طراحی آیرودینامیکی یک هواسر ماوراء صوت بر اساس روش پیکربندی موج‌سوار مشتق از مخروط

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

مرکز تحقیقات آیرودینامیک قدر، دانشکده‌ی فنی و مهندسی، دانشگاه جامع امام حسین(ع)، تهران، ایران

چکیده

گونه‌ای نوظهور از تسلیحات ماوراء صوت که به شکل گسترده‌ای موردتوجه قرارگرفته‌اند، هواسرهای ماوراء صوت می‌باشند. این وسایل با طی مسافت‌های طولانی در حدود چندین هزار کیلومتر درون جو و سرعت‌های بسیار بالا تا بیش از 20 ماخ ، هر سامانه‌ی دفاعی را به‌طورجدی به چالش می‌کشند. در این پژوهش به طراحی آیرودینامیکی یک هواسر ماوراء صوت بر اساس تئوری موج‌سوارها و روش موج‌سوار مشتق از مخروط پرداخته‌شده است. یک روش پارامتری با سه پارامتر زاویه‌ی شوک مخروطی β ، زاویه‌ی هشتی φ و نسبت فشردگی S معرفی گردیده و به شکل یک کد طراحی مورداستفاده قرارگرفته است. در فرآیند طراحی، از هواسر ماوراء صوت اچ.تی.وی.2 به‌عنوان مدل مرجع استفاده‌شده است. برای دست‌یابی به پیکربندی‌هایی با ابعاد عملیاتی، با تغییر پارامترهای طراحی، چهار پیکربندی موج‌سوار با ابعاد مشابه مدل مرجع شناسایی‌شده است. با تحلیل این چهار پیکربندی به روش دینامیک سیالات محاسباتی، پیکربندی که درمجموع بهترین نتایج آیرودینامیکی و حجم را دارد، به‌عنوان پیکربندی برگزیده‌ی طراحی انتخاب‌شده است. پیکربندی برگزیده‌ نسبت به مدل مرجع، درازای 15 درصد حجم کمتر، 36 درصد کارایی آیرودینامیکی بیشتری دارد. این مسئله بر کارایی روش به‌کاررفته در طراحی آیرودینامیکی هواسرهای ماوراء صوت دلالت دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Aerodynamic Design of a Hypersonic Glide Vehicle Based on the Cone-Derived Wave rider Configuration Method

نویسندگان [English]

  • Ramin Abolzadeh
  • Mohammad Ali Jozvaziri
  • mohammad hadi islamy
  • Amirhossein Hossein
Ghadr Aerodynamic Research Center, Technical Engineering, Imam Hossein Comprehensive University, Tehran, Iran
چکیده [English]

Hypersonic glide vehicles are a novel type of hypersonic weapons that have received extensive attention. These vehicles can seriously challenge any defense system by traveling long distances of about thousands of kilometers in the atmosphere at very high speeds up to more than 20 Mach. In this research, the aerodynamic design of a hypersonic glide vehicle has been done based on the wave rider theory and conical-derived wave rider Method. In this study, a parametric method with three parameters, including cone shock angle β, dihedral angle φ, and compression ratio S, was introduced and used as a design code. In the design process, the HTV2 hypersonic glide vehicle was used as a reference model. To achieve configurations with operational dimensions, by changing the design parameters, four-wave rider configurations with the same dimensions as the reference model were identified. By analyzing these four configurations using the computational fluid dynamics method, the configuration with the best aerodynamic and volume results was selected as the preferred design configuration. Compared to the reference model, the preferred configuration has 36% more aerodynamic efficiency and 15% less volume, indicating the efficiency of the used method.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Hypersonic glide vehicle
  • wave rider configurations
  • cone-derived wave riders
  • reverse aerodynamic design method
  • hypersonic aerodynamics

