Ροές υψηλών ταχυτήτων και θερμοδυναμική αερίων σε υψηλές θερμοκρασίες: υπολογιστική διερεύνηση της εισόδου και επαναφοράς υπερυπερηχητικών συστημάτων μεταφοράς στην ατμόσφαιρα

Abstract

The object of the present doctoral thesis constitutes the theoretical and calculating simulation of high-speed atmospheric flightmotion, with particular emphasis in hypersonic speeds and aerodynamic and thermodynamic analysis. The methodology that is followed has as main aim the prediction of return flight trace of hypersonic vehicles in Earth’s ground, assuming the speeds of flight to reach the 15000 m/s (Mach number ~ 40) and stagnation temperatures the 15000 K. In this work are followed methodological approach and systematic bibliographic research in the scientific field of aerodynamic overheating that suffers Hypersonic Vehicles(H/V) at their flight in Earth’s atmosphere. The analysis of hypersonic flow, thermal loads and new methods for thermal protection systems of H/V are developed the last decades and are evolved continuously, but until today (2008) resulting failures mainly at their reentry in atmosphere from the interval. For the simulation of the atmospheric hypersonic flight motion become study and analysis of thermodynamic properties and parameters, that characterize the flow fields in high speeds and high temperatures. The determination of altered flow conditions, thermodynamic properties and transport magnitudes will contribute in the theories of modelling and high thermal strain calculations, in the constitution of overheating air and it’s high temperature determination in the external surface of heat insulation wall of high-speed vehicles at their flight in Earth’s atmosphere. In this work are developed calculating algorithms of simulation for the successful prediction of atmospheric flight motion of hypersonic transport vehicles. The basic aerodynamic characteristics of lifting vehicles in high speeds are calculated with suitable adaptation of classic Newtonian Flow in high speeds and are confirmed with experimental data of aerodynamic measurements in high speed wind-tunnels of NASA. Moreover in this thesis are incorporated models for the simulation of properties of overheating air behaviour as real gas in thermodynamic balance in extreme flow conditions (high speeds, high pressures and low densities). Particularly becomes analysis of the altered constitution and properties of air (thermodynamic magnitudes and transport magnitudes) in very high temperatures on hypersonic flow field. This study will lead to the export of a new model for the transported thermal stagnation region calculations of hypersonic vehicles, which is confirmed so much with internationally recognized thermal models (as that of Fay-Riddell) and with calculating simulations of other researchers. The methodology that is followed will constitute the base for the export of a new theoretical model for high temperature air calculations in thermal protection systems surface of hypersonic vehicles. The effectiveness of proposed methodology, with the combination kinematic and aerothermodynamics analysis in united calculating algorithm, is proved and confirmed via the application of above simulation models on ballistic (Apollo Command Module) and lifting (Space Transportation System, known as Space Shuttle) hypersonic vehicles. The results of proposed method are compared, evaluated and certified with similarly by internationally recognized calculating systems and experimental data of measurements in hypersonic wind-tunnels for high speed vehicles. In the next decades, the development of hypersonic transportation systems will be rapid and particularly attractive from technological side with hopeful messages for “earthy” transfers with high speeds in short times, but also likely persons-astronaut missions in other planets of solar system. Thus the present doctoral thesis, developing the progress that has taken place in the past few years, is appreciated that it contributes substantially in still under development - for the Greek data unusual - scientific field of Hypersonic Aerothermodynamics, and in the growth of methodology for the aerothermodynamic construction of hypersonic vehicles. The proposed complex model of kinematic and thermodynamic calculating analysis and it’s methodology that is followed have influence and application in the majority of cases of hypersonic flights in earthy and, with properly adaptations, in anyone planetary atmosphere. Of course, the proposed methodology has margins of development and growth in order to improve her efficiency with the import of also new elements and also extended the spectrum of her possible applications

