cahtНаучный вестник МГТУ ГАCivil Aviation High Technologies2079-06192542-0119Moscow State Technical University of Civil Aviation (MSTU CA)10.26467/2079-0619-2018-21-1-22-29caht-1180Research ArticleАвиационная и ракетно-космическая техникаAviation, rocket and space technologyРАСЧЕТ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СТВОРОК ГОЛОВНЫХ ОБТЕКАТЕЛЕЙ ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМCALCULATION OF ROCKET NOSE FAIRING SHELLS AERODYNAMIC CHARACTERISTICSКалугинВ. Т.KaluginV. T.

Калугин Владимир Тимофеевич - профессор, доктор технических наук, профессор кафедры динамики и управления полетом ракет и космических аппаратов МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Москва 

Vladimir T. Kalugin -Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of Dynamics and Flight Control Chair, BMSTU.

Moscow

kaluginvt@mail.ruЛуценкоА. Ю.LutsenkoA. Y.

Луценко Александр Юрьевич - доцент, кандидат технических наук, доцент кафедры динамики и управления полетом ракет и космических аппаратов МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Москва 

Alexander Y. Lutsenko - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of Dynamics and Flight Control Sub-Department, BMSTU.

Moscow

aulutsenko@mail.ruНазароваД. К.NazarovaD. K.

Назарова Динара Камилевна - аспирант кафедры динамики и управления полетом ракет и космических аппаратов МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Москва

Dinara K. Nazarova - Postgraduate Student of Dynamics and Flight Control Sub-Department, BMSTU.

Moscow

dknazarova@mail.ruМосковский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)РоссияBauman Moscow State Technical UniversityRussian FederationМосковский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)РоссияBauman Moscow State Technical UniversityRussian FederationМосковский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана(национальный исследовательский университет)РоссияBauman Moscow State Technical UniversityRussian Federation2018140320182112229Copyright © Калугин В.Т., Луценко А.Ю., Назарова Д.К., 20182018Калугин В.Т., Луценко А.Ю., Назарова Д.К.Kalugin V.T., Lutsenko A.Y., Nazarova D.K.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://avia.mstuca.ru/jour/article/view/1180

Приведены аэродинамические характеристики отделяемых элементов конструкций транспортных систем, позволяющие рассчитать траектории движения этих элементов после отделения и надежно определить размеры районов падения. Особое внимание уделено створкам головных обтекателей, которые представляют собой тонкие изогнутые оболочки, содержащие цилиндрическую, коническую и сферическую части, обладают высоким аэродинамическим качеством и имеют максимальные размеры районов падения. Аэродинамика тел подобных конфигураций мало изучена. В работе представлены результаты математического моделирования обтекания типовой створки в свободно распространяемом пакете программ с открытым исходным кодом OpenFOAM. Получены аэродинамические характеристики модели при транс- и сверхзвуковых скоростях, проанализирована трансформация структур обтекания створки при изменении угла атаки и числа Маха. Показана возможность применения пакета OpenFOAM для расчета аэродинамических характеристик и параметров обтекания тонких оболочек. Анализ полученных результатов показал, что при сверхзвуковых скоростях набегающего потока наблюдается образование скачков уплотнения сложной конфигурации, взаимодействующих друг с другом, при дозвуковых скоростях наблюдается образование обширных областей пространственного отрыва потока. Выделены интервалы углов атаки, при которых реализуются различные типы структур течений как для транс-, так и для сверхзвуковых скоростей набегающего потока. Изменение структуры обтекания отражается на аэродинамических характеристиках, аэродинамические коэффициенты створки значительно изменяются с ростом угла атаки, при всех рассмотренных скоростях набегающего потока имеются два балансировочных угла атаки. Полученные результаты могут быть использованы для разработки пассивной системы стабилизации створки, которая обеспечит балансировку тела на углах атаки с минимальным аэродинамическим качеством и уменьшит случайные отклонения при движении относительно центра масс.

The aerodynamic characteristics of the detachable elements of transport systems are introduced, they allow to calculate the trajectories of these elements after their separation and determine the size of elements impact areas. Special consideration is given to head fairing shells, containing cylindrical, conical and spherical sections. Head fairing shells have high lift-to-drag ratio and the widest impact areas. Aerodynamics of bodies of such configurations has been insufficiently studied. The paper presents the numerical results of modeling the flow around a typical head fairing shell in free flight. Open source OpenFOAM package is used for numerical simulation. The aerodynamic characteristics at trans- and supersonic velocities are obtained, flow pattern transformation with the change of the angle of attack and Mach number is analyzed. The possibility of OpenFOAM package for aerodynamic calculations of thin shells is shown. The analysis of the obtained results demonstrate that there are many complex shock waves interacting with each other at flow supersonic speeds, at subsonic speeds vast regions of flow separations are observed. The authors identify intervals of angles of attack, where different types of flow structures are realized, both for trans- and supersonic flow speeds. The flow pattern change affects the aerodynamic characteristics, the aerodynamic coefficients significantly change with increase of the angle of attack. There are two trim angles of attack at all examined flow velocities. The results obtained can be used to develop a passive stabilization system for fairing shell that will balance the body at the angle of attack with minimum lift-to-drag ratio and will reduce random deviations.

