facebook
twitter
vk
instagram
linkedin
google+
tumblr
akademia
youtube
skype
mendeley
Page translation
 

ИССЛЕДОВАНИЕ АЭРОДИНАМИКИ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ГИПЕРЗВУКОВЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

diplomdiplom
Khlopkov Yuri, professor, doctor of mathematics and physics, full professor

zay yar myo myint, doctoral candidate, candidate of mathematics and physics

Anton Khlopkov, postgraduate student

kyaw zin, postgraduate student

Moscow Institute of Physics and Technology, Russia

Championship participant: the National Research Analytics Championship - "Russia";

the Open European-Asian Research Analytics Championship;

 

Предложена методика расчета и проведены исследования расчета аэродинамических характеристик перспективных гиперзвуковых летательных аппаратов. Методика и разработанная программа расчета позволяют исследовать физику полета произвольных тел на всех этапах траектории полета: от орбитальной траектории до режима посадки. В частности, исследованы аэродинамические характеристики реальных компоновок гиперзвуковых летательных аппаратов по Российскому Проекту «Клипер» и Проекту USA «FalconHTV-2».

Ключевые слова: космическая техника, гиперзвуковые летательные аппараты, аэродинамика в переходном режиме, числа Рейнольдса, гипотеза локальности.

Researchproposed the method and carried out the calculation of the aerodynamic characteristics of hypersonic vehicles. Method and this calculation program allow to study physics of flight of arbitrary bodies in all stages of path: from orbital trajectory to landing regime. In particular, it’s investigated the aerodynamic characteristics of actual hypersonic aircraft layouts by Russian project «Clipper»and USA project «FalconHTV-2».

Keywords: space technology, hypersonic aircrafts, aerodynamicin transitional regime,Reynolds number, the hypothesis of locality.

Технический прогресс в космической технике и гиперзвуковой авиации привел к интенсивному развитию теоретических и экспериментальных исследований в области аэродинамики гиперзвуковых течений. Компьютерное моделирование позволяет при помощи инженерных методов быстро и надежно проводить анализ аэродинамических характеристик летательных аппаратов. При этом важное значение имеет исследование двух предельных областей газовой динамики. Одна из них - изучение динамики сплошной среды, а другая – свободномолекулярная газовая динамика и примыкающая к ней среда, где течение газа является разреженным [1]. Направление исследования гиперзвукового обтекания тел разреженном газом можно определить так: в первом случае в рамках обычной теории газовой динамики учитывают явления скольжения на поверхности обтекаемого тела, которое пропорционально разреженности среды, а второе, исходя из известной теории свободномолекулярного потока, пытаются учесть влияние межмолекулярных столкновений на аэродинамические характеристики [2].

Трудность экспериментального исследования аэродинамики гиперзвуковых летательных аппаратов (ГЛА) обуславливается воспроизведением натурных условий полета в аэродинамических трубах. Моделирование высокоскоростных течений предполагает соблюдение критериев подобия, в первую очередь по числам Маха, Рейнольдса и отношением температур набегающего потока и температуры поверхности, а также обеспечением низкой степени турбулентности и однородности потока в рабочей части установки. При моделировании натурных условий основного критерия подобия Рейнольдса необходимо выдерживать целый ряд других критериев подобия. Одновременное решение этих проблем в рамках одной экспериментальной установки представляется невозможным. Законы поведения аэродинамических характеристик в переходной области весьма сложны и не могут быть получены простой интерполяцией данных для сплошной среды и свободномолекулярных течений [2]. Исследование течений газа в переходной области между течениями сплошной среды и свободномолекулярным представляет собой достаточно сложную задачу. Сложность обусловлена тем, что описание этих течений выходит за рамки обычной газовой динамики и требует учета молекулярной структуры газа для чего необходимо решать уравнение Больцмана. Решение уравнения Больцмана при малых числах Кнудсена, особенно для сложных тел - задача чрезвычайно трудоемкая. В этой связи естественным является появление и развитие инженерных методов, обоснованных совокупным материалом экспериментальных, теоретических, численных результатов, дающих возможность предсказания аэродинамических характеристик (АДХ) сложных тел в переходном режиме. Метод основан на так называемой гипотезе локальности, предполагающей, что поток импульса на элемент поверхности определяется местным углом его наклона к набегающему потоку. Обработка экспериментальных данных показывает, что точность теории локального взаимодействия вполне приемлема для инженерных расчетов аэродинамических характеристик широкого класса тел на этапе предварительного проектирования [3, 4].

