Presentazione Tesi di Laurea di I livello di Michelangelo Ambrosini

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FACOLTA' DI INGEGNERIADIPARTIMENTO DI INGEGNERIA AEROSPAZIALE E ASTRONAUTICA

STIMA DEI COEFFICIENTI AEROTERMODINAMICI DI VEICOLI AEROSPAZIALI IN REGIONITRANSATMOSFERICHE

AUTORE : Michelangelo Ambrosini 10 ottobre 2003 R RELATORE : Prof. Nicola De Divitiis pag 0

STIMA DEI COEFFICIENTI AEROTERMODINAMICI DI VEICOLI AEROSPAZIALI

IN REGIONI TRANSATMOSFERICHE

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AUTORE : Michelangelo Ambrosini 10 ottobre 2003 RELATORE : Prof. Nicola De Divitiis pag 1

Obiettivo della tesi :approfondire in modo scientifico un tematornato drammaticamente attuale attraverso :

- l’ analisi degli effetti aerotermodinamici sui VEICOLI nellaalta atmosfera

- lo studio delle problematiche relative alla dinamica del rientro dei VEICOLI nell’atmosfera

- la classificazione e lo studio dei regimi di moto in zoneatmosferiche altamente rarefatte

- l’applicazione degli studi teorici in situazioni reali

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Gli argomenti trattati:

A. Problematica ipersonicaB. Rientro atmosfericoC. Campo ipersonico intorno al conoD. Regimi di moto in mezzi rarefatti

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A. Problematica ipersonica

A.1: Peculiarità del campo ipersonico - effetti aerodinamici- comportamento termodinamico dell’aria- effetti della viscosità e della conducibilità termica- effetti della rarefazione

A.2: Veicoli ipersonici - Space Shuttle

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A. Problematica ipersonicaA.1: Peculiarità del campo ipersonico

- effetti aerodinamici

Onde d’urto per un cono a vari numeri di Mach (γ = 1.4)

Campo supersonico e ipersonico su profili biconvessi

Onde d’urto per una sfera a vari numeri di Mach (γ = 1.4)

Gradiente di entropia normale alle linee di corrente

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- comportamento termodinamico dell’aria

Assi di rotazione della molecola biatomica

Vibrazione della molecola biatomica

Frazioni molari a valle di un’onda d’urto normalein condizioni di equilibrio: quota 100 [km]

Evoluzione termofluidodinamica diuna particella lungo la linea di corrente

Esempio di non equilibrio: espansione di ossigeno atomico

Esempio di flusso in ugello supersonico

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- effetti della viscosità e della conducibilità termica

Strato limite termico su una lastra pianaValori indicativi della composizione dell’aria nello strato limite

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- effetti della rarefazione


Space Shuttle Vehicle

Missione tipica dello Space Shuttle

Prove di volo dello Space Shuttle con 747

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B. Rientro atmosferico

B.1: Corridoio di volo e traiettoria di rientro

B.2: Riscaldamento aerodinamico

B.3: Modello di atmosfera isoterma

B.4: Dinamica del rientro per corpi non portanti ad angolo di traiettoriacostante- valutazione della decelerazione massima- valutazione del flusso di calore massimo

B.5: Esempio applicativo

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B.1: Corridoio di volo e traiettoria di rientro

Corridoio di volo Traiettorie di rientro

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B.2: Riscaldamento aerodinamico

B.3: Modello di atmosfera isotermaProfilo della densità (ρ [kg/m³]) in funzione della quota (z[km]) – confronto tra atmosferaisoterma ed atmosfera standard

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B.4: Dinamica del rientro per corpi non portanti ad angolo di traiettoriacostante- valutazione della decelerazione massima- valutazione del flusso di calore massimo

Traiettoria di rientro Schema geometrico di una capsula di rientro. Le dimensioni sono in millimetri

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B.5: Esempio applicativo

Profilo della velocità in funzione dellaquota al variare dell’angolo di rientro γ

