بررسی تأثیر طراحی آیرودینامیکی بر پارامترهای پروازی جرم نقطه‌ای هواسر ماوراء صوت

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 پژوهشگر، مرکز آیرودینامیک قدر - دانشکده فنی و مهندسی -دانشگاه جامع امام حسین (ع)-تهران - ایران

2 دانشیار گروه مهندسی هوافضا دانشکده فنی و مهندسی دانشگاه جامع امام حسین (ع)

3 مربی، گروه مهندسی هوافضا، دانشکده فنی و مهندسی ، دانشگاه جامع امام حسین (ع)، تهران، ایران

4 دانشکده فنی و مهندسی. دانشگاه جامع امام حسین(ع)

چکیده

هواسرهای ماوراء صوت به عنوان سامانه‌های غیر قابل رهگیری و با قابلیت مانور عملیاتی بالا در سال‌های اخیر مورد توجه قرار دارند. از طرفی پرواز در محدوده‌ی بیشینه‌ی بازدهی آیرودینامیکی به علت تأثیر در افزایش برد و بالا بردن قابلیت مانور هواسر حائز اهمیت است. در این تحقیق بررسی پارامترهای پروازی هواسر ماوراء صوت شامل موقعیت و سرعت لحظه‌ای نسبت به پروفیل بدنه و مقدار زاویه‌ی اوج‌گیری با استفاده از روش تعیین مسیر پرواز جرم نقطه‌ای انجام شده است. نوع پروفیل بدنه با توجه به افزایش قابل توجه بازدهی آیرودینامیکی و سادگی باز طراحی سایر اجزاء، مقطع بیضی شکل انتخاب شده است. بررسی ضرائب آیرودینامیکی در عدد ماخ 6/7، دقت بالای روش نیوتونی اصلاح شده را به عنوان مبنای محاسبات نشان می‌دهد. نیروهای برآ و پسا در شرایط پروازی با تحلیل دینامیک سیالات محاسباتی برای افزایش دقت تحلیل تصحیح شده است. تغییرات لحظه‌ای ضرائب آیرودینامیکی در هر گام زمانی بسته به ارتفاع و عدد ماخ موجب استفاده از کوپل دو طرفه‌ای میان تحلیل آیرودینامیک و پرواز جرم نقطه‌ای شده است. نتایج افزایش 54 درصد در برد هواسر و 29 درصد در سرعت برخورد آن با کاهش ارتفاع بدنه را نشان می‌دهد. این مقادیر در بررسی‌های مربوط به شعاع انحنای دماغه 16 و 74 درصد و در مطالعه زاویه اوج‌گیری اولیه 44 و 25 درصد می‌باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Investigation of the Aerodynamic Design Effect on Point Mass Flight Parameters in Hypersonic Glider

نویسندگان [English]

  • Amirhossein Hossein 1
  • Farhad Ghadak 2
  • Mohammad Ali Jozvaziri 3
  • mohammad hadi eslamy 4
1 Qadr Aerodynamic Research Center, Imam Hossein University, Tehran, Iran
2 Imam Hossein University, Faculty of Engineering, Aerospace Science Group, Tehran, Iran
3 Imam Hossein University, Faculty of Engineering, Aerospace Science Group, Tehran, Iran
4 Faculty of Engineering. Imam Hussein University
چکیده [English]

Hypersonic glide vehicles have been considered as untraceable systems with high maneuverability in recent years. On the other hand, flying in the range of maximum aerodynamic efficiency is important due to its effect on increasing range and improving air maneuverability. In this research, the hypersonic glider flight parameters including position and instantaneous velocity relative to the body profile and the amount of climb angle have been investigated using the point mass flight path determination method. The type of body profile has been selected due to the significant increase in aerodynamic efficiency and simplicity of redesign of other components, elliptic cross section. The study of aerodynamic coefficients in Mach 6.7 shows the high accuracy of the modified Newtonian method as the basis of calculations, which is then, corrected according to the flight conditions by the computational fluid dynamics. Due to the instantaneous changes in aerodynamic coefficients at each time step, depending on the altitude and Mach number, a two-way coupling between aerodynamic analysis and point mass flight is used. The results show a 54% increase in range and a 29% increase in incident speed with a decrease in body height. These values are 16% and 74% in the studies related to the radius of nose curvature and 44%, 25% in the study of the initial climb angle

کلیدواژه‌ها [English]

