External ballistics: flight dynamics simulation and projectile aerodynamics

In recent years, the study of small-caliber projectile aerodynamics has advanced significantly due to the increasing availability of high-fidelity computational tools. Accurate trajectory modeling is essential for applications ranging from defense to competitive shooting, where precision and stability play a crucial role. Traditional empirical methods remain widely used, but computational techniques such as Computational Fluid Dynamics (CFD) and Six-Degrees-of-Freedom (6-DoF) simulations now offer a more detailed understanding of aerodynamic forces and stability characteristics. In this context, a comprehensive computational framework is developed, integrating CFD simulations, semi-empirical models, and dynamic trajectory analysis to evaluate projectile behavior across different flight conditions. The aerodynamic coefficients obtained from CFD are compared with semi-empirical methods such as Missile DATCOM, showing strong agreement in supersonic regimes while highlighting discrepancies in transonic regions. The use of 6-DoF and Modified Point Mass models allows for precise trajectory predictions, confirming the influence of aerodynamic forces on projectile stability and performance. Rather than relying on new experimental tests, validation is carried out using existing datasets, ensuring alignment between numerical results and real-world observations. The computational approach developed in this thesis provides a robust methodology for analyzing projectile aerodynamics and predicting flight behavior. Future work may extend the 6-DoF model to a full Earth-referenced system using the WGS 84 standard, incorporate Guidance, Navigation, and Control (GNC) algorithms for precision-guided applications, and explore unsteady CFD simulations to capture transient aerodynamic effects.

Negli ultimi anni, lo studio dell'aerodinamica dei proiettili di piccolo calibro ha compiuto significativi progressi grazie alla crescente disponibilità di strumenti computazionali. La modellazione accurata della traiettoria è essenziale per applicazioni che spaziano dalla difesa al tiro sportivo, dove precisione e stabilità giocano un ruolo fondamentale. I metodi empirici tradizionali rimangono ampiamente utilizzati, ma le tecniche computazionali, come la Fluidodinamica Computazionale (CFD) e le simulazioni a Sei Gradi di Libertà (6-DoF), offrono ora una comprensione più dettagliata delle forze aerodinamiche e delle caratteristiche di stabilità. In questo contesto, è stato sviluppato un framework computazionale completo, che integra simulazioni CFD, modelli semi-empirici e analisi dinamica della traiettoria per valutare il comportamento del proiettile in diverse condizioni di volo. I coefficienti aerodinamici ottenuti tramite CFD sono stati confrontati con metodi semi-empirici, come Missile DATCOM, mostrando un forte accordo nei regimi supersonici e evidenziando discrepanze nelle condizioni transoniche. L’utilizzo di modelli 6-DoF e Modified Point Mass ha permesso previsioni accurate della traiettoria, confermando l’influenza delle forze aerodinamiche sulla stabilità e sulle prestazioni del proiettile. Piuttosto che basarsi su nuovi test sperimentali, la validazione è stata condotta utilizzando dataset esistenti, garantendo un allineamento tra i risultati numerici e le osservazioni sperimentali. L’approccio computazionale sviluppato in questa tesi fornisce una metodologia solida per analizzare l’aerodinamica dei proiettili e prevederne il comportamento in volo. Studi futuri potrebbero estendere il modello 6-DoF a un sistema di riferimento terrestre completo utilizzando lo standard WGS 84, integrare algoritmi di Guida, Navigazione e Controllo (GNC) per applicazioni a guida di precisione e approfondire l'uso di simulazioni CFD instazionarie per catturare gli effetti aerodinamici transitori.