Целью настоящей работы является создание в применении инженерной программы определения основных аэродинамических характеристик сложной формы тел. Программа удобна для учета влияния числа Re в различных модификациях моделей локальности, предусматривает простой метод задания формы тела. Проведены аэродинамические расчеты воздушно-космического аппарата (ВКА) типов «Клипер (Clipper), модель ЦАГИ» и ГЛА «Сокол (FalconHTV-2)» в разреженной атмосфере с помощью метода, основанного на гипотезе локальности при различных числах Re.

Трудности решения аэродинамических задач обтекания пространственных тел потоком разреженного газа вызвали развитие инженерных полуэмпирических методов, использующих накопленные теоретические, экспериментальные и расчетные данные. При моделировании натурных условий необходимо учитывать влияние основных критериев подобия. В условиях гиперзвуковой стабилизации более рационально использовать в качестве критерия разреженности не число Кнудсена, а число Рейнольдса.

В даннойработе используютсявыражениядляэлементарных сил давленияитренияв форме работы [5].

Здесь коэффициенты p0, p1, t0 (коэффициенты режима течения) зависят от числа Рейнольдса  в котором коэффициент вязкости вычисляется при температуре торможения T0. Кроме числа Рейнольдса наиболее важным параметром является температурный фактор tw Tw/T0, где T0Tw – температура торможения и температура поверхности.

Зависимость коэффициентов режима в гиперзвуковом случае должна обеспечивать переход к свободномолекулярным значениям при Re0→0 и значением теории Ньютона, методов тонких касательных клиньев или конусов при Re0→∞. На основе анализа расчетных и экспериментальных данных предложены эмпирические формулы

Здесь

где h – относительный поперечный размер аппарата, равный отношению его высоты к длине.

Предложеннаяметодика хорошо зарекомендовала себя для расчета гиперзвукового обтекания выпуклых не очень тонких пространственных тел. Расчетполностью отражает качественное поведение Сx в зависимости от разреженности среды во всем диапазоне углов атаки и дает количественное соответствие с точностью около 5% [6].

Локальный метод расчета аэродинамических характеристик тел в гиперзвуковом потоке разреженного газа в переходном режиме дает хороший результат по Cх для широкого класса тел. При малых углах атаки точность результата ухудшается, в этом случае необходимо привлекать более полные модели, учитывающие наличие пограничного слоя [5, 6].

Представлены результаты расчета коэффициентов силы сопротивления для гиперзвуковых летательных аппаратов вариантов «ВКА Клипер ЦАГИ (Clipper) [7, 8, 9]» (Рис. 1, 2) и «Сокол (FalconHTV-2)» (Рис. 3, 4). Расчеты проводились с использованием локального метода в диапазоне углов атаки a от 0° до 90° с шагом 5°. Параметры задачи были следующие: отношение теплоемкостей g = 1.4; температурный фактор tw = Tw/T0 = 0.1; число Рейнольдса Rе0 = 0, 10, 102, 104.

Рис. 1. Космический аппарат «Клипер» и быстроходный чайный корабль «Clipper»

Рис. 2. Геометрическое представление варианта «ВКА Клипер, модель ЦАГИ»

Рис. 3. Гиперзвуковой летательный аппарат «(FalconHTV-2)» и Сокол (Falcon)

 

Рис. 4. Геометрическое представление варианта «(FalconHTV-2)»

 

Рис. 5. Зависимость Cx(a) для «Клипер» и «FalconHTV-2» (tw = 0.1)

Для примера на рис. (5) представлено сравнение результатов расчета аэродинамических характеристик гиперзвуковых летательных аппаратов «Клипер» и «FalconHTV-2» в переходном режиме при различных значениях числа Рейнольдса Re0, т.е. на различных высотах полета. Из этих результатов видно, что коэффициенты силы сопротивления FalconHTV-2 меньше, чем Клипера. Но для конечного заключения в пользу того или иного проекта необходимо провести комплексное многопараметрическое исследование.

 

