شبیه سازی جدایش بوسترهای جانبی از ماهواره بر در جو غلیظ

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد / دانشگاه شهید بهشتی، دانشکده فناوری های نوین

2 عضو هیات علمی / دانشگاه شهید بهشتی، دانشکده فناوری های نوین

3 عضو هیات علمی / دانشگاه صنعتی مالک اشتر، مجتمع دانشگاهی هوافضا

چکیده

در این مقاله یک کد نرم افزاری برای شبیه سازی همزمان دینامیک و آیرودینامیک بوسترهای جانبی مقید، از ماهواره بر ارائه گردیده است. این کد، شامل یک محیط اصلی می‌باشد که دو زیرسیستم  دینامیک و آیرودینامیک را به صورت همزمان به یکدیگر متصل می‌کند. قسمت اول شامل یک حل‌کننده‌ شش درجه آزادی دینامیک چند جسمی و قسمت دوم  حاوی یک حل‌کننده عددی وابسته به زمان جریان اولر می‌باشد که  از یک الگوریتم به روز رسانی شبکه متحرک برای تطبیق حرکت جسم در میدان محاسباتی گسسته، به صورت خودکار استفاده می‌کند. نحوه ارتباط دو حل کننده دینامیک و آیرودینامیک به گونه‌ای است که نرم افزار تولیدی قابلیت شبیه سازی جدایش چند جسم را با مدل سازی کامل مکانیزم های جدایش مانند فنرهای جدایش، تراسترها، مفاصل و غیره در حضور اثرات آیرودینامیک جریان دارا می‌باشد. تحلیل‌گر جریان با کمک نتایج تست تونل باد بر روی ماهواره‌بر تیتان4 صحت سنجی شده و بیانگر دقت آن می‌باشد. در پایان، شبیه سازی جدایش برای یک ماهواره‌بر نمونه با دو بوستر جانبی و با به‌کارگیری سیستم جدایش فنری و اتصالات مفصلی در اتمسفر غلیظ ارائه شده است. ویژگی روش ارائه شده در این تحقیق، امکان مدل‌سازی دقیق مکانیزم‌های دینامیک جدایش در حضور آیرودینامیک ناپایا، می‌باشد.این امر که به عنوان نمونه، با مدل‌سازی مفاصل و جدایش آنها در حضور آیرودینامیک ناپایا به اثبات رسیده، از نوآوری‌های کار حاضر می‌باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Simulation of Strap-On Boosters Separation in the Dense Atmosphere

نویسندگان [English]

  • Mostafa Jafari 1
  • Ali Reza Toloei 2
  • Sajad ghasemlu 3
  • Hamid Parhizkar 3
چکیده [English]

A numerical dynamic-aerodynamic interface code for the separation dynamics simulation of constra­in­ed strap-on boosters jettisoned in the atmosphere is presented. This code includes a main environme­nt which connects both dynamic and aerodynamic subsystems together at one time. The first part, consists of a 6-DOF multi body dynamic solver and the second part, contains a numeric­al aerodynamic flow solver, which is automatically used the dynamic mesh updating algorithm for adaption of the body motion in the discrete computa­tion­al field. The  relationship between dynamic  and  aero­dyn­a­m­i­c solver is such that the resultant separation software, can simulates mult­­i  body separation with complete mechanisms such as springs  separation, Thrusters, joints, etc, in the presence of the  aero­dyna­mic effects. The flow solver is validated by the Titan-IV launch vehicle experimental data. After all, this method is used in simulation of strap-on booster separation for a typical launch vehicle with use of spring separation system and constraint joints in presence of aerodynamic effects and without them. Hence the aim of presented interface is to facilitate integration of complicated separation mechanisms simulation with a full numerical CFD aerody­n­a­m­ic solver.

[1] Meakin, R. L., and N. E. Suhs. 1989. Unsteady Aerodynamic Simulation of Multiple Bodies in Relative Motion. AIAA: 89-1996.

[2] Lochan, R., and V. Adimurthy. 1997. Separation Dynamics of Strap-On Boosters in the Atmos­phere. Journal of Guidance, Control, and Dynamics 20: (4) 633–639.

