Компьютерное моделирование спуска орбитальной ступени космической системы Space Shuttle в плотных слоях атмосферы Земли


Просмотр статьи
PDF, 8,5 МБ

Computational simulation of re-entry of the Space Shuttle orbiter into the dense layers of the Earth's atmosphere

This work presents the results of the computational analysis for Shuttle orbiter re-entry into the dense layers of the Earth's atmosphere along the nominal return trajectory. The computations are performed using the software package for numerical simulation of aerothermodynamics and aerophysics of arbitrary high-speed aircraft configurations developed in Institute for Problems in Mechanics Russian Academy of Sciences (IPMech RAS). A numerical investigation has been conducted under initial conditions corresponding to points along the lower part of the trajectory on which the aerodynamic control surfaces become effective, over a wide range of angles of attack, heights and velocities. A series of the most realistic virtual surfaces, which contain all the basic elements of the complex prototype configuration and corresponding surface grids as well as volume meshes are created. The developed simulation model is equipped with a full set of flight control surfaces, among which are: elevons, body flap and two-part rudder. The complex flow pattern, the interactions of shock waves formed around the three-dimensional orbiter model, the thermal and aerodynamic loads on the aircraft surface, and the effect of variation of flight conditions on these characteristics are predicted for winged aerospace plane arrangement. The efficiency and control-surfaces deflection effect on the local and integral aerodynamic characteristics (aerodynamic forces and moments) of the manned orbiter vehicle are investigated for several trajectory points under consideration.

reusable space transportation system, controlled atmospheric entry, gas dynamics, numerical simulation, computational aerodynamics, software systems, unstructured mesh, computer-aided design (CAD), virtual prototype, comprehensive 3D models


Том 18, выпуск 2, 2017 год



В работе представлены результаты имитационного моделирования спуска орбитальной ступени космической транспортной системы Space Shuttle в плотных слоях атмосферы при движении по номинальной траектории. Расчеты выполнялись с использованием программного комплекса для численного моделирования аэротермодинамики и аэрофизики интегральной компоновки высокоскоростного летательного аппарата произвольной формы, разработанного в Институте проблем механики им. А.Ю.Ишлинского РАН (ИПМех РАН). Скорость, высота и углы атаки варьировались в широком диапазоне, определяемом условиями нижнего участка траектории, на котором становятся эффективными аэродинамические управляющие поверхности. Для исследуемой сложной пространственной конфигурации построена серия максимально реалистичных виртуальных поверхностей, содержащих все основные конструктивные элементы прообраза, и соот-ветствующие поверхностные и объемные сеточные модели. Разработанная имитационная модель оснащена полным набором отклоняемых органов управления: элевонами, подфюзеляжным балансировочным щитком, двухсекционным рулем направления. Для компоновки крылатого воздушно-космического самолета получены: конфигурация поля течения; структура и характер взаимодействия ударных волн, образующихся при обтекании сложной пространственной модели космоплана; тепловые и аэродинамические характеристики поверхности летательного аппарата; характер изменения указанных параметров от режима полета. Для нескольких траекторных точек рассматриваемого участка исследована эффективность управляющих поверхностей, а также влияние отклонения различных органов управления на локальные, интегральные и моментные аэродинамические характеристики пилотируемого орбитального корабля.

многоразовая космическая транспортная система, управляемый спуск в атмосфере, газовая динамика, математическое моделирование, вычислительная аэродинамика, программные комплексы, неструктурированные сетки, автоматизированное проектирование, виртуальный прототип, трехмерные реалистичные модели