Литература:
1. Kogan M.N. Кinetic theory in aerothermodynamics. Progress in Aerospace Sciences. 1992. Т. 29. № 4. С. 271.
2. Гусев В.Н., Коган М.Н., Перепухов В.А. О подобии и изменении аэродинамических характеристик в переходной области при гиперзвуковых скоростях потока // Ученые записки ЦАГИ, Том 1, № 1, 1970. c 24-33.
3. АлексееваЕ.В., БаранцевР.Г.Локальныйметодаэродинамического расчета в разреженномгазе. — Изд.ЛГУ, 1976.
4. Sampaio P.A.C., Santos W.F.N. Computational analysis of the aerodynamic heating and drag of a reentry Brazilian satellite // Proceedings of the 6th National Congress of Mechanical Engineering, Campina Grande, PB, Brazil, 2010.
5. Галкин В.С., Ерофеев А.И.,ТолстыхА.И. Приближенныйметод расчетааэродинамическиххарактеристиктел в гиперзвуковом разреженном газе // ТрудыЦАГИ. 1977. Вып.1833.
6. Хлопков Ю.И. Статистическое моделирование в вычислительной аэродинамике. М., МФТИ, 2006, 160 с. (монография)
7. Зея Мьо Мьинт, Хлопков А.Ю. Аэродинамические характеристики летательного аппарата сложной формы с учётом потенциала взаимодействия молекулярного потока с поверхностью// Ученые записки ЦАГИ. 2010, Т. XLI, № 5, с. 33-45.
8. Ваганов А.В., Дроздов С.М., Косых А.П., Нерсесов Г.Г., Челышева И.Ф., Юмашев В.Л. Численное моделирование аэродинамики крылатого возвращаемого космического аппарата // Ученые записки ЦАГИ. 2009. Т. XL, № 2, с. 3-15.
9. Belotserkovskii O.M., Khlopkov Y.I. Monte Carlo Methods in Mechanics of Fluid and Gas. World Scientific PublishingCo.N-Y, London, Singapore, Beijing, Hong Kong 2010, 268 p. (monograph)

0
Your rating: None Average: 7.8 (8 votes)
Comments: 12

Nabiyev Alpasha Alibek

Изложенная статья новая,актуальная, имеет большое значение в аэродинамике, приборостроение и геофизике

Elena Artamonova

В статье использован оригинальный локальный метод вычислительной аэродинамики, и возникают вопросы познавательного плана. Так, установлена связь статистического моделирования аэродинамических процессов с решением кинетического уравнения, а возможно установить связь в данной постановке параметров континуальной газодинамики типа числа Маха и чисел Кнудсена, Рейнольдса? Везде в работе указываются результаты расчета сил сопротивления (во множественном числе), но обсуждается только один коэффициент силы сопротивления С х. Интересно, в переходном режиме на различных высотах полета в диапозоне числовых значений, рассмотренных в работе, для обоих летательных аппаратов С y - мал? Все в данной работе интересно, так как решена сложнейшая задача.

Fornea-Stecailov Iuliana

Уважаемые авторы! Статья актуальна! Весьма интересны изложения моделей, методик и разработанная Вами программа расчета! Желаем достичь высоких научно-технических качественных и важных для всего мира - результатов! С уважением, Ю.

Zhukov Denis Vladimirovich

Данная статья раскрывает проблемы и методы моделирования и расчета аэродинамических течений, что весьма актуально для аэрокосмической отрасли. Работа выполнена на высоком уровне. Желаю провести дальнейшие исследования.

Zhukov Denis Vladimirovich

Данная статья раскрывает проблемы и методы моделирования и расчета аэродинамических течений, что весьма актуально для аэрокосмической отрасли. Работа выполнена на высоком уровне. Желаю провести дальнейшие исследования.

Isaeva Lyudmila Evgenyevna

Работа представляет собой успешный вариант компьютерного моделирования при анализе аэродинамических характеристик летательных аппаратов. Работа заслуживает высокой оценки. С Уважением Л. Исаева

Cimanis Viacheslavs Janovich

Интересный материал, доступно и понятно изложенный. Материал подкреплен теоретической базой, наглядно отображены результаты на графике. Хотелось узнать, какое программное обеспечение использовалось для расчета аэродинамических характеристик? Какое является наиболее точным для расчета аеродинамики тел? Удачи в дальнейших исследованиях.

Ignatova Anna

Не являюсь специалистом в данной области, однако, статья была для меня крайне интересной, к сожалению не совсем понятно, как конструкция повлияет на внутреннею эргономику аппарата, могут ли быть таки аппараты беспилотными?

Khlopkov Yuri Ivanovich

Уважаемая Анна! Аэротермодинамические исследования второго поколения гиперзвуковых летательных аппаратов в первую очередь необходимы для установления предельных механических и тепловых нагрузок на аппарат. Другими словами, чтобы он не разрушился и не сгорел при входе в атмосферу. Как, к сожалению, уже бывало у первого поколения гиперзвуковых летательных аппаратов - "Space Shattle". Этим - безопасностью полетов - в первую очередь определяется и эргономика и все остальное. Что касается беспилотного управления, то аппарат первого поколения "Буран" это блестяще продемонстрировал. С уважением, Джо Зин

Taratin Vjacheslav Victorovich

Отличный доклад , содержательный и хорошо аргументированный. Заслуживает отличной оценки!

