Bullet system that is stabilized by gyroscopic effect for use for the purposes of water

【発明の詳細な説明】 水中の目的に対して使用するためのジャイロスコープ効果で安定にされた弾丸システム［発明の技術的背景］ 本発明は兵器、特に適度の水中距離範囲に位置する水中目標に対して空中から発射されることができる弾丸システムに関する。 弾丸は空中のターゲットに対して広く使用されている。 最も普通の方法では、 弾丸は発射火薬と共に砲中に配置される。 発射火薬は点火され、砲身から弾丸をターゲット方向へ駆動する。 弾丸が水中のターゲットに対して空中から発射される能力は主として３つの理由により極めて限定されている。 第１に、弾丸の弾道は空気と水との境界（即ち水面）に達したとき、基本的に変化する。 水面に対して浅い入射角度では、弾丸は全く水中に入れず、代りにはねながら移動する。 水面に対して高い入射角度では、弾丸は水中に入れるが、その通路が変更される。 この問題は常に考察されているが、特に水面が波の動作により常に変化する状態を有しているときの弾丸の正確性が問題である。 第２に、水により発生される抵抗力は弾丸の速度を急激に低下させ、その距離を著しく限定する。 水中での一般的な弾丸の距離は弾丸の重量と初速度にしたがって変化するが、典型的に、通常の２０ミリメートルの弾丸では最適な状況下でもせいぜい約３フィートである。 第３に、弾丸の側面の流体力学的な力は弾丸を回転させ、さらにその距離と効果を限定する。 これらの理由で、弾丸は潜水したターゲットに対して空中からはほとんど発射されない。 通常の弾丸が、潜水したターゲット方向へ空中から発射されたならば、これらは非常に非効率である。 代りに機雷等の自己推進装置が使用されるが、 この場合でさえも、機雷は推進が開始される前に水中に落下される。 水中のターゲットに対して空中から発射されることができる弾丸が有効な応用が存在する。 例えば、水陸両用の軍事動作に対する標準的な防衛は、海岸近くの上陸領域に適度の深さに機雷を配置する。 このような機雷は相当の危険性はあるが、特別に訓練されたスイマーにより除去されるか、または動作上非常に制限をもつロボット装置により除去される。 代りの方法はヘリコプターのように空中から水中の機雷へ弾丸を発射することである。 弾丸はこのような応用の自己推進装置よりも非常に廉価であり、小口径および大口径の両者の範囲の兵器から発射する種々の大きさおよびタイプで製造される。 従って、水中のターゲットに対して空中から発射されることができる弾丸が必要とされる。 本発明はこの必要性を達成し、さらに関連する利点を与えるものである。 ［発明の要約］ 本発明は弾丸システムと、その使用方法を提供する。 この弾丸システムは潜水した目標に対して空中から発射され、ターゲットに達するまでの進路で、空気と水の境界面を通過する。 弾丸の実際の射程距離は、０．５０口径の寸法では水面下で約１５フィートである。 弾丸はその入射角度にかかわらず、ほとんどまたは全く偏向がなく空気と水の境界を通過することができる。 弾丸は比較的廉価であり、種々の口径の通常のおよび特殊の両者の兵器のために製造されている。 本発明によれば、弾丸システムは、前端部と後端部を有し、ほぼ対称円筒形状の弾丸本体を含む弾丸を有している。 弾丸は、弾丸本体が水を通過したとき、弾丸本体周辺にキャビテーション空間を形成する手段を含んでおり、これは弾丸本体前端部に位置する。 また、横方向の不安定性に対して弾丸本体を安定化する手段が弾丸本体に結合されている。 この弾丸を使用すると、キャビテーション空間は、弾丸の濡らされた前端部から半径方向外側に後方に延在する実質的に液体のない空間となる。 空気および水蒸気だけで充填されているこの空間は、弾丸の本体上にほとんど抵抗力および／ または横方向の力を及ぼさない。 結果的に、弾丸は水中で適度に大きい距離を移動することができる。 