аэродинамические характеристикитонкие оболочкистворка головного обтекателяракета-носительматематическое моделированиесверхзвуковой потокOpenFOAMМГУ имени М.В. Ломоносова, Дядькин Анатолий АлександровичLomonosov Moscow State University, Dyadkin Anatoly AlexandrovichReferencesОсобенности аэродинамики тонкостенных конструкций / Дядькин А.А. [и др.] // Космическая техника и технологии. 2016. № 3 (14). С. 15–25.Dyad’kin A.A., Krylov A.N., Lutsenko A.Y., Mikhaylova M.K., Nazarova D.K. Osobennosti aehrodinamiki tonkostennyh konstrukcij [Aerodynamics specifics of thin-walled structures]. Kosmicheskaya tehnika i tehnologii [Space Engineering and Technologies], 2016, Vol. 3 (14), pp. 15–25. (in Russian).Xuechang Z., Xiaojing Y., Yan H. Aerodynamic Characteristics of Fairing Separation at Initial Opening Angle // Proceedings of the 1st International Conference on Mechanical Engineering and Material Science. Atlantis Press, 2012. pp. 259–262. DOI: 10.2991/mems.2012.160Xuechang Z., Xiaojing Y., Yan H. Aerodynamic Characteristics of Fairing Separation at Initial Opening Angle. Proceedings of the 1st International Conference on Mechanical Engineering and Material Science, Atlantis Press, 2012, pp. 259–262. DOI: 10.2991/mems.2012.160Separation dynamics of large-scale fairing section: a fluid-structure interaction study / Yanjie Liu [et al.] // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering. 2013. Vol. 227, No. 11. pp. 1767–1779. DOI: 10.1177/0954410012462317Yanjie Liu, Zhe Li, Qin Sun, Xueling Fan, Wenzhi Wang. Separation dynamics of large-scale fairing section: a fluid-structure interaction study Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering, 2013, Vol. 227, No. 11, pp. 1767–1779. DOI: 10.1177/0954410012462317Aerodynamic Effects on Spacecraft During Head Fairing Jettisoning in Dense Atmosphere Layers / Beloshitsky A. [et al.] // Fourth Symposium on Aerothermodynamics for Space Vehicles. 2002. Vol. 487. Pp. 299–306.Beloshitsky A.V., Grigoriev Yu.I., Dyadkin A.A., Kuraev V.P., Timchenko V.A. Aerodynamic Effects on Spacecraft During Head Fairing Jettisoning in Dense Atmosphere Layers. Fourth Symposium on Aerothermodynamics for Space Vehicles, 2002, Vol. 487, pp. 299–306.Возможности применения открытого пакета OpenFOAM для численного моде-лирования отрывных течений при до- и сверхзвуковых скоростях обтекания летательных аппаратов / Калугин В.Т. [и др.] // Научный Вестник МГТУ ГА. 2014. № 199 (1). С. 23–30. DOI: 10.26467/2079-0619-2014-0-199-23-30Kalugin V.T., Golubev A.G., Epikhin A.S., Michkin A.A. Vozmozhnosti primeneniya otkrytogo paketa OpenFOAM dlya chislennogo modelirovaniya otryvnyh techenij pri do- i sverhzvukovyh skorostyah obtekaniya letatel'nyh apparatov [Applicability of the open source package OpenFOAM for numerical modeling separated flow around an aircraft at subsonic and supersonic speeds]. Nauchniy Vestnik MGTU GA [Scientific Bulletin of MSTUCA], 2014, No. 199 (1), pp. 23–30. DOI: 10.26467/2079-0619-2014-0-199-23-30 (in Russian)Аэродинамика / под ред. В.Т. Калугина. 2-е изд. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017. 608 с.Golubev A.G., Epikhin A.S., Kalugin V.T., Lutsenko A.Y., Moskalenko V.O., Stolyarova E.G., Khlupnov A.I., Chernukha P.A. Aerodinamika [Aerodynamics]. Ed. by V.T. Kalugin. 2nd edition. M., Bauman University Publ., 2017, 608 p. (in Russian)Дядькин А.А., Луценко А.Ю., Назарова Д.К. Математическое моделирование обтекания тонкостенных конструкций в до- и трансзвуковом диапазоне скоростей // Научный Вестник МГТУ ГА. 2016. № 223 (1). С. 45–50. DOI: 10.26467/2079-0619-2016-223-45-50Dyad’kin A.A., Lutsenko A.Yu., Nazarova D.K. Matematicheskoe modelirovanie obtekaniya tonkostennyh konstrukcij v do- i transzvukovom diapazone skorostej [Numerical simulation of subsonic and transonic flow around thin shells]. Nauchniy Vestnik MGTU GA [Scientific Bulletin of MSTUCA], 2016, No. 223 (1), pp. 45–50. DOI: 10.26467/2079-0619-2016--223-45-50 (in Russian)Menter F.R., Kuntz M., Langtry R. Ten years of industrial experience with the SST turbulence model // Turbulence, heat and mass transfer. 2003. Vol. 4, No. 1.Menter F.R., Kuntz M., Langtry R. Ten years of industrial experience with the SST turbulence model. Turbulence, heat and mass transfer, 2003, Vol. 4, No. 1.Near-wall behavior of RANS turbulence models and implications for wall functions / Kalitzin G. [et al.] // Journal of Computational Physics. 2005. Vol. 204, No. 1. pp.265–291. DOI: 10.1016/j.jcp.2004.10.018Kalitzin G., Medic G., Iaccarino G., Durbin P. Near-wall behavior of RANS turbulence models and implications for wall functions. Journal of Computational Physics, 2005, Vol. 204, No. 1, pp. 265–291. DOI: 10.1016/j.jcp.2004.10.018Knopp T. On grid-independence of RANS predictions for aerodynamic flows using model-consistent universal wall-functions // ECCOMAS CFD 2006: Proceedings of the European Conference on Computational Fluid Dynamics. Egmond aan Zee, The Netherlands. 2006. pp. 1–20.Knopp T. On grid-independence of RANS predictions for aerodynamic flows using model-consistent universal wall-functions. ECCOMAS CFD 2006: Proceedings of the European Conference on Computational Fluid Dynamics. Egmond aan Zee, The Netherlands, 2006, pp. 1–20.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.