Khlopkov Yuri Ivanovich

Спасибо за высокую оценку работы. Это заслуга моих учеников - докторанта и аспирантов. Достижения учеников - самое приятное достижение для руководителя. С уважением, Ю. Хлопков

Taratin Vjacheslav Victorovich

Уважаемые коллеги, хотелось бы пожелать Вам дальнейших успехов на научном поприще. Ваша статья первая и впечетляет даже не специалиста теоретика. Сразу видна ШКОЛА ФИЗТЕХА. С уважением В. Таратин
Comments: 12

Nabiyev Alpasha Alibek

Изложенная статья новая,актуальная, имеет большое значение в аэродинамике, приборостроение и геофизике

Elena Artamonova

В статье использован оригинальный локальный метод вычислительной аэродинамики, и возникают вопросы познавательного плана. Так, установлена связь статистического моделирования аэродинамических процессов с решением кинетического уравнения, а возможно установить связь в данной постановке параметров континуальной газодинамики типа числа Маха и чисел Кнудсена, Рейнольдса? Везде в работе указываются результаты расчета сил сопротивления (во множественном числе), но обсуждается только один коэффициент силы сопротивления С х. Интересно, в переходном режиме на различных высотах полета в диапозоне числовых значений, рассмотренных в работе, для обоих летательных аппаратов С y - мал? Все в данной работе интересно, так как решена сложнейшая задача.

Fornea-Stecailov Iuliana

Уважаемые авторы! Статья актуальна! Весьма интересны изложения моделей, методик и разработанная Вами программа расчета! Желаем достичь высоких научно-технических качественных и важных для всего мира - результатов! С уважением, Ю.

Zhukov Denis Vladimirovich

Данная статья раскрывает проблемы и методы моделирования и расчета аэродинамических течений, что весьма актуально для аэрокосмической отрасли. Работа выполнена на высоком уровне. Желаю провести дальнейшие исследования.

Zhukov Denis Vladimirovich

Данная статья раскрывает проблемы и методы моделирования и расчета аэродинамических течений, что весьма актуально для аэрокосмической отрасли. Работа выполнена на высоком уровне. Желаю провести дальнейшие исследования.

Isaeva Lyudmila Evgenyevna

Работа представляет собой успешный вариант компьютерного моделирования при анализе аэродинамических характеристик летательных аппаратов. Работа заслуживает высокой оценки. С Уважением Л. Исаева

Cimanis Viacheslavs Janovich

Интересный материал, доступно и понятно изложенный. Материал подкреплен теоретической базой, наглядно отображены результаты на графике. Хотелось узнать, какое программное обеспечение использовалось для расчета аэродинамических характеристик? Какое является наиболее точным для расчета аеродинамики тел? Удачи в дальнейших исследованиях.

Ignatova Anna

Не являюсь специалистом в данной области, однако, статья была для меня крайне интересной, к сожалению не совсем понятно, как конструкция повлияет на внутреннею эргономику аппарата, могут ли быть таки аппараты беспилотными?

Khlopkov Yuri Ivanovich

Уважаемая Анна! Аэротермодинамические исследования второго поколения гиперзвуковых летательных аппаратов в первую очередь необходимы для установления предельных механических и тепловых нагрузок на аппарат. Другими словами, чтобы он не разрушился и не сгорел при входе в атмосферу. Как, к сожалению, уже бывало у первого поколения гиперзвуковых летательных аппаратов - "Space Shattle". Этим - безопасностью полетов - в первую очередь определяется и эргономика и все остальное. Что касается беспилотного управления, то аппарат первого поколения "Буран" это блестяще продемонстрировал. С уважением, Джо Зин

Taratin Vjacheslav Victorovich

Отличный доклад , содержательный и хорошо аргументированный. Заслуживает отличной оценки!

Khlopkov Yuri Ivanovich

Спасибо за высокую оценку работы. Это заслуга моих учеников - докторанта и аспирантов. Достижения учеников - самое приятное достижение для руководителя. С уважением, Ю. Хлопков

Taratin Vjacheslav Victorovich

Уважаемые коллеги, хотелось бы пожелать Вам дальнейших успехов на научном поприще. Ваша статья первая и впечетляет даже не специалиста теоретика. Сразу видна ШКОЛА ФИЗТЕХА. С уважением В. Таратин
PARTNERS
 
 
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
Would you like to know all the news about GISAP project and be up to date of all news from GISAP? Register for free news right now and you will be receiving them on your e-mail right away as soon as they are published on GISAP portal.