Вплив пропорцій орбітальних об’єктів простої форми на їхні аеродинамічні характеристики
DOI:
https://doi.org/10.15407/knit2021.02.003Ключові слова:
вільномолекулярний і перехідний режими, динаміка розрідженого газу, коефіцієнт лобового опору, метод Монте-Карло, метод пробних часток, рівняння Больцмана, чисельне моделюванняАнотація
При розробці сучасних і перспективних зразків ракетно-космічної техніки зростає актуальність моделювання обтікання апаратів різної геометричної форми у перехідному режимі, що відповідає польоту в області верхніх шарів атмосфери і ближнього космосу. Розв’язання рівняння Больцмана, яке найбільш адекватно описує цей процес у рамках кінетичної теорії, все ще залишається складним завданням. Для розв’язання цього рівняння достатньо успішно застосовуються статистичні методи Монте-Карло. Прикладом такого методу може слугувати метод прямого статистичного моделювання, або менш поширений, але такий, що теж добре зарекомендував себе в розрідженій газовій динаміці, метод пробних частинок (МПЧ). Метою роботи є дослідження впливу геометричних пропорцій орбітальних об’єктів простої форми при некерованому спуску аж до щільних шарів атмосфери на їхні коефіцієнти лобового опору. Такими об’єктами можуть бути елементи космічного сміття або космічні апарати відповідних форм і пропорцій. Дослідження ґрунтувалися на результатах, отриманих за допомогою чисельного моделювання МПЧ на рівномірних прямокутних сітках. Форма орбітальних об’єктів задавалася у вигляді кругового конуса, циліндра, прямокутного паралелепіпеда різних подовжень і сфери. Розрахунки провадилися в широкому діапазоні кутів атаки. Характерні розміри розглянутого класу тіл змінювалися у межах від 2 до 12 м. Згідно з даними стандартної атмосфери для таких характерних розмірів перехідний режим обтікання реалізується на висотах від 90 до 180 км. Встановлено, що розрахункові значення коефіцієнтів лобового опору у перехідному режимі задовільно узгоджуються з експериментальними даними і розрахунками по теорії локальної взаємодії, а на висоті 300 км відповідають контрольним вільномолекулярним значенням, отриманим за аналітичними формулами. Досліджено залежність коефіцієнтів лобового опору тіл розглянутих форм від кута атаки і висоти польоту. Показано вплив вибору характерної площі на діапазон значень результатів розрахунку. Обчислення коефіцієнтів лобового опору розглянутого класу тіл при вході в щільні шари атмосфери за допомогою МПЧ проведено вперше. Задовільна відповідність отриманих результатів наявним експериментальним і розрахунковим даним підтверджують ефективність застосованого методу у перехідному режимі. Це дозволяє використовувати його у практичних розрахунках параметрів впливу зовнішнього середовища на космічні апарати в найбільш складних для дослідження інтервалах висот, що відповідають перехідному режиму обтікання.Посилання
Abramovskaya M. G., Bass V. P. (1980). Investigation of the aerodynamic characteristics of circular cones in a transitional flow regime. TsAGI Sci. J., 11(1), 122—126 [in Russian].
Alexeeva E. V., Barantsev R. G. (1976). Local method of aerodynamic calculation in rarefied gas. Leningrad: LSU Publ. House [in Russian].
Bass V. P., Pecheritsa L. L. (2005). Numerical simulation of stationary axisymmetrical flow around a blunt-nose cone in a transition flow regime. Bull. Dnipropetrovsk Univ. Ser. Mechanics, 9(1), 57—65 [in Russian].
Bass V. P., Pecheritsa L. L. (2006). Hypersonic flow around a thermally insulated cylinder with rarefied gas. Bull. Dnipropetrovsk Univ. Ser. Mechanics, 10(1), 50—60 [in Russian].
Bass V. P., Pecheritsa L. L. (2007). Verification of methods and algorithms to solve aerodynamics problems in the transition region. Techn. Mech., № 1, 49—61 [in Russian].
Bass V. P., Pecheritsa L. L. (2008). 2D cross flow calculation of rarefied gas flow about a flat plate. Techn. Mech., № 1, 83—92 [in Russian].
Bass V. P., Pecheritsa L. L. (2009). Numerical studies of supersonic rarefied flows over “plate — wedge” configuration. Techn. Mech., № 2, 62—69 [in Russian].
