火素子130 は通常の中央点火兵器カートリッジで使用される点火キャップで構成されてもよい。 点火キャップからの熱および圧力はチャンバ116 中の推進剤118 を点火するために使用される。 付勢システム120 はまたワイヤ、導管、機械的接続等を含み、カートリッジケース112 を通って熱、電気信号、力、圧力、或いはその他のトリガー信号を点火キャップその他の機構からカートリッジケース112 または別のチャンバによって閉じられたチャンバ116 に転送する手段を含んでいてもよい。 その代わりに、点火素子130 は電気的および、または電子的信号によって付勢されることもできる。 電気的および、または電子的点火素子130 は本質的にアナログでもデジタルでもよく、適当な電圧、電流、周波数またはその他のパラメータを使用することができる。

この実施形態では、点火素子134, 136は互いに独立して各チャンバ122, 124の推進剤118 を点火する。 他のチャンバ116 とは無関係に選択されたチャンバ116 中の推進剤118 を点火することは選択された発射速度で推進体110 を発射することを可能にする。 例えば後部チャンバ122 と前部チャンバ124 中の推進剤126, 128の実質的に同時の点火は実質的に最大速度で発射体110 を発射することを可能にする。 後部チャンバ122 中の推進剤126 の同時の点火を行わないで前部チャンバ124 中の推進剤128 を点火すると低い速度で発射体110 が発射される。 例示的な実施形態では前部推進剤128 だけの点火は毎秒約３００メートルの速度で発射体110 を発射し、一方、両方の推進剤126, 128の同時の点火は毎秒約６００メートルの速度で発射体110 を発射する。

カートリッジシステム132 は点火素子130 を制御して種々のチャンバ116 中の推進剤118 を選択的に付勢する。 任意の形式のコネクタが制御システム132 と点火素子130 との間で使用されることができる。 制御システム132 は各点火素子を個々に制御し、点火素子のサブセットまたは全ての点火素子を同時に制御することができる。 点火素子130 の個々または別々のグループが制御されるとき、制御システム132 は任意の点火素子130 および、または点火素子のグループと他の点火素子130 および、または点火素子のグループとの点火の関係に任意の適当なタイミングを与えることができる。 例えば、制御システム132 は種々の点火素子130 の付勢の間の待機期間を与え、点火素子130 は任意の適当な順序で付勢されることができる。

推進システム114 では、各点火素子130 が任意の他の点火素子130 とは別に付勢される場合に、点火素子130 の付勢を制御するために任意の方法が使用されることができる。 例えば、制御システム132 は選択された点火素子130 に対して信号を発生し、および、または導く付勢回路を含むことができる。 例えば、分離した個々のワイヤその他の接続は制御システム132 を各点火素子130 に接続し、制御システム132 は各点火素子130 を選択的に付勢するための個々の信号を発生することができる。

図６を参照すると、制御システム132 は、第１および第２のダイオード140, 142を含むダイオード操縦ネットワーク138 を備えていてもよく、それは点火素子130 に電気点火パルスを導く。 この実施形態では、ダイオード操縦ネットワーク138 に供給される正のパルスが付勢して第２のダイオード142 を導通させ、電気信号を後部点火素子134 に供給させて後部チャンバ122 中の後部推進剤126 を点火させる。 点火された後部推進剤126 からの熱および圧力は点火素子136 を使用することなくチャンバ124 中の前部推進剤128 を点火する。 別の実施形態ではチャンバ122, 124中の前部推進剤128 および後部推進剤126 は実質的に同時に点火素子134, 136を付勢することにより実質的に同時に点火されることができる。

反対に、負の点火パルスは第１のダイオード140 を導通させて信号を前部点火素子136 に供給し、その前部点火素子136 は前部チャンバ124 中の推進剤128 を点火する。 前部チャンバ124 中で爆発する前部推進剤128 からの熱および圧力は後部チャンバ122 中の後部推進剤126 を点火しない。 結果的に発射体110 は推進剤128 のみの推進力を使用して推進される。

例示的な実施形態では、種々の速度の発射体110 の点火は、兵器システム中へのカートリッジ100 の負荷、所望の発射速度の選択、所望の発射速度における発射体110 の発射における推進システム114 の付勢、および発射体110 の発射を含んでいる。 推進プロセスはさらに消費されたカートリッジ100 の処理の安全性を増加するための推進システム114 中の全ての推進剤118 を消費するための全ての点火されないチャンバ116 中の推進剤の点火および兵器システムからの不活性になったカートリッジの除去を含んでいる。

兵器システム中へのカートリッジ100 の負荷は任意の適当な方法で行われることができる。 例えば、カートリッジ100 は単一のオペレータ、多数のオペレータにより手作業で負荷され、或いは人間の介在を必要としない装置を使用してで自動的に負荷され、および、または自動的方法と手動的方法との組合わせによって負荷されてもよい。 兵器システム中への兵器の負荷方法は、前に点火したカートリッジケースを取り外すプロセスと組合わされてもよい。 この実施形態では、自動負荷装置が兵器システム中へカートリッジ100 を配置している。