Profilo della velocità in funzione della quota al variare del parametro balistico B per γ = 2

Profilo del rapporto decelerazione/accelerazione di gravitàin funzione della quota al variare dell’angolo di rientro γ

Profilo del rapporto decelerazione/accelerazione di gravità in funzione della quota al variare del parametro balistico B per γ = 2

Profilo del flusso termico in funzione della quota al variare dell’angolo di rientro γ

Profilo del flusso termico in funzione della quota al variare del parametro balistico B per γ = 2

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C. Campo ipersonico intorno al conoC.1: Calcolo del coefficiente di portanza e di

resistenza

Geometrie tipiche di corpi di rivoluzionecon bordo d’attacco a spigolo vivo

Cono circolare retto ad incidenza –sistema di riferimento sferico

Schema generico per il calcolo della portanzae della resistenza del cono circolare retto

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D. Regimi di moto in mezzi rarefattiD.1: Classificazione dei regimi di motoD.2: Equazione di MaxwellD.3: Regime di molecole libere

- quantità di moto delle molecole incidenti- quantità di moto delle molecole riemesse

D.4: Calcolo degli sforzi normali e tangenziali- valutazione dei coefficienti di accomodamento- coefficienti di accomodamento e numero di

Stanton

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D. Regimi di moto in mezzi rarefattiD.5 : Calcolo delle forze aerodinamiche

- valutazione della temperatura media di un satellite

D.6 : Regime di transizione- regime delle correnti slittanti (“slip flow”)- regime delle molecole quasi libere (“near free

molecules flow”)- parametro di rarefazione di Cheng e Chang

D.7 : Esempio applicativo 1D.8 : Esempio applicativo 2D.9 : Veicoli ipersonici – HL 20

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D. Regimi di moto in mezzi rarefattiD.1: Classificazione dei regimi di motoD.2: Equazione di MaxwellD.3: Regime di molecole libere

Distribuzione di probabilità maxwelliana del modulodella velocità di agitazione termica molecolare

per una fissata temperatura

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D. Regimi di moto in mezzi rarefattiD.3: Regime di molecole libere

- quantità di moto delle molecole incidenti

Schema generico di interazione tra flussodi molecole libere ed area elementare dS

Schema geometrico d’interazione tra flusso di molecole libere ed area elementare dS in flusso bidimensionale piano

Interazione tra il flusso di molecole libere e illato della superficie in ombra aerodinamica

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D. Regimi di moto in mezzi rarefattiD.3: Regime di molecole libere

- quantità di moto delle molecole riemesse

Schema geometrico del modello maxwelliano di riflessione speculare (a) e di remissione diffusiva (b)Schema geometrico del modello di remissione di Shamberg

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D. Regimi di moto in mezzi rarefattiD.4: Calcolo degli sforzi normali e tangenziali

- valutazione dei coefficienti di accomodamento- coefficienti di accomodamento e numero di

Stanton

Δπ/π Δτ/τ

teoria Newtoniana 1 0

riemissionespeculare

2 0

riemissione diffusiva f(Tr) 1

Δπ/π Δτ/τ

teoria Newtoniana 1 0

riemissionespeculare

2 0

riemissionediffusiva

f(Tr) 1

Variazioni di quantità di moto normale e tangenziale

Coefficienti di accomodamento normale e tangenziale in funzione dell’angolo di incidenza locale della superficie


AUTORE : i Michelangelo Ambrosini 10 ottobre 2003 R RELATORE : Prof. Nicola De Divitiis pag 21

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D. Regimi di moto in mezzi rarefattiD.5: Calcolo delle forze aerodinamiche

Discretizzazione in pannelli piani della superficie del cilindro (a) e della sfera (b)

Interazione molecolare su due areole (A e B) del cilindro

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D. Regimi di moto in mezzi rarefattiD.5: Calcolo delle forze aerodinamiche