Bass V. P., Pecheritsa L. L. (2010). Numerical solution three-dimensional tasks of the rarefied gas dynamics. Techn. Mech., № 2, 38—51 [in Russian].
Bird G. A. (1981). Molecular gas dynamic. Moscow: Mir [in Russian].
Vaganov A. V., Drozdov S. M., Dudin G. N., Kosykh A. P., Nersesov G. G., Pafnutev V. V., Chelysheva I. F., Yumashev V. L. (2007). Numerical study of aerodynamics of a prospective re-entry space vehicle. TsAGI Sci. J., 38 (1–2), 16—26 [in Russian].
Vaganov A. V., Drozdov S. M., Kosykh A. P., Nersesov G. G., Chelysheva I. F. (2009). Numerical simulation of aerodynamics of winged re-entry space vehicle. TsAGI Sci. J., 40(2), 131—149 [in Russian].
https://doi.org/10.1615/TsAGISciJ.v40.i2.10
GOST (State All-Union Standard) 4401-81. (1981). Standard atmosphere. Parameters. Moscow: Publish of the standards [in Russian].
Gusev V. N., Yerofeev A., Klimova T. V. (1977). Theoretical and experimental investigations of flow over bodies of simple shape by a hypersonic stream of rarefied gas. TsAGI Sci. J., № 1855, 3—43 [in Russian].
Gusev V. N., Klimova T. V., Lipin A. V. (1972). Aerodynamic characteristics of bodies in transitional region of hypersonic gas flow. TsAGI Sci. J., № 1411, 3—53 [in Russian].
Kogan M. N. (1967). Rarefied gas dynamics. Kinetic theory. Moscow: Nauka [in Russian].
Koshmarov Yu. A., Ryzhov Yu. A. (1977). Applied dynamics of rarefied gas. Moscow: Mashinostroenie [in Russian].
Pecheritsa L. L., Smila T. G. (2016). The numeral simulation of the axisymmetrical flow around extended compound body by test particles method with the use of hierarchical grids. Techn. Mech., № 2, 64—70 [in Russian].
Khlopkov Yu. I., Zay Yar Myo Myint, Khlopkov A. Yu. (2015). Modelling of aerodynamics for perspective aerospace vehicles. The fundamental researches, № 4, 152—156 [in Russian].
Bird G. A. (1994). Molecular gas dynamics and the direct simulation of gas ows. Sydney: Oxford: Clarendon Press.
Gallis M. A. et al. (2014). Direct simulation Monte Carlo: The quest for speed. 29th Int. Symp. Rare ed Gas Dynamics, 27, 27—36.
https://doi.org/10.1063/1.4902571
Hadjimichalis K. S., Brandin C. L. (1974). The effect of the wall temperature on sphere drag in hypersonic transition flow. Rarefied Gas Dynamics: Proc. of the 9-th International Symposium (Goettingen, Germany, July 15—20, 1974). DFVLRPress. V. II. P. D.13.1—D.13.9.
Haviland I. K., Lavin M. L. (1962). Application of the Monte-Carlo method to heat transfer in a rarefied gas. Phys. Fluids, 5(11), 1399—1405.
https://doi.org/10.1063/1.1706536
Khlopkov Yu. I., Zay Yar Myo Myint, Khlopkov A. Yu. (2013). Aerodynamic Investigation for Prospective Aerospace Vehicle in the Transitional Regime. Int. J. Aeronautical and Space Sci., 14(3), 215—221.
https://doi.org/10.5139/IJASS.2013.14.3.215
Khlopkov Yu. I., Zharov V. A., Zay Yar Myo Myint, Khlopkov A. Yu. (2013). Aerodynamic Characteristics Calculation for New Generation Space Vehicle in Rarefied Gas Flow. Univ. J. Phys. and Application, 1(3), 286—289.
https://doi.org/10.13189/ujpa.2013.010308
Queipo N. V. et al. (2005). Surrogate-based analysis and optimization. Progress in Aerospace Sci., 41(1), 1—28.
https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2005.02.001
Sandia National Laboratories. SPARTA Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) Simulator. URL: http://sparta.sandia.gov/ (Last accessed 29.05.2017).
Walsh J. A., Berthoud L. (2017). Reducing spacecraft drag in very low earth orbit through shape optimization. 7th Eur. conf. for Aeronautics and Aerospace Scie. (EUCASS), 2—9.