[3] Lijewski, L. E., and, N. E. Suhs. 1994. Time-Accurate Computational Fluid Dynamics Approach to Trans­o­n­ic Store Separation Trajectory Prediction. Jour­n­a­l of Aircraft 31: (4) 521–526.

[4] Taylor, S., and J. C. T. Wang. 1996. Launch-Vehicle Simulations Using a Concurrent, Implicit Navier–Stokes Solver. Journal of Spacecraft and Rockets 33:(5) 601–606.

[5] Azevedo, J. L. F., and P. Moraes. 1996. Code Validation for High-Speed Flow Simulation Over Satellite Launch Vehicle.  Journal of Spacecraft and Rockets 33: (1) 15–21.

[6] Choi, S. J., C. Kim, O. H. Rho, and J. J. Park. 2002. Numerical Analysis on Separation Dynamics of Strap-On Boosters in the Atmosphere 39: (3) 439-446.

[7] Ko, S. H., and C. Kim. 2008. Separation Motion of Strap-On Boosters with Base Flow and Turbulence Effects. Journal of Spacecraft and Rockets 45: (3) 485-494.

[8] Snyder, D. O., E. K. Koutsavdis, and J. S. R. Anttonen. 2003. Transonic store separation using unstruc­tured cfd with dynamic meshin. AIAA 3913.

[9] Murman, S. M., M. J. Aftosmis, and M. J. Berger. 2003. Simulation of 6-DOF Motion with a Cartesian Method. AIAA: 2003-1246.

[10] Pamadi, B. N., N. J. Hotchko, N., J. Samareh, F. C.  Peter, and V. P. Tartabini. 2006. Simulation and Analyses of Multi-Body Separation in Launch Vehicle Staging Environment. AIAA: 8033.

[11] Murphy, K. J., B. N. Buning, Pamadi, W. L. Scallion, K. M. Jones. 2004. Overview of Transonic to Hypersonic Stage Separation Tool Development for Multi-Stage-To-Orbit Concepts. AIAA: 2595.

[12] Pamadi, B.N., T.A. Neirynck, P.F. Covell, N.J. Hotchko, and D.M. Bose. 2004. Simulation and Analyses of Staging Maneuvers of Next Generation Reusable Launch Vehicles. AIAA:  5185.

[13] Pamadi, B.N., T.A Neirynck, N. J.  Hotchko, P. V. Tartabini, W. I. Scallion, K. J. Murphy, and P. E. Covell. 2005. Simulation and Analyses of Stage Separation of Two-Stage Reusable Launch Vehicles. AIAA: 3247.

[14] Pamadi , B. N.,  P. V. Tartabini, M. D. Toniolo, C. M. Roithmayr, C. Karlgaar, and J. Samareh. Application of CFE/POST2 for Simulation of Launch Vehicle Stage Separation. NASA Langley Research Center, Hampton VA 23681.

[15] Toniolo, M. D., P. V. Tartabini, B. N. Pamadi, and N. J. Hotchko. 2008. Constraint Force Equation Methodologyfor Modeling Multi-Body Stage Separation Dynamics. AIAA: 219.

[16] Tartabini, P.V., C. Roithmayr,  C. Karlga, M. D. Toniolo, and B. N. Pamadi, 2008. Verification of Contstraint Force Equation Methodology for Modeling Multi-Body Stage Separation. AIAA Flight Mechanics Conference, Honolu, Hawaii, August.

[17] خضریان، اسماعیل. 1389. بررسی آیرودینامیک جدایش در یک موشک چند مرحله‍ای. پایان­نامه کارشناسی­ارشد، دانشگاه شهید بهشتی.

[18] جعفری، مصطفی، علیرضا طلوعی، سجاد قاسملو و حمید پرهیزکار. شبیه سازی دینامیک شش درجه آزادی جدایش جسم الحاقی از هواپیما به کمک CFD. یازدهمین کنفرانس انجمن هوافضای ایران ، دانشگاه علوم و فنون هوایی شهید ستاری، اسفند.