Том 18, выпуск 2, 2017 год



1. Фотогалерея NASA. http://spaceflight.nasa.gov/gallery/images/shuttle/
2. NSTS 1988 News Reference Manual: Space Transportation System. https://science.ksc.nasa.gov/shuttle/technology/sts-newsref/
3. Jenkins D.R. Space Shuttle: The History of Developing the National Space Transportation System. 1996, 320 p.
4. История разработки многоразовой транспортно-космической системы (МТКС) “Спейс Шаттл”. http://www.buran.ru/htm/shuttle.htm
5. Ko W.L., Quinn R.D., Gong L. Finite-Element Reentry Heat-Transfer Analysis of Space Shuttle Orbiter / NASA Technical Paper – 2657, December 1986. 59 p.
6. Железнякова А.Л. Унифицированный подход к созданию сложных виртуальных поверхностей и расчетных сеток для комплексного имитационного 3D моделирования современных изделий аэрокосмической техники // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2016. Том 17, вып. 2. 24 с. http://chemphys.edu.ru/issues/2016-17-2/articles/634/
7. Rogers D.F. An Introduction to NURBS with Historical Perspective. Morgan Kaufman Publishers, San Fransisco, 2001. 324 p.
8. Piegl L.A., Tiller W. The NURBS Book. Springer, 1997. 646 p.
9. Lee K. Principles of CAD/CAM/CAE Systems. Addison-Wesley, California, 1999. 582 p.
10. SolidWorks. http://www.solidworks.com/
11. Железнякова А. Л. Моделирование аэротермодинамических характеристик виртуального прототипа перспективного сверхзвукового авиалайнера на крейсерском режиме полета//Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2017. Т.18, вып. 1. http://chemphys.edu.ru/issues/2017-18-1/articles/672/
12. Железнякова А.Л., Суржиков С.Т. Расчет гиперзвукового обтекания тел сложной формы на неструктурированных тетраэдральных сетках c использованием схемы AUSM // ТВТ, 2014, т. 52, № 2, с. 283–293.
13. Железнякова А.Л., Суржиков С.Т. Применение метода расщепления по физическим процессам для расчета гиперзвукового обтекания пространственной модели летательного аппарата сложной формы // ТВТ, 2013, том 51, № 6, с. 897–911.
14. Железнякова А.Л., Суржиков С.Т. На пути к созданию модели виртуального ГЛА. I. – М.: ИПМех РАН, 2013. – 160 c.
15. Железнякова А.Л., Суржиков С.Т. Численное моделирование поля течения при входе в атмосферу земли спускаемого аппарата с аэродинамическим качеством // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. - Сер. "Машиностроение". 2009. №2. C.3–25.
16. Железнякова А.Л., Суржиков С.Т. Численное моделирование гиперзвукового обтекания модели летательного аппарата Х-43 // Препр. ИПМех им. А.Ю. Ишлинского РАН. № 950. 2010. 82 с.
17. Железнякова А.Л., Кузенов В.В., Петрусев А.С., Суржиков С.Т. Численный анализ конвективного нагрева двух моделей спускаемых космических аппаратов // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. - Сер. "Машиностроение". 2009. №3. C.3–15.
18. Железнякова А.Л., Суржиков С.Т. Численное моделирование гиперзвукового обтекания модели летательного аппарата Х-43 // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. - Сер. "Машиностроение". 2010. №1. C.3–19.
19. Иванов И.Э., Крюков И.А. Метод расчета вязких пространственных течений на нерегулярных сетках // Материалы IX Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ-2012), Алушта, 25-31 мая, 2012. Изд-во “МАИ-ПРИНТ”, Москва, 2012. C. 240,241. ISBN 978-5-4316-0063-0.
20. Ермаков М.К. Многопроцессорное моделирование аэродинамики гиперзвукового летательного аппарата на трехмерных неструктурированных сетках // Материалы XXIII Научно-технической конференции по аэродинамике, п. Володарского Московской обл., 1-2 марта 2012. С. 104 – 105.
21. Ермаков М.К. Моделирование гиперзвукового обтекания летательного аппарата на суперкомпьютере “Ломоносов” // 6-я Всероссийская школа-семинар “Аэрофизика и физическая механика классических и квантовых систем”: Сборник научных трудов. - М: ИПМех РАН. 2012. С. 18 – 23. ISBN 978-5-91741-066-1.
