بررسی عددی تأثیر زاویة عقبگرد بالک مشبک بر ضرایب استاتیکی و دینامیکی چرخشی در رژیم جریان مافوق صوت

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانش‌آموختة کارشناسی ارشد / دانشکدة مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت دبیر شهید رجایی

2 عضو هیات علمی / دانشکدة مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت دبیر شهید رجایی، تهران

چکیده

بالک در یک پرنده وظیفة پایداری و کنترل را برعهده دارد که ممکن است به‌صورت مسطح یا مشبک باشد. بالک مشبک از صفحات متقاطعی که در یک قاب قرار گرفته­ تشکیل شده و برخلاف بالک­های مسطح، عمود بر مسیر جریان قرار می­گیرد. در رژیم جریان مافوق صوت، به‌دلیل گشتاور لولای بالای بالک مسطح، به‌تازگی بیشتر توجه طراحان به‌سمت بالک مشبک رفته است. به‌دلیل کوچک‌بودن طول وتر بالک مشبک نسبت به مسطح، ضریب دینامیکی رول پایینی دارد که در پایداری چرخشی پرنده مهم است. بنابراین طراحی بالک مشبک با نیروی محوری پایین و ضریب دینامیکی رول بالا مهم است. در این مقاله با استفاده از روش دینامیک سیالات محاسباتی تأثیر زاویة عقبگرد بالک مشبک بر ضرایب استاتیکی و دینامیکی رول در رژیم جریان مافوق صوت بررسی شده است. ابتدا شبیه­سازی دو هندسه، که نتایج آزمایشگاهی برای آنها موجود بود، انجام و شبکة بهینه و مدل آشفتگی مناسب انتخاب شده است. شبیه­سازی برای استخراج ضرایب استاتیکی به‌صورت پایا و برای ضریب دینامیکی به‌صورت ناپایا انجام شده است. نمودارهای مربوط به ضریب نیروی محوری، شیب ضریب نیروی عمودی و ضریب دینامیکی رول به ازای زوایای عقبگرد مختلف در ماخ­های پروازی 1/1، 1/5 و 2 آورده شده است. نتایج نشان می­دهد که تأثیر زاویة عقبگرد بالک وابسته به عدد ماخ پروازی است. در ماخ پروازی پایین زاویة عقبگرد، عملکرد بالک را بهبود می­بخشد، اما در عدد ماخ بالا سبب تضعیف عملکرد ائرودینامیکی بالک می­شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

A numerical study the effects of latticed fin sweep back angle on static and roll dynamic coefficients in supersonic regime

نویسندگان [English]

  • Parisa Dehghani 1
  • Miralam Mahdi 2
1 Graduated Student / School of mechanical Engineering, Iran University of Shahid Rajaee Teacher Training University
2 Assistant Professor / School of mechanical Engineering, Iran University of Shahid Rajaee Teacher Training University
چکیده [English]

A fin in an aircraft accounts for stability and control which can be in planar or latticed shape. A latticed fin consists of several crossing planes placed in a frame and in contrast to planar fin, is perpendicular to flow direction. In comparison to planar fins, latticed fins have low hinge moment, high stall angel, high axial force and low roll dynamic coefficient. Recently, designers have more focused on latticed fins, because of high hinge moment of them in supersonic flow regime. Due to smaller chord length, latticed fin has lower roll coefficient in comparison to planar fin, which is important in roll stability of aircraft. Therefore, design of a latticed fin with low axial force and high roll dynamic coefficient is very important. In this paper, impact of latticed fin sweep back angle on roll dynamic and static coefficients in supersonic regime is investigated using computational fluid dynamics (CFD). Firstly, simulation of two geometries with known experimental results was done and then, optimum grid and proper turbulence model is chosen. Simulation for obtaining static coefficients was done in steady state and for dynamic coefficients; it was done in unsteady condition. Figures of axial force coefficient, normal force coefficient gradient and roll dynamic coefficient is given for flight Mach of 1.1, 1.5 and 2. Results show that the effect of fin sweep back angle relates to flight Mach. In low flight Mach, sweep back angle improves fin performance, but in high flight Mach, it causes poor aerodynamic performance of fin.

