نوع مقاله : مقالة‌ تحقیقی‌ (پژوهشی‌)

نویسندگان

1 استادیار، دانشکدة مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران

2 دانشیار، پژوهشگاه هوافضا، وزارت علوم تحقیقات و فناوری، تهران، ایران

چکیده

برای ایجاد درگ و کاهش سرعت در فاز ورود به جو کاوشگرهای فضایی، می توان بدون استفاده از مکانیزم‌های اضافی از خود بدنه کاوشگر به طور مطلوب استفاده نمود. رویکردی که در این مقاله تجزیه و تحلیل می‌شود عبارت است از جدایش دماغه و سپس پایداری جسم استوانه‌ای در مود افقی یا عمودی با کمک تنظیم محل مرکز جرم. در ابتدا با حل عددی، جسم استوانه‌ای در شرایط پروازی ورود به جو شبیه‌سازی آیرودینامیکی می‌شود و محل مرکز جرم برای رسیدن به هر کدام از حالت‌های پایداری طراحی می‌شود. سپس با توسعه معادلات حرکت شش درجه آزادی بازگشت به جو و استفاده از ضرایب و مشتقات آیرودینامیکی محاسبه شده توسط دتکام، پارامترهای پروازی شامل سرعت، شتاب، ارتفاع، زاویه حمله و عدد ماخ برای هر دو حالت مقایسه و ارزیابی می‌شوند. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهند که بازیابی افقی قادر است شرایط مطلوب‌تری را برای باز شدن چتر و فرود ایمن ایجاد کند. از جمله این شرایط، سرعت حدی محموله در فاز فرود هست که برای مود افقی مقدار کمتری نسبت به مود عمودی دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Design and Dynamic Analysis for Vertical and Horizontal Cylindrical Body in Reentry Flight

نویسندگان [English]

  • Morteza Tayefi 1
  • Ramin Kamali Moghadam 2

1 Assistant Professor, Department of Aerospace Engineering, K. N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran

2 Associate Professor, Aerospace Research Institute, Ministry of Science, Research and Technology, Tehran, Iran

چکیده [English]

To create drag and reduce the speed of space payloads in the phase of entering the atmosphere, the payload body itself can be used as brake mechanisms without using additional tools. The approach analyzed in this paper is the separation of the nose and then the stability of the cylindrical body in horizontal or vertical mode. First, by numerical solution, the cylindrical body is aerodynamically simulated in the flight conditions entering the atmosphere, and the location of the center of mass is designed to achieve static stability. Then, by developing the equations of motion of atmospheric reentry using aerodynamic coefficients and derivatives calculated by DATCOM, the flight parameters for both modes are compared and evaluated. The simulation results show that the horizontal flight is more efficient and is able to create better conditions for opening the parachute and landing. Another advantage of atmospheric reentry flight in horizontal mode is the proper distribution of aerodynamic heating and reduction of heat load in certain points of the payload.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Reentry flight
  • Space capsule
  • Cylindrical body
  • Static and dynamic stability
[1] C. Demartino, F. Ricciardelli  "Aerodynamics of nominally circular cylinders A review of experimentalresults for Civil Engineering applications," Engineering Structures, vol. 137, pp. 76-114. 2017.
[2] A. Stamminger, "Atmospheric re-entry analysis of sounding rocket payloads," In 18th ESA Symposium on European Rocket and Balloon Programmes and Related Research, pp. 193-198. ESA Publications Division, 2007.
[3] NASA Sounding Rockets user Handbook,  "Rockets Program Office Sub-orbital and Special Orbital Projects Directorate." NASA Goddard Space Flight Center Wallops Flight Facility (2015): 1-181. Goddard Space Flight Center, 2015.
[4]  J. Turner, M. Hörschgen, W. Jung, A. Stamminger, and P. Turner, "SHEFEX – hypersonic re-entry flight experiment  Vehicle and Subsystem Design, Flight Performance and Prospects." 14thAIAA/AHI Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference, pp. 8115. 2006.
[5] G. L. Winchenbach, G. T. Chapman, W. H. Hathaway, A Ramsey, and C. Berner. "Dynamic stability of blunt atmospheric entry configurations," Journal of Spacecraft and Rockets, Vol. 39, No. 1, pp. 49-55.  2002.
[6] S. Teramoto, K. Hiraki, and K. Fujii, "Numerical analysis of dynamic stability of a reentry capsule attransonic speeds," AIAA Joural, Vol. 39, No. 4, pp. 646-653. 2001.
[7] J. E. Theisinger, R. D. Brau, "Multi-objective hypersonic entry aeroshell shape optimization," journal of Spacecraft and Rochets Vol. 46, No. 5, pp.  957-966.  2009.
[8] A. Mohammadi, M. Tayefi, H. Kashani, "Rate regulation of a suborbital reentry payload by moving mass actuators," Journal of Aerospace Engineering, 227(1), IMechE, 2012.
[9] A. Mohammadi, M. Tayefi, M. Ebrahimi, "Robust sliding mode control of a moving-mass actuated suborbital reentry biological payload," 64th International Astronautical Congress, Beijing, China, 2013.
[10] H. Bohrk, H. Weihs, H. Elsaber, "Hot structure flight data of a faceted atmospheric reentry thermal protection system," International Journal of Aerospace Engineering, pp1-16, 2019.
[11] A. Tewari, "Atmospheric and space flight dynamics modeling and simulation with Matlab and Simulink," Birkhauser, 2007.
[12] P. H. Zipfel, "Modeling and simulation of aerospace vehicle dynamics, second edition," AIAA, 2007.
[13] M. Tayefi, A. Mohammadi, and M. Ebrahimi, "Development of a space launch vehicle 6DoF multipurpose simulation software," 18th AIAA/3AF International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference, Tours, France, 2012.
[14] M. Tauber, “A review of high-speed, convective heat transfer computation methods,” NASA TP-2914, 1989.
[15] G.T. Chapman, “Theoretical laminar convective heat transfer & boundary layer characteristics on cones,” NASA TN D-2463, 1964.
[16] ANSYS, Inc., “ANSYS fluent theory guide, turbulence modeling”, Release 15, 2013.