任意の利用可能な情報が適切な発射速度を決定するために使用され、所望の発射速度の実際の選択は適当な方法で達成されることができる。 例えば、発射速度は、所望された距離、ターゲットの近接程度、誘導発射体がターゲットを捕捉するために必要な時間、検出を避ける必要性等に関係している。 所望の速度が決定されたならば、その速度が選択されて例えば手動設定スイッチにより制御システム132 に通報され、或いは距離検出装置から自動的に転送され、または秘密保持されたのまたは秘密保持されないリンクによって別の位置から転送され、或いは自動的技術と手動的技術との組合わせによって通報される。

推進システム114 は、発射体110 が選択された発射速度で発射できるように任意の適当な方法で付勢されることができる。

推進システム114 は任意の適当な方法で付勢されて、選択された発射速度で発射体110 が発射されることができる。 推進システム114 は、例えば引金を引くことにより点火素子130 を付勢し、兵器システムがターゲットを捕捉するのを待機し、電子的に推進システム114 を自動的に付勢し、制御システム132 を手動で付勢してそれにより推進システム114 を電気的に付勢する。 この実施形態では、高い速度の選択は制御システム132 に第２のダイオード142 と後部点火素子134 を通る正の電気パルスを発生させ、それは後部チャンバ122 中の後部推進剤126 を点火させる。 後部チャンバ122 中の後部推進剤126 の爆発は前部チャンバ124 中の前部推進剤128 を爆発させ、発射体110 を両方の推進剤126, 128の組合わせた力により推進させる。 カートリッジケース112 は発射後は全ての推進剤118 が消費されているため不活性である。 低い速度を選択すると、制御システム132 に負の電気パルスを発生させ、そのパルスは第１のダイオード140 と前部点火素子136 を通る信号を導いて前部チャンバ124 中の前部推進剤128 を点火する。 発射体110 は前部推進剤128 のみによって発生された力で推進される。

発射体が所望の速度で発射された後、推進システム114 中に残っている推進剤118 はカートリッジ100 の処理を安全にするために消費される。 残留推進剤118 の消費は、任意の適当な方法で行われることができる。 例えば、オペレータまたは制御システム132 はどのチャンバ116 が推進のために点火されたかを追跡して、点火されていないチャンバ16中の推進剤118 を点火する。 その代わりに、オペレータまたは制御システム132 は、推進システム114 が確実に不活性にされるように発射体110 が発射された後に全てのチャンバを点火してもよい。 この実施形態では、低い速度で発射体110 を推進して後部チャンバ122 中に未使用の後部推進剤126 を残している。 発射体110 が発射されて兵器システムがクリアにされた後、制御システム132 は正の電気パルスを発生して後部推進剤126 を点火してもよい。 推進剤126 の爆発によって発生した膨張するガスは兵器システムの砲身から排出される。

使用されたカートリッジ100 は任意の適当な方法で、例えば機械的または手作業で、または機械的と手作業の組合わせで兵器システムから除去される。 除去手順は例えば負荷手順の逆であってもよい。 除去手順は次のカートリッジ100 に対する負荷手順と組合わされることもできる。 この実施形態では、自動負荷装置が不活性のカートリッジ100 を兵器システムから排除している。

前述の説明は多くの詳細な説明を含んでいるが、これらの説明は本発明の技術的範囲を規定するために行われたのではなく、この発明の例示的な実施形態のいくつかのものの単なる説明に過ぎない。 本発明の技術的範囲はその他の実施形態を十分に含んでおり、したがって特許請求の範囲に記載されている事項以外により限定されるものではない。 特許請求の範囲の記載において明瞭に規定されていなければ、１つは単一、すなわちただ１つを意味するのではなく、１以上を意味している。 前述の例示的な実施形態の構成要素に構造的、化学的、および機能的に等価な素子は、特に断らない限り特許請求の範囲に含まれることが意図されている。 さらに、本発明により解決されると考えられる各問題およびあらゆる問題を装置および方法に関して説明する必要はなく、特許請求の範囲に含まれる。 さらに、この明細書で開示されている素子、コンポーネント、方法のステップはそれらの素子、コンポーネント、方法のステップが特許請求の範囲に明瞭に記載されているか否かにかかわりなく公開することを意図しているものではない。 「…のための手段(means for) 」の表現を使用して素子が記載されていても、米国特許法第１１２条第６文節にしたがって解釈される素子はない。 含んでいる、具備している等の表現は、素子のリストを構成しているプロセス、方法、物体、或いは装置等が、それらの素子だけではなく、そのようなプロセス、方法、物体、装置等にリストされない、或いはそれらに固有ではない他の素子を含むように例外なくカバーされていることを意味している。

例示的なカートリッジの概略図。

例示的なカートリッジの断面図。

例示的なカートリッジの断面図。

２個のチャンバを有する例示的なカートリッジの概略図。

２個のチャンバを有する例示的なカートリッジの概略図。

例示的な制御システムの概略図。