- valutazione della temperatura media di unsatellite

Materiale Αs ε αs / ε Tw

Alluminio pulito e sgrassato

0.387 0.027 14.35 709

Alluminio anodizzato

0.15 0.77 0.19 242

Magnesio pulito 0.30 0.07 4.3 524

Biossido di titanio grigio

0.87 0.87 1 364

Biossido di titanio bianco

0.19 0.94 0.20 244

Acciaio sabbiato 0.78 0.44 1.77 420

Materiale Αs ε αs / ε Tw

Alluminio pulito e sgrassato

0.387 0.027 14.35 709

Alluminio anodizzato

0.15 0.77 0.19 242

Magnesio pulito 0.30 0.07 4.3 524

Biossido di titanio grigio

0.87 0.87 1 364

Biossido di titanio bianco

0.19 0.94 0.20 244

Acciaio sabbiato 0.78 0.44 1.77 420

Coefficiente di assorbimento solare ed riemissività di alcuni materiali di uso spaziale e temperatura media del corpo

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D. Regimi di moto in mezzi rarefattiD.6 : Regime di transizione

Regimi di moto

Corpo convesso e concavo

λ L

Condizioni asintotiche (λ∞)Condizioni a valle di un urto (λ2)Condizioni nello strato limite (λδ)Condizioni nell’onda d’urto (λ1,2)Condizioni delle molecoleriemesse (λw)

Dimensione corpo (rb)Stand off distance (∆)Spessore strato limite (δ)Spessore onda d’urto (δs)Scala di lunghezza del gradiente di una grandezza macroscopica (LG)

λ L

Condizioni asintotiche (λ∞)Condizioni a valle di un urto (λ2)Condizioni nello strato limite (λδ)Condizioni nell’onda d’urto (λ1,2)Condizioni delle molecoleriemesse (λw)

Dimensione corpo (rb)Stand off distance (∆)Spessore strato limite (δ)Spessore onda d’urto (δs)Scala di lunghezza del gradiente di una grandezza macroscopica (LG)

Definizioni di λ ed L

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- regime delle correnti slittanti (“slip flow”)

Profili di velocità nel regime di molecole libere (a), di transizione (b) e continuo (c)

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- regime delle molecole quasi libere (“near freemolecules flow”)

Interazione tra le molecole incidenti (i) e quelle riemesse (r) nel regime di molecole quasi libere

Variazione del coefficiente di resistenza di una sfera con il numerodi Reynolds (basato sul diametro) a valle dell’onda d’urto normale

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- parametro di rarefazione di Cheng e Chang

Valori sperimentali del numero di Stanton in corrispondenza del punto di ristagno di uncilindro emisferico in funzione del parametro di Cheng-Chang e relativa curva di “best fit”

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D. Regimi di moto in mezzi rarefattiD.7 : Esempio applicativo 1

Distribuzione del flusso di calore su un corpo emisferico in regime di molecole libere e di transizione

Schema geometrico del satellite

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Densità atmosferica e parametri aerodinamiciasintotici di un satellite in orbita circolare

Coefficiente di portanza della lastra piana in funzione dell’angolo d’attacco: alluminio

pulito e sgrassato, H = 250 [km]

Coefficiente di resistenza della lastra pianain funzione dell’angolo d’attacco: alluminio

pulito e sgrassato, H = 250 [km]

Resistenza aerodinamica del satellite (Fig.4.17)

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Definizione dei raggi delle orbite dello Shuttle, del centro di massa e del satellitTraccia dell’orbita del TSS e definizione delle relative coordinate angolari

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Profili della densità e della temperatura atmosfericalungo l’orbita del TSS e relativo valore standard

Profilo del numero di Reynolds a valle dell’onda d’urto normale lungo l’orbita del TSS e relativo

valore calcolato in corrispondenza delle grandezze atmosferiche standard

Profili del flusso convettivo di calore e della temperatura di equilibrio nel punto di ristagno lungo l’orbita del TSS e relativo valore medio

calcolato in corrispondenza delle grandezze atmosferiche standard

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D. Regimi di moto in