22. Железнякова А.Л., Кузенов В.В., Петрусев А.С., Суржиков С.Т. Расчет аэротермодинамики двух типов моделей спускаемых космических аппаратов. // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2010. Том 9. http://chemphys.edu.ru/media/published/025.pdf
23. Суржиков С.Т. Аналитические методы построения конечно-разностных сеток для расчета аэротермодинамики спускаемых космических аппаратов // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. - Сер. “Машиностроение”. 2004. № 2. С.24–50.
24. Суржиков С.Т. Радиационно-конвективный теплообмен космического аппарата сферической формы в углекислом газе // ТВТ. 2011. Т.49. № 1. С.92–107.
25. Котов Д.В., Суржиков С.Т. Расчет течений вязкого и невязкого газа на неструктурированных сетках с использованием схемы AUSM // Вычислительная механика сплошных сред. 2011. Т.4. №1. С.36–54.
26. Iliff K.W., Shafer M.F. Space Shuttle Hypersonic Aerodynamic and Aerothermodynamic Flight Research and the Comparison to Ground Test Results / NASA Technical Memorandum 4499, 1993.
27. Prabhu D.K., Papadopoulos P.E., Davies C.B., Wright M.J., McDaniel R.D., Venkatapathy E., Wercinski P.F. Shuttle Orbiter Contingency Abort Aerodynamics: Real-Gas Effects and High Angles of Attack / NASA Technical Report RTO-EN-AVT-116. 2005, 24 p.
28. Young J.C., Underwood J.M., Hillje E.R. The Aerodynamic Challenges of the Design and Development of the Space Shuttle Orbiter. NASA Report, 1985.
29. Cunningham J.A., Haney J.W. Space shuttle wing leading edge heating environment prediction derived from development flight data / In NASA. Langley Research Center Shuttle Performance: Lessons Learned, Pt. 2, 1983, pp. 1083–1109.
30. Bornemann W.E., Surber T.E. Aerodynamic Design of the Space Shuttle Orbiter. AGARD CPP-247, paper 11, Sept. 1978. 24 p.
31. Saltzman E.J., Wang K.C., Iliff K.W. Aerodynamic Assessment of Flight-Determined Subsonic Lift and Drag Characteristics of Seven Lifting-Body and Wing-Body Reentry Vehicle Configurations / NASA/TP-2002-209032. 2002. 159 p.
32. Arrington J.P., Jones J.J. Shuttle Performance: Lessons Learned, Part 1. NASA-CP-2283-PT-1. 1983. 760 p.
33. Arrington J.P., Jones J.J. Shuttle Performance: Lessons Learned, Part 2. NASA-CP-2283-PT-2. 1983. 647 p.
34. Aerodynamic Design Data Book. Orbital Vehicle STS-1. Rockwell International. 1980. 1640 p.
35. Muylaert J., Walpot L., Rostand P., Rapuc M., Brauckmann G., Paulson J., Trockmorton D., Weilmuenster K. Extrapolation from wind tunnel to flight: Shuttle orbiter aerodynamics. NASA Technical Report. 1998. 16 p.
36. Liseikin V.D. Grid Generation Methods. – Berlin: Springer, 1999.
37. Thompson J.F., Soni B. K., Weatherill N. P. Handbook of Grid Generation. CRC Press, 1998.
38. Железнякова А. Л., Суржиков С. Т. Построение пространственных неструктурированных сеток на NURBS-поверхностях сложных изделий авиационной и ракетно-космической техники методом молекулярной динамики //Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2014. Т.15, вып. 1. http://chemphys.edu.ru/issues/2014-15-1/articles/108/
39. Zheleznyakova A.L. Molecular dynamics-based triangulation algorithm of free-form parametric surfaces for computer-aided engineering // Computer Physics Communication. 2015. http://dx.doi.org/10.1016/j.cpc.2014.12.018.
40. Zheleznyakova A.L., Surzhikov S.T. Molecular dynamic-based unstructured grid generation method for aerodynamic application // Computer Physics Communication, Vol.184, 2013. P.2711–2727.
41. Железнякова А. Л. Молекулярно-динамический метод построения неструктурированных сеток в сложных пространственных областях и на криволинейных поверхностях //Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2012. Т.13, вып. 4. http://chemphys.edu.ru/issues/2012-13-4/articles/368/
42. Белоцерковский О.М., Давыдов Ю.М. Метод крупных частиц в газовой динамике. – М.: Наука, 1982. – 391 с.
43. Марчук Г.И. Методы расщепления. – М: Наука, 1988. – 263 с.
44. Liou M. S., Steffen C. A New Flux Splitting Scheme – J. Comput. Phys., Vol. 107, 23-39, 1993.