  • Hypersonic glider
  • Hypersonic aerodynamic
  • Flight parameters
  • Point mass flight path
[1] C. Dong, Z. Guo, X. Chen, Robust Trajectory Planning for Hypersonic Glide Vehicle with Parametric Uncertainties, Mathematical Problems in Engineering, 2021 (2021).
[2] K.M. Sayler, Hypersonic Weapons: Background and Issues for Congress,  (2019).
[3] K. Lakshmi, P. Priyadarshi, Multi-disciplinary Analysis of a Reentry Vehicle, in:  Advances in Multidisciplinary Analysis and Optimization, Springer, 2020, pp. 19-31.
[4] P. Lu, Entry guidance and trajectory control for reusable launch vehicle, Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 20(1) (1997) 143-149.
[5] Z. Shen, P. Lu, Onboard generation of three-dimensional constrained entry trajectories, Journal of Guidance, control, and Dynamics, 26(1) (2003) 111-121.
[6] P. Lu, S. Forbes, M. Baldwin, Gliding guidance of high L/D hypersonic vehicles, in:  AIAA Guidance, Navigation, and Control (GNC) Conference, 2013, pp. 4648.
[7] W. Chen, H. Zhou, W. Yu, L. Yang, Mathematical Modeling for Hypersonic Glide Problem, in:  Steady Glide Dynamics and Guidance of Hypersonic Vehicle, Springer, 2021, pp. 41-51.
[8] K. Kontogiannis, On developing efficient parametric geometry models for waverider-based hypersonic aircraft, University of Southampton, 2017.
[9] J.J. Bertin, R. Cummings, Aerodynamics for Engineers. 4th, in, Prentice Hall, 2014.
[10] A.H. Lusty Jr, Lifting Bodies of Minimum Drag in Hypersonic Flow,  (1966).
[11] A. Lusty Jr, A. Miele, Bodies of maximum lift-to-drag ratio in hypersonic flow, AIAA Journal, 4(12) (1966) 2130-2135.
[12] H.-Y. Huang, A. Miele, Lift-to-drag ratios of lifting bodies at hypersonic speeds,  (1967).
[13] J.C. Adams Jr, W.R. Martindale, Hypersonic lifting body windward surface flow-field analysis for high angles of incidence, Arnold Engineering Development Center, 1973.
[14] S. Kumar, S.P. Mahulikar, Aero-thermal analysis of lifting body configurations in hypersonic flow, Acta Astronautica, 126 (2016) 382-394.
[15] F. Deng, F. Xie, N. Qin, W. Huang, L. Wang, H. Chu, Drag reduction investigation for hypersonic lifting-body vehicles with aerospike and long penetration mode counterflowing jet, Aerospace Science and Technology, 76 (2018) 361-373.
[16] B. Zhang, Z. Feng, B. Xu, T. Yang, W. Peng, Rapid Aerodynamic Calculation Method for Hypersonic Gliding Vehicle, in:  IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, IOP Publishing, 2020, pp. 012011.
[17] R. Vos, S. Farokhi, Introduction to transonic aerodynamics, Springer, 2015.
[18] J.D. Anderson Jr, Fundamentals of aerodynamics, Sixth ed., Tata McGraw-Hill Education, New York, 2017.
[19] J.D. Anderson Jr, Hypersonic and high-temperature gas dynamics, 2nd ed., American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2006.
[20] L. Neal Jr, Aerodynamic characteristics at a mach number of 6.77 of a 9deg cone configuration, with and without spherical afterbodies, at angels of attack up to 180 deg with various degrees of nose blunting Washington, 1963.
[21] R. Paciorri, W. Dieudonne, G. Degrez, J.-M. Charbonnier, H. Deconinck, R. Paciorri, W. Dieudonne, G. Degrez, J.-M. Charbonnier, H. Deconinck, Validation of the Spalart-Allmaras turbulence model for application in hypersonic flows, in:  28th Fluid Dynamics Conference, 1997, pp. 2023.
[22] J. Roskam, C.-T.E. Lan, Airplane aerodynamics and performance, DARcorporation, 1997.
[23] Z. Li, C. Hu, C. Ding, G. Liu, B. He, Stochastic gradient particle swarm optimization based entry trajectory rapid planning for hypersonic glide vehicles, Aerospace Science and Technology, 76 (2018) 176-186.
[24] C. Rosema, J. Doyle, L. Auman, M. Underwood, W.B. Blake, Missile Datcom User's Manual-2011 Revision, Army Aviation and MIissile Researche 2011.
[25] W. Blake, Missile Datcom User's Manual-2011 Revision, US Army Aviaton & Missile Research,  (2011).
[26] S. Feng, Y. Zhang, Analysis of Near Space Hypersonic Glide Vehicle Trajectory Characteristics and Defense Difficulties, in:  2016 5th International Conference on Advanced Materials and Computer Science (ICAMCS 2016), Atlantis Press, 2016, pp. 679-684.