Modelling the external ballistics of tranquilliser darts
Date
2021-03
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: To facilitate the design of tranquilliser darts, several ballistic models are investigated, derived, implemented and verified. Sensitivity analysis showed the
required model fidelity and parameter accuracies are significantly less stringent
for subsonic, flat trajectories. This agrees with doppler radar measurements
suggesting drag stabilised darts have a near constant drag coefficient. This is
further corroborated by computational fluid dynamics (CFD) analysis: aerodynamic coefficients are independent of velocity but sensitive to angle of attack.
The tailpiece however ensures there is little to no pitching and/or yawing, eliminating non-linearities due to instability (the angle of attack). Consequently, a
single CFD analysis at an average velocity can sufficiently estimate the aerodynamic forces and moments. For the same reasons, Point-mass and Modified
point-mass approximations are qualitatively on par with Rigid-body approximations (in most cases).
Due to drag stabilisation by the tailpiece, the drag coefficients measured and
simulated are high (CD >= 0.9). Future designs' aerodynamic efficiency can
be improved by rather using spin stabilisation. Point-mass and Modified pointmass approximations are however unable to account for instabilities. If considered, Rigid-body approximations are recommended to confirm initial stability.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Om die ontwerp van verdowingspyle te vergemaklik, is verskeie ballistiese modelle ondersoek, geïmplementeer en geverifieer. Sensitiwiteitsanalise toon modelgetrouheid asook dat parameterakkuraatheid minder streng is vir kort en plat trajekte. Dit stem ooreen met doppler radar metings waar die verdowingspyl se sleur koëffisiënt konstant is. Berekenings vloeimeganika (BVM) toon dat die verskeie koëffisiënte onafhanklik is van snelheid maar sensitief vir invalshoek. Die stert verseker 'n klein invalshoek en bevorder sodoende die konstante geaardheid van die koëffisiënte. Gevolglik sal 'n eenmalige BVM simulasie, by 'n gemiddelde snelheid voldoende wees om die aerodinamise kragte en momente te bepaal. Vir soortgelyke redes is Puntmassa en Gemodifiseerdepuntmassa analises kwalitatief gelykstaande aan Rigiede-liggaam analises. As gevolg van die stert, is die sleur koëffisiënt hoog (CD >= 0.9). Aerodinamies kan verdowingspyle vebeter word deur eerder gebruik te maak van spin stabilisasie. Puntmassa en Gemodifiseerde-puntmassa neem aan die verdowingspyl is stabiel, wat nie noodwendig die geval is nie. Indien spin stabilisasie oorweeg word, stel ons Rigiede-liggaam simulasie voor as 'n grondslag om stabiliteit te bevestig.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Om die ontwerp van verdowingspyle te vergemaklik, is verskeie ballistiese modelle ondersoek, geïmplementeer en geverifieer. Sensitiwiteitsanalise toon modelgetrouheid asook dat parameterakkuraatheid minder streng is vir kort en plat trajekte. Dit stem ooreen met doppler radar metings waar die verdowingspyl se sleur koëffisiënt konstant is. Berekenings vloeimeganika (BVM) toon dat die verskeie koëffisiënte onafhanklik is van snelheid maar sensitief vir invalshoek. Die stert verseker 'n klein invalshoek en bevorder sodoende die konstante geaardheid van die koëffisiënte. Gevolglik sal 'n eenmalige BVM simulasie, by 'n gemiddelde snelheid voldoende wees om die aerodinamise kragte en momente te bepaal. Vir soortgelyke redes is Puntmassa en Gemodifiseerdepuntmassa analises kwalitatief gelykstaande aan Rigiede-liggaam analises. As gevolg van die stert, is die sleur koëffisiënt hoog (CD >= 0.9). Aerodinamies kan verdowingspyle vebeter word deur eerder gebruik te maak van spin stabilisasie. Puntmassa en Gemodifiseerde-puntmassa neem aan die verdowingspyl is stabiel, wat nie noodwendig die geval is nie. Indien spin stabilisasie oorweeg word, stel ons Rigiede-liggaam simulasie voor as 'n grondslag om stabiliteit te bevestig.
Description
Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2021.
Keywords
Ballistics, Exterior, Computational fluid dynamics, Tranquilliser darts, Rigid-body, UCTD