مراجع

[1] H.M. Sayler, Hypersonic weapons: Background and issues for Congress, Congressional Research Service, 2019.
[2] M. LEWIS, Application of waverider-based conFig.urations to hypersonic vehicle design, in:  9th Applied Aerodynamics Conference, 1991, pp. 3304.
[3] T. Nonweiler, Aerodynamic problems of manned space vehicles, The Aeronautical Journal, 63(585) (1959) 521-528.
[4] T. Nonweiler, Delta wings of shapes amenable to exact shock-wave theory, The Aeronautical Journal, 67(625) (1963) 39-40.
[5] J. Jones, K. Moore, J. Pike, P. Roe, A method for designing lifting conFig.urations for high supersonic speeds, using axisymmetric flow fields, Ingenieur-Archiv, 37(1) (1968) 56-72.
[6] M. Rasmussen, Lifting-body conFig.urations derived from supersonic flows past inclined circular and elliptic cones, in:  5th Atmospheric Flight Mechanics Conference for Future Space Systems, 1979, pp. 1665.
[7] M.L. Rasmussen, Waverider conFig.urations derived from inclined circular and elliptic cones, Journal of Spacecraft and Rockets, 17(6) (1980) 537-545.
[8] K.G. Bowcutt, J.D. Anderson, D. Capriotti, Numerical optimization of conical flow waveriders including detailed viscous effects, Aerodynamics of Hypersonic Lifting Vehicles, (1987).
[9] H. Sobieczky, F. Dougherty, K. Jones, Hypersonic waverider design from given shock waves, in:  Proceedings of the first international hypersonic waverider symposium, University of Maryland College Park, MD, 1990, pp. 17-19.
[10] N. Takashima, M. Lewis, Waverider conFig.urations based on non-axisymmetric flow fields for engine-airframe integration, in:  32nd Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 1994, pp. 380.
[11] N. Takashima, M.J. Lewis, Wedge-cone waverider conFig.uration for engine-airframe interaction, Journal of aircraft, 32(5) (1995) 1142-1144.
[12] B. Mangin, A. Chpoun, R. Benay, B. Chanetz, Comparison between methods of generation of waveriders derived from conical flows, Comptes Rendus Mecanique, 334(2) (2006) 117-122.
[13] L. Jian-xia, H. Zhong-xi, C. Xiao-qing, Numerical Study of Hypersonic Glide Vehicle based on Blunted Waverider, International Journal of Aerospace and Mechanical Engineering, 5(7) (2011) 1313-1318.
[14] J.M. Acton, Hypersonic boost-glide weapons, Science & Global Security, 23(3) (2015) 191-219.
[15] J. Liu, K. Li, W. Liu, High-temperature gas effects on aerodynamic characteristics of waverider, Chinese Journal of Aeronautics, 28(1) (2015) 57-65.
[16] T.-t. Zhang, Z.-g. Wang, W. Huang, S.-b. Li, A design approach of wide-speed-range vehicles based on the cone-derived theory, Aerospace Science and Technology, 71 (2017) 42-51.
[17] Z. Liu, J. Liu, F. Ding, K. Li, Z. Xia, Novel osculating flowfield methodology for hypersonic waverider vehicles based on variable shock angle, Journal of Aerospace Engineering, 31(4) (2018).
[18] L.-l. Chen, X.-l. Deng, Z. Guo, Z.-x. Hou, W.-k. Wang, A novel approach for design and analysis of volume-improved osculating-cone waveriders, Acta Astronautica, 161 (2019) 430-445.
[19] X. Zheng, Y. Li, C. Zhu, Y. You, Multiple osculating cones’ waverider design method for ruled shock surfaces, AIAA Journal, 58(2) (2020) 854-866.
[20] A.H. Hossein, F. Ghadak, M.A. Jozvaziri, M.H. Eslamy, Investigation of the aerodynamic design effect on point mass flight parameters in hypersonic glider, Amirkabir Mechanical Engineering Journal, 2021. (in persian)
[21] D. Wang, J.-F. Wang, L.-F. Li, T.-P. Yang, J.-T. Chen, Novel volume-improved design method of large-slenderness-ratio cone-derived waveriders, AIAA Journal, 58(11) (2020) 4832-4847.
[22] J.D. Anderson Jr, Fundamentals of aerodynamics, Tata McGraw-Hill Education, 2010.
[23] C.L. Tracy, D. Wright, Modeling the Performance of Hypersonic Boost-Glide Missiles, Science & Global Security, 28(3) (2020) 135-170.
[24] J. ANDERSON, JOHN, J. Chang, T. MCLAUGHLIN, Hypersonic waveriders-Effects of chemically reacting flow and viscous interaction, in:  30th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 1992, pp. 302.
[25] R.H. Lange, Exploratory Investigation at a Mach Number of 5.20 of the Longitudinal Aerodynamic Characteristics of Flat-Bottom Bodies, 1956.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 55، شماره 7
مهر 1402
صفحه 797-818

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار