Aerodynamics and flight dynamics simulation of
EXPERT re-entry vehicle
This paper presents some results of CFD calculations and flight dynamics modeling of the EX-PERT re-entry vehicle. The main goal of this paper is the validation of developed software packages for aerodynamics and flight dynamics calculations. The CFD computations were per-formed using the CFD code ug3D developed in Institute for Problems in Mechanics for numeri-cal simulations of high-speed flows. Initial data for 6d-o-f computations including aerodynamic and mass-inertial characteristics was formed based on free-access data and CFD calculations for a wide range of Mach numbers and angles of attack. Flight dynamics computations were per-formed using the high-speed aircraft flight dynamics solver MODIN considering Earth ro-tation and form. The results of a comparison of the obtained trajectory and flight parameters of the EXPERT vehicle with the European Space Agency results are presented.
В данной статье представлены результаты расчета аэродинамических характеристик и траектории полета спускаемого летательного аппарата EXPERT (European Experimental Re-entry Testbed). Основной целью данной статьи является валидация разрабатываемых модулей расчета аэродинамики и динамики полета. Расчеты аэродинамики выполнялись с использованием программного комплекса ug3D для численного моделирования аэротермодинамики высокоскоростных летательных аппаратов произвольной конфигурации, разработанного в Институте проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН. На основе данных из открытых источников и результатов расчетов аэродинамики был сформирован банк исходных данных, включающий в себя аэродинамические и массово-инерционные характеристики в широком диапазоне чисел Маха и углов атаки. Моделирование динамики объекта производилось при помощи программного модуля MODIN расчета динамики полета типовых высокоскоростных летательных аппаратов. Моделировалось пространственное движение объекта с учетом кривизны и вращения Земли. Представлены результаты сравнения полученной траектории движения объекта с траекториями, рассчитанными Европейским Космическим Агентством.
1. Muylaert J., Cipollini F. et al. Flight Experiments for Hypersonic Vehicle Development Expert. RTO-AVT-VKI lecture series RTO EN-AVT-116. 10-14 May 2004. 2. Barrio M. A., Sudars, M., Aulisio R. et al. EXPERT – The ESA experimental Re-Entry Test-bed. Trajectory and mission design. AIAA Guidance, Navigation and control Conference. 08-11 Au-gust 2011. Portland, Oregon. 3. Schettino A., Votta R., Roncioni P. et al. Aerodynamic and Aerothermodynamic Database of Expert capsule. CIRA-CF-05-0929 Rev 3. 14 Feb 2008. 4. Макеич Г. С., Крюков И. А., Обносов Б. В. Предварительная версия программного модуля расчета динамики полета типовых ГЛА//Физико-химическая кинетика в газо-вой динамике. 2016. Т.17, вып. 3. http://chemphys.edu.ru/issues/2016-17-3/articles/668/ 5. Макеич Г. С., Тюкаев М. Ю., Чибисов Я. Н. Проект «Молот» гиперзвукового беспи-лотного самолета-разгонщика с комбинированной экранной турбо-прямоточной си-ловой установкой //Труды МАИ. – 2012. – №. 51. – С. 6-6. 6. Макеич Г. С., Тюкаев М. Ю., Чибисов Я. Н. Анализ продольного траекторного дви-жения многорежимного сверхзвукового беспилотного летательного аппарата при использовании аэродинамических схем «утка» и «бесхвостка» // Труды МАИ. – 2010. – №. 38. – С. 2. 7. Sudars M., Barrio A. M., and Wong H. EXPERT 6-DoF Entry Trajectory Analysis includ-ing flight under parachute simulations. 4th International Conference on Astrodynamic Tools and Techniques (ICATT). ESAC, Madrid. 3-6 May 2010. 8. Боровиков С.Н., Кpюков И.