弾丸が水中を移動したときに横方向に不安定になり、それによって弾丸の円筒軸が弾道（飛行路）と一致しない場合、安定化手段はキャビテーション空間の表面と相互に作用し、弾丸の円筒軸を弾道と一致させるように押し戻す復元力を生じる。 そのような復元力がない場合、弾丸は直ぐにその弾道から逸脱し、首振り運動を始める。 好ましい実施形態では、弾丸システムは通常、弾丸の前端部と後端部とを有する対称円筒形状の弾丸を具備する。 弾丸は弾丸の前端部にスティンガーヘッドを有する。 スティンガーヘッドはノーズの最大直径を有するスティンガーノーズと、前端部がスティンガーノーズの後端部に結合するスティンガー本体を有するスティンガー本体とを含んでいる。 スティンガー本体はノーズ支持直径を有するスティンガーノーズ支持体と、スティンガーノーズ支持体とスティンガーノーズの間に水流分離溝とを有する。 水流分離溝はノーズの最大直径よりも小さい直径の溝を有する。 弾丸はさらにスティンガーヘッドに結合するほぼ対称円筒形状の弾丸本体を含んでいる。 この弾丸本体はノーズ支持体の最大直径よりも大きい直径を有する弾丸後部と、前端部でスティンガーノーズ支持体に結合し後端部で弾丸後部に結合する弾丸前部を含んでいる。 側面方向の不安定に対して弾丸を安定化する手段が存在する。 ここで使用されている“弾丸”は外部の力により推進される物体であり、自己推進の能力はない。 従って、これを使用するとき、弾自体は自己推進能力をもたないので、弾が発射された後に砲身に残留する発射火薬のカニスタに取り付けられた弾が弾丸である。 例えば、組み込み式エンジン有し、燃料を備えている航空機、ロケット、機雷は弾丸ではない。 本発明は、自己推進装置ではなく、弾丸およびこれを使用するシステムに関する。 弾丸の長さに沿って直径を変化するために、弾丸システムはさらに、最初に弾丸周辺に適合し、発射される兵器の口径に滑らかに適合する均一の直径を生成する使い捨て可能なサボットをさらに含むことができる。 弾丸システムの発射後、 サボットは外れて落ち、弾丸は弾道に沿ってターゲットヘ飛行する。 本発明は弾丸システムの技術に重要な進歩を与える。 本発明の弾丸は水中のターゲットに対して空中から効果的に発射されることができる。 空中では、弾丸は一直線の弾道に沿ってスピンで安定化されている。 弾丸は広範囲の入射角度でほとんど偏向がなく空気と水の境界を通過する。 水中では、弾道が維持されており、適度の水中距離が存在する。 本発明の他の特徴および利点は、添付図面を伴って、本発明の原理を例示により示した好ましい実施形態の後述の詳細な説明から明白になるであろう。 ［図面の簡単な説明］ 図１は潜水したターゲット方向へ空中から発射される一連の弾丸の概略図である。 図２は弾丸の１実施形態の側面図である。 図３は図２の弾丸の前端部の正面図である。 図４は図３の線４−４に沿った図２、３の弾丸の断面図である。 図５は弾丸の後部を示している図２の詳細概略図である。 図６はスティンガーヘッドを示している図２の詳細図である。 図７は水中を通って一直線の弾道を移動する弾丸の概略図である。 図８は弾丸が側面方向の不安定性を受けている点を除いて図７と類似している概略図である。 図９はサボットを有する弾丸の概略図である。 図１０は弾丸の第２の実施形態の側面図である。 図１１はスティンガーヘッドの別の実施形態を示した図１０の詳細図である。 図１２は弾丸の第３の実施形態の側面図である。 図１３は水中ターゲットに損傷を与える方法のブロックフロー図である。 ［実施例］ 図１において、空中に位置され、水中に沈んでいるターゲット24に向けられた砲22の砲身から発射される一連の弾丸20が示されている。 最初に発射された弾丸26は空気と水との境界面28を通過し、水によって囲まれる。 最初に発射された弾丸26はその最先端部を除いてキャビテーション空間30内に位置し、そのため実際には周囲の水に触れない。 ２番目に発射された弾丸32はまだその空中の弾道に沿って移動している状態である。 任意のサボットの部片34は、２番目に発射された弾丸32が砲22から発射された直後に弾丸32から分離される。 ３番目に発射された弾丸36は、その分離の前で弾丸の周囲に位置されているサボット38を有している。 弾丸36およびサボット38は一緒に弾丸システム40の一形態を構成する。 図２において、弾丸50の一実施形態の側面図が示されており、図３において、 同じ弾丸の正面図が示されている。 弾丸50はほぼ対称円筒形であり、前端部52および後端部54を有している。 本明細書において使用されているように、“ほぼ対称円筒形”とは、本体の周囲で間隔を隔てられている破裂溝、フィン、あるいはフレア等の個々の部分的形状を除いて、円筒軸56に関して対称の円筒形であることを意味している。 弾丸50の長手方向の大部分は弾丸本体58である。 弾丸本体58は、弾丸本体58の後半部をほぼ占めるほぼ対称円筒形の弾丸の後部60を含んでいる。 弾丸本体58はまた、その後端部64が弾丸の後部60と隣接しているほぼ対称円筒形の弾丸の前部62も含んでいる。 弾丸本体58において、弾丸の前部62は切頭円錐形状である。 弾丸本体58はタングステン等の装甲貫通材料で作られることが好ましい。 弾丸本体58は、図４に示されているようにペイロード空洞66を含むように最適に中空にされる。 ペイロード空洞66は、過塩素酸塩リチウム酸化剤あるいは爆薬等の反応性化学薬品を含んでいる。 ターゲット24との衝突の際の弾丸本体58の破裂およびそれに続くペイロード空洞66の内容物の散布を高めるために、破裂溝68 のパターンが図５に示されているように弾丸本体58の外部表面上に形成されることが好ましい。 破裂溝68は、円筒軸56に平行に延在している長手方向の溝70およびペイロード本体58の周囲に延在している１以上の周囲溝72とを含んでいる。 弾丸50が水中を迅速に移動するときに弾丸50の周囲にキャビテーション空間30 の生成を導く構造は、弾丸50の前端部52に位置される。 この構造は、弾丸本体58 に沿って水が流れないように水を通過させる。 その代りに、水は弾丸本体58の側面と接触してそれを濡らさないように横方向に追いやられる。 キャビテーション発生構造だけが水と接触して濡らされる。 キャビテーション空間30は、幾らかの空気および水蒸気を含む部分的真空である。 図６において、キャビテーション発生構造であるスティンガーヘッド74の一形態が示されている。 スティンガーヘッド74は、円筒軸56に関して対称円筒形であり、弾丸本体の前端部76に固定されている。 スティンガーヘッド74は、最前部のスティンガーノーズ78を含んでいる。 この実施形態において、スティンガーノーズ78は、ノーズが最大直径Ｄ _Nである平坦で鈍い前面80を含んでいる。 この前面8 0は、非常に平滑で、表面の粗さは約１６マイクロインチ以下であることが好ましい。 前面80の後方で、スティンガーノーズ78は前面80に関して約８０°であることが望ましい角度Ａで半径方向内側に傾斜している。 スティンガーノーズ78はスティンガーボディ82上で支持されており、そのスティンガーボディ82は弾丸本体の前端部76に固定されている。 スティンガーボディ82は円筒形のスティンガーノーズ支持体84を含み、また、スティンガーノーズ支持体84とスティンガーノーズ78との間に周囲水流分離溝86を含んでいる。 示された好ましい実施形態において、水流分離溝86は、スティンガーノーズ支持体84とスティンガーノーズ78との間の前方向に向いたショルダとして見なされることもできる。 水流分離溝86の直径Ｄ _Gは、スティンガーノーズ78の前部面80の直径Ｄ _N より小さい大きさである。 スティンガーヘッド74は、水との衝突に耐えるために高速度鋼、タングステンカーバイド、あるいはタングステン合金等の硬い材料で作られていることが好ましい。 スティンガーヘッド74は、毎秒３０００乃至４０００フィート程度の速度で水と衝突し、それによって、約０．１マイクロ秒の期間中にスティンガーヘッド上に約５０キロバールの負荷が生じる。 スティンガーヘッド74のスティンガーノーズ78部分は、境界層の寸法を薄くするために非常に平滑でなければならない。 弾丸が水中を移動している間に所望された大きさの境界層を得るためには、スティンガーノーズ78の表面の粗さが約１６マイクロインチ以下でなければならない。 弾丸50が高速で水中を移動するとき、水流境界層がスティンガーノーズ78において生成される。 水流境界層は、スティンガーノーズ78の表面に付着する。 スティンガーノーズ78の側面に沿って、内側に傾斜した形状のスティンガーノーズ78 は水流分離溝86と協働し、弾丸50が水中を移動するときに弾丸50と水の意図された水流分離を行う。 図７に示されているように、この水流分離によってキャビテーション空間30が生成される。 従って、弾丸50のスティンガーノーズ78の部分の前方向に向いた表面80だけが水に触れ、弾丸50の残りは濡らされない。 それ故に、弾丸50上の圧力および外殻の抵抗は最小であり、結果的に従来の弾丸との比較において弾丸の水面下での射程距離は大きく拡大する。 潜在的に弾道から外れる原因となる弾丸への流体力学効果も減少される。 スティンガーノーズ78は空中を通る通路に対して最適に流線形にされていないが、その直径が小さいために、付加的な空気抵抗はわずかであり、弾丸50は空中で超音速飛行を行うことができる。 それにもかかわらず、弾丸50が空気と水の境界28において水中に入るとき、あるいはそれが水中を移動するときに弾丸50に横方向の力が与えられる可能性がある。 弾丸50の通常の運動において、その円筒軸56は、弾丸50をその弾道上でジャイロスコープ的に安定させるためにその弾道88を中心に回転する。 次に説明されるような横方向の安定化手段がなく、横方向に不安定であるとき、後端部54は前端部52に関して横方向に移動する。 弾丸の側面がキャビテーション空間30の壁と接触し、弾丸の側面を濡らす。 この場合、弾丸50の首振り運動が生じ、水の抵抗が増加し、キャビテーション空間30が破壊され、弾丸50が急激に減速する。 横方向の不安定さを相殺するために、横方向の不安定さに対抗して弾丸を安定化する手段が弾丸本体58上に設けられる。 その安定化手段として、弾丸50は、図２、５、７および８に見られるように弾丸の後部60と弾丸の前部62との間に位置された前方に面した安定ショルダ90を含んでいる。 この安定ショルダ90は、弾丸の後部60の直径をその結合点において弾丸の前部62の直径よりも大きくすることによって形成される。 ショルダ90は、円筒軸56に対して９０°であり、あるいは後方に傾斜している。 安定ショルダ90は、図８において示されているような方法で機能する。 弾丸50 がキャビテーション空間30の壁にヨー運動で接触した場合、安定ショルダ90はキャビテーション空間30の包絡線と接触するように動かされる。 安定ショルダ90に対する水圧によって、弾丸50の円筒軸56をその弾道88と一致するように押し戻す復元力が生成される。 安定ショルダ90は、ターゲット24との衝突の際だけに与えられ、弾丸が水中等に入ったときには受けない破裂力を弾丸本体58上に与えることによって弾丸50の破裂に役立つ。 スティンガーヘッド74および弾丸の前部62がターゲットを貫通した後、ターゲットは安定ショルダ90と接触してそれを押し、それによって弾丸の後部60の外部容器を破裂溝68に向けて後方に押す。 この関連した動きによって弾丸の後部60の外部容器の破裂およびペイロード空洞66の内容物の露出および散布が誘起される。 弾丸50は、図２に示された３つの部分、すなわち、スティンガーヘッド74、前部ユニット92および後部ユニット94で構成されることが望ましく、それらは最終的に弾丸50として組立てられる。 