کلیدواژه‌ها [English]

  • latticed fin
  • sweep back angle
  • static coefficient
  • roll dynamic coefficient

[1] W. D. Washington, M. S. Miller, Grid fins - a new concept for missile stability and control, AIAA 93-0035, January 1993.

[2] W. D. Washington, M. S. Miller, Experimental Investigations on GridFin Aerodynamics: A Synopsis of Nine Wind Tunnel and Three Flight: Tests, RTO-MP-5AC/323 (AVT) TP/3, November 1998.

[3] G. M. Simpson, A. J. Sadler, Lattice Controls, A Comparison with Conventional, Planar Fins, RTO-MP-5 AC/323(AVT)TP/3, November 1998.

[4] G. L. Abate, R. P. Duckerschein, W. Hathaway, Subsonic/Transonic Free-Flight Tests of a Generic Missile with Grid Fins, AIAA Paper 2000-0937, January 2000.

[5] James DeSpirito, Jubaraj Sahu, Viscous CFD Calculations of Grid Fin Missile Aerodynamics  in the Supersonic Flow Regime, 39th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Paper No. 2001-0257, Reno, NV, January 2001.

[6] J. Despirito, M. Vaughn, W. D. Washington, CFD investigation of canard Controlled missile with planar and grid fins in supersonic flow, AIAA Paper 2002-4509, August 2002.

[7] Yan Zeng, Jinsheng Cai, Marco Debiasi, Tat Loon Chng, Numerical Study on Drag Reduction for Grid-Fin Configurations National University of Singapore, Singapore, Singapore, 2009.

[8] S. Munawar, Analysis of Grid Fins as Efficient Control Surface in Comparison to Conventional Planar Fins, 27TH International Congress Of The Aeronautical Sciences.

[9] K. Mohamed Bak, Experimental Investigation And Computational Fluid Dynamics Analysis Of Missile With Grid Fin In Subsonic Flow, Professor, Department of Aeronautical Engineering, Tagore Engineering College, Chennai, 600048.

[10] James E. Kless, Michael J. Aftosmis, Analysis of Grid Fins for Launch Abort Vehicle Using a Cartesian Euler Solver ,Aerospace Engineer, Science and Technology Corporation, Hampton, VA., AIAA Member, Aerospace Engineer, NASA Ames Research Center, CA, AIAA Associate Fellow, 2011.

[11] M. Nosratollahi, M. Hashem Abadi, Investigation of Fin Span Effect on Performance of Missile on its Aerodynamics Analysis, Journal of Science and Technology, 2014.

[12] H. S. Prashanth, K. S. Ravi, G. B. Krishnappa, Aerodynamic Characteristics of G16 Grid Fin Configuration at Subsonic and Supersonic Speeds, International Journal of Engineering Research and General Science, Vol. 2, Issue 5, August – September 2014.

[13] A. Gholami, M. Mahdi, Numerical Analysis of geometry effects on grid fin’s Aerodynamic performance, conference of new findings in aerospace, Tehran 2015

[14] A. Rahni, M. Mahdi, Numerical Comparision of Grid fin’s Aerodynamic Coefficients Versus Planar fin’s, International Conferences on Advances Research in Mechanics, Mechatronics and Biomechanics, Tehran, 2015

[15] M. Mahdi, A. Rahni, A numerical Analysis of Performance of planar and Grid Fins as Stabilizers in Double-stage Aircrafts, Modares Mechanical Engineering, 2017.

[16] H. K. Versteeg, W. Malalasekera, An Introduction to computational Fluid Dynamics, the finite volume method, prentice Hall, page. 267.

[17] Fangjian Wang, Lan Chen APISAT 2014, 2014 Asia-Pacific International Symposium on Aerospace Technology, Numerical Prediction of Stability Derivatives for Complex Configurations,China Academy of Aerospace Aerodynamic, Beijing, 100074, China.