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτελεί η θεωρητική και υπολογιστική προσομοίωση της πτήσης ατμοσφαιρικής καθόδου υψηλών ταχυτήτων, με ιδιαίτερη έμφαση στις υπερυπερηχητικές ταχύτητες και την αεροδυναμική και θερμοδυναμική ανάλυσή της. Η μεθοδολογία που ακολουθείται έχει ως κύριο σκοπό την πρόβλεψη του ίχνους επιστροφής υπερυπερηχητικών οχημάτων στη Γη, με δεδομένο οι ταχύτητες πτήσης να φτάνουν τα 15000 m/s (αριθμός Mach ~ 40) και οι θερμοκρασίες ανακοπής τους 15000 Κ. Στην εργασία αυτή ακολουθείται μεθοδολογική προσέγγιση και συστηματική βιβλιογραφική έρευνα στον επιστημονικοτεχνικό τομέα της αεροδυναμικής υπερθέρμανσης, που υφίστανται Υπερυπερηχητικά Οχήματα (Υ/Ο), κατά την πτήση τους στην ατμόσφαιρα. Η ανάλυση της υπερυπερηχητικής ροής, των θερμικών φορτίων και οι μέθοδοι θερμοθωράκισης των Υ/Ο αναπτύσσονται τις τελευταίες δεκαετίες και εξελίσσονται συνεχώς, αλλά μέχρι και σήμερα (2008), προκύπτουν αστοχίες, κυρίως κατά την επανείσοδό τους στην ατμόσφαιρα από το διάστημα. Για την προσομοίωση της υπερυπερηχητικής πτήσης καθόδου στην ατμόσφαιρα γίνεται μελέτη και ανάλυση των θερμοχημικών ιδιοτήτων και παραμέτρων, οι οποίες χαρακτηρίζουν τα ροϊκά πεδία στις υψηλές ταχύτητες και υψηλές θερμοκρασίες. Ο προσδιορισμός των μεταβαλλόμενων ροϊκών συνθηκών, των θερμοδυναμικών ιδιοτήτων και μεγεθών μεταφοράς θα συμβάλλει στις θεωρίες μοντελοποίησης και υπολογισμού της υψηλής θερμικής καταπόνησης, της σύστασης του υπέρθερμου αέρα και της υψηλής θερμοκρασίας του στην εξωτερική επιφάνεια του θερμομονωτικού τοιχώματος οχημάτων υψηλών ταχυτήτων, κατά την πτήση τους στην ατμόσφαιρα της Γης. Στα πλαίσια αυτά αναπτύσσονται υπολογιστικοί αλγόριθμοι προσομοίωσης και επιτυχούς πρόβλεψης του ατμοσφαιρικού ίχνους καθόδου οχημάτων υπερυπερηχητικής μεταφοράς. Τα βασικά αεροδυναμικά χαρακτηριστικά των ανωστικών οχημάτων στις υψηλές ταχύτητες υπολογίζονται με κατάλληλη προσαρμογή της κλασσικής Νευτώνειας Ροής στις υψηλές ταχύτητες και επιβεβαιώνονται με πειραματικά δεδομένα αεροδυναμικών μετρήσεων σε αεροσήραγγες υψηλών ταχυτήτων της NASA. Επιπλέον στη διατριβή ενσωματώνονται μοντέλα προσομοίωσης των ιδιοτήτων συμπεριφοράς του υπέρθερμου αέρα ως πραγματικού αερίου σε συνθήκες θερμοδυναμικής ισορροπίας σε ακραίες ροϊκές συνθήκες (υψηλές ταχύτητες, υψηλές πιέσεις και χαμηλές πυκνότητες). Πιο συγκεκριμένα γίνεται ανάλυση της μεταβαλλόμενης σύστασης και των ιδιοτήτων του αέρα (θερμοδυναμικά μεγέθη και μεγέθη μεταφοράς) στις πολύ υψηλές θερμοκρασίες του υπέρθερμου ροϊκού πεδίου. Η μελέτη αυτή θα οδηγήσει στην εξαγωγή ενός νέου μοντέλου υπολογισμού της μεταφερόμενης θερμικής ροής στην περιοχή ανακοπής υπερυπερηχητικών οχημάτων, το οποίο επιβεβαιώνεται τόσο με διεθνώς αναγνωρισμένα θερμικά μοντέλα (όπως αυτό των Fay-Riddell) όσο και με υπολογιστικές προσομοιώσεις άλλων ερευνητών. Η μεθοδολογία που ακολουθείται θα αποτελέσει τη βάση για την εξαγωγή ενός νέου θεωρητικού μοντέλου υπολογισμού της θερμοκρασίας του αέρα στην επιφάνεια του θερμοθώρακα του υπερυπερηχητικού οχήματος. Η αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης μεθοδολογίας, με το συνδυασμό κινηματικής και αεροθερμοδυναμικής ανάλυσης σε ενιαίο υπολογιστικό αλγόριθμο, αποδεικνύεται και ενισχύεται μέσω της εφαρμογής των ανωτέρω μοντέλων προσομοίωσης σε βαλλιστικό (διαστημικός θαλαμίσκος Απόλλων) και ανωστικό (Σύστημα Διαστημικής Μεταφοράς, γνωστό ως Διαστημικό Λεωφορείο Space Shuttle) υπερυπερηχητικό όχημα. Τα αποτελέσματα της προτεινόμενης μεθόδου συγκρίνονται, αξιολογούνται και πιστοποιούνται με παρόμοια από διεθνώς αναγνωρισμένα υπολογιστικά συστήματα και πειραματικά δεδομένα μετρήσεων σε υπερυπερηχητικές αεροσήραγγες οχημάτων υψηλών ταχυτήτων. Μέσα στις επόμενες δεκαετίες, η εξέλιξη των υπερυπερηχητικών συστημάτων μεταφοράς θα είναι ραγδαία και ιδιαίτερα ελκυστική από τεχνολογικής πλευράς με ελπιδοφόρα μηνύματα για "γήϊνες" μετακινήσεις με υψηλές ταχύτητες σε σύντομους χρόνους, αλλά και πιθανές μετοικήσεις ανθρώπων-αστροναυτών σε άλλους πλανήτες του ηλιακού συστήματος. Έτσι η παρούσα διδακτορική διατριβή, αξιοποιώντας τις προόδους που έχουν συντελεστεί τα τελευταία χρόνια, εκτιμάται ότι συμβάλλει ουσιαστικά στο ακόμα υπό εξέλιξη – για τα ελληνικά δεδομένα πρωτόγνωρο – επιστημονικό πεδίο της Υπερυπερηχητικής Αεροθερμοδυναμικής, και στην ανάπτυξη μεθοδολογίας για τον αεροθερμοδυναμικό σχεδιασμό υπερυπερηχητικών οχημάτων. Το προτεινόμενο σύνθετο μοντέλο κινηματικής και θερμοδυναμικής υπολογιστικής ανάλυσης και η μεθοδολογία που ακολουθείται έχει ισχύ και εφαρμογή στην πλειονότητα των περιπτώσεων των υπερυπερηχητικών πτήσεων στη γήινη και, με κατάλληλες προσαρμογές, σε οποιαδήποτε πλανητική ατμόσφαιρα. Βεβαίως, η προτεινόμενη μεθοδολογία έχει περιθώρια εξέλιξης και ανάπτυξης, προκειμένου να βελτιωθεί η απόδοσή της με την εισαγωγή και νέων στοιχείων, αλλά και να διευρυνθεί το φάσμα των δυνατών εφαρμογών της