この方法は、スティンガーヘッド74が高速度鋼、タングステンカーバイド、またはタングステン合金のような硬い耐腐食性および耐衝撃性材料から形成されることを可能にする。 スティンガーヘッド74は機械加工によって非常に滑らかに仕上げられることができる。 弾丸前部ユニット92は質量を提供して、砲身の内側の摩耗を減少するようにタングステンのような高密度の材料から形成される。 弾丸後部ユニット94は、弾丸の後方における質量を減少させるように銅または真鍮のようなソフトで密度の低い材料から形成される。 図９に示されているように、初めに弾丸50はサボット38内に格納された状態で配置されている。 サボット38は弾丸本体58上に適合し、弾丸前部62およびスティンガーヘッド74がそこから突出することを可能にする複数の部分34から成る組立て式のハウジングである。 サボット38は、弾丸本体58を構成している金属およびハード材料とは異なって、弾丸システム40がそこから発射されたときに砲22の砲身の内部壁をそれ程摩耗させないナイロン612 のような比較的ソフトな材料から形成される。 弾丸システム40は、通常の弾のようにしてサボットの背後に火薬およびプライマーも含んでいるカートリッジ（図示されていない）中に装填される。 この組立体は砲22中に装填され、その弾薬が点火され、弾丸システムは砲から砲身全長を通って発射される。 サボット34の外部表面に対して作用する砲身の旋条作用は、円筒軸56に関する弾丸システム40の回転を誘起する。 この回転は、通常の弾丸において誘起された回転と同様に、弾丸が空中を飛行する際にその弾道をジャイロスコープ効果で安定にする。 最初に、サボット38が砲22を離れた時それは弾丸50と接触したままである。 図１の弾丸36を参照されたい。 短時間後、サボット部分34は図１の弾丸32に対して認められるように、加えられた空気力の影響の下で弾丸から分離する。 サボット部分34は廃棄され、弾丸はその軌道に沿ってターゲットに向かって走行する。 弾丸50は好ましくは４：１より大きい長さ対直径比（Ｌ／Ｄ）を有し、約４： １乃至約８：１であることが好ましい。 もっと小さい値のＬ／Ｄでは、復元力モーメントアームは横方向の不安定性を相殺するのに不十分であり、満足できる貫通深度のためには弾丸の質量が不十分である。 もっと大きい値のＬ／Ｄでは、弾丸はジャイロスコープ効果による安定が困難となり、また通常の砲機構に適用することができない。 比較すると、通常の発射された弾丸は約２乃至３のＬ／Ｄ比を有する。 図１０乃至１２に示されているように、弾丸に対して種々の修正が行われてもよい。 これらの修正を成された弾丸の特徴は、ほかの点では弾丸50に関して前に説明されたものと同じであり、これらの説明はここに引用される。 これらの特徴は適宜、種々に組合せられて使用されてもよい。 図１０は、弾丸の後部104 の後端部54に弾丸の後部104 の半径方向にフレア状にされた拡大部102 を有する弾丸100 を示す。 この半径方向にフレア状にされた拡大部102 は、安定ショルダ90と同様に安定化機能を提供する。 横方向における不安定性の結果、半径方向にフレア状にされた拡大部102 がキャビテーション空間30の側面に接触した場合、それは安定ショルダ90に対して前に説明されたようにして復元力を生成する。 半径方向にフレア状態にされた拡大部102 を使用すると、弾丸100 の重心に対するのモーメントアームが弾丸100 の重心に対する安定ショルダ90のモーメントアームよりも大きく、それによって復元トルクがより大きくなるという利点を有している。 しかしながら、これは弾丸100 の外径が増加し、所望されたような弾丸100 の前部においてではなくむしろ後部に質量が加えられる欠点を有している。 スティンガーヘッド106 の別の実施形態は図１０にも示されており、図１１にはさらに詳細に示されている。 スティンガーヘッド106 は、円錐形前部面108 が図６の平坦な前部面80で置き換えらていることを除き、スティンガーヘッド74と同じである。 