А., Иванов И.Э. Построение нерегулярных треугольных сеток на криволинейных гранях на основе триангуляции Делоне // Математическое моделирование РАН, 2005, 17, 8, 31-45. 9. Боровиков С.Н., Иванов И.Э., Кpюков И.А. Построение тетраэдризации Делоне с ограничениями для тел с криволинейными границами // Журнал Вычислительной математики и математической физики, 2005, 45, 8, 1407-1423. 10. Borovikov S.N., Kryukov I.A., Ivanov I.E. An Approach for Delaunay Tetrahedralization of Bodies with Curved Boundaries, Proceedings of the 14th International Meshing Roundtable, San Diego, USA, 2005, 221-237. 11. Liseikin V.D. Grid Generation Methods. – Berlin: Springer, 1999. 12. Thompson J.F., Soni B. K., Weatherill N. P. Handbook of Grid Generation. CRC Press, 1998. 13. Железнякова А.Л. Моделирование аэротермодинамических характеристик виртуаль-ного 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/ 14. Боровиков С.Н., Иванов И.Э., Кpюков И.А. Моделирование пространственных тече-ний идеального газа // Математическое моделирование РАН, 2006, 18, 8, 37-48. 15. Barth T.J., Jespersen D.C. The design and application of upwind schemes on unstructured meshes // AIAA Paper No. 1989-0366, Jun 1989. 16. Liou M.S., Steffen C.J.Jr. A New Flux Splitting Scheme // J. Comput. Physics, 1993, Vol. 107, pp. 23-39. 17. Venkatakrishnan V. Convergence to Steady State Solutions of the Euler Equations on Un-structured Grids with Limiters // J. Comput. Physics, 1995, Vol. 118, pp.120-130. 18. Michalak C., Ollivier-Gooch C. Accuracy preserving limiter for the high-order accurate solution of the Euler equations // J. Comput. Physics, 2012, Vol. 228, pp. 8693-9711. 19. Weiss J.M., Maruszewski J.P., Smith W.A. Implicit solution of preconditioned Navier–Stokes equations using algebraic multigrid // AIAA Journal, 1999, Vol. 37, No. 1, pp. 29–36. 20. Shu C.-W., Osher S. Efficient Implementation of Essentially Non-Oscillatory Shock-Capturing Schemes II // J. of Comput. Physics, 1989, Vol. 83, pp. 32–78. 21. Kotov M.A., Kryukov I.A., Ruleva L.B., Solodovnikov S.I., and Surzhikov S.T. Experi-mental Investigations of an Aerodynamic Flow of Geometrical Models in Hypersonic Aerodynamic Shock Tube // AIAA 2013-2931. 31st AIAA Applied Aerodynamics Con-ference. June 24-27, 2013, San Diego, CA. 15 p. 22. Лебедев А.А., Герасюта Н.Ф. Баллистика ракет. М.: Машиностроение, 1970, 244 с. 23. Бочкарев А. Ф., Андреевский В. В. Аэромеханика самолета: Динамика полета. М.: Машиностроение, 1985. 360 с. 24. Sagliano M. Development of a Novel Algorithm for High Performance Reentry Guidance. Bremen University, Phd thesis. 22 January 2016. 270 p. 25. Глобальная справочная модель атмосферы на высотах от 0 до 100 километров для баллистического обеспечения ракетно-космической практики: отчет / Госкорпорация «Роскосмос». – М., 2016. – 98 с. 26. Макеич Г. С., Крюков И. А. Оценка влияния времени года и координаты точки пуска на летательный аппарат, двигающийся по баллистической траектории //Материалы ХХ Юбилейной Международной конференции по вычислительной механике и со-временным прикладным системам (ВМСППС'2017). – 2017. – С. 747-749. 27. ГОСТ 24631-81 Атмосферы Справочные. Параметры. 28. Wiegand A. Aerospace Trajectory Optimization Software. www.astos.de 29. Фэй Дж., Риддел Ф. Теоретический анализ теплообмена в лобовой точке, омываемой диссоциированным воздухом // Проблемы движения головной части ракет дальнего действия: сборник статей / под ред. Е.В. Самуйлова, Э.Э. Шпильрайна. – М.: Изд-во иностранной литературы, 1959. – С. 217-256 30. Железнякова А.Л., Суржиков С.Т. На пути к созданию модели виртуального ГЛА.I.М.: Наука, 2013. 160 с.