円錐形ノーズ108 の円錐形の先端角度Ｂは約 130°の大きさであるが、依然として弾丸100 が水中を移動しているときにキャビテーション空間30を結果的に形成させる水流分離を誘導するようにスティンガーヘッド106 が水流分離溝86と共同することを可能にする。 図６の平坦な前部面80は、水流分離を誘導するために好ましいが、円錐形前部面108 の使用には、それが空気と水の境界28 で水に入った時の弾丸100 上に衝撃荷重を減少させるという利点がある。 高質量の弾丸、および高い砲口速度を生成する弾丸発射火薬を使用する設計に対して、 弾丸が水に入ったときにばらばらにならないように、このような衝撃荷重を減少することが必要される可能性がある。 図１２はまた弾丸前部118 の別の実施形態を示す。 図２の弾丸前部62はほぼ円錐形である。 図１２の弾丸前部118 は曲面である。 楕円の一部分を含むものとして一般に説明することのできる形状を有する曲面は、円錐形状と比較して外側に凸状に湾曲されている。 曲面は、弾丸100 の付加的な質量が所望に応じて弾丸10 0 の後端部ではなく、その前端部に向かって集められることを可能にする。 曲面の形状は、別の理由のためにいくつかの通常の弾丸、ミサイルおよびロケットのようないくつかの他の装置において使用され、空力抵抗を減少させている。 曲面の弾丸前部118 は、円錐形の弾丸前部62と比較して、空力抵抗にほとんど影響を与えない。 その代わりに、前述のように、その機能は弾丸110 の質量を増大させることであり、その質量は前端部の近くに位置される。 弾丸前部の別の形状もまた使用されることができる。 図１３は、水中の目標物体を破壊する本発明にしたがって構成された弾丸および弾丸システムの任意のものを使用する好ましい方法を示す。 符号130 で示されているように、弾丸システムが配備される。 弾丸システムは前に説明されたようなものであるか、或は前に説明された特徴の組合わせを有する。 符号132 において、弾丸システムが図１に示されているように空中の位置から水中のターゲットに向かって発射される。 弾丸は最初に空中を移動して、空気と水の境界を通過し、それからターゲットに向かって水中を移動する。 本発明の実施形態は、２０ミリメートルで０．５０の口径の弾丸システムのために用意され、空中から水面下のターゲットに対して発射される。 スキップなしの水への貫通は、両方に場合において垂直（９０°）から約２０°程度までの範囲の入射角度で達成される。 通常の弾丸は約３０°以下の入射角度でスキップするが、本発明の弾丸は浅い角度で水中に入ることができる。 従来の２０ミリメートルの弾丸の水面下での射程距離が約３フィートであるのに対して、（本発明の）２０ミリメートルの弾丸の水面下での射程距離は約１００フィートである。 また、従来の０．５０口径の弾丸の水面下での射程距離が約３フィートであるのに対して、（本発明の）０．５０口径の弾丸の水面下での射程距離は約１５フィートである。 （ここにおける射程距離とは、毎秒約１０００フィートの速度でターゲットを撃つための水中での貫通の距離として定義される。） 本発明の特定の実施形態が説明のために詳細に記載されているが、本発明の技術的範囲を逸脱することなく種々の修正および強化を行ってもよい。 したがって、 本発明は添付された請求の範囲によってのみ限定されるものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 コプシー、 リード アメリカ合衆国、 ワシントン州 98362 ポート・エンジェルス、モンロー・ロー ド 1523 (72)発明者 トゥーリン、 マーシャル アメリカ合衆国、 カリフォルニア州 93110 サンタ・バーバラ、ビア・グロリ エッタ 4356 (72)発明者 クライン、 ロイ アメリカ合衆国、 ニュージャージー州 07860、 ニュートン、フレッドン・グリ ーンデル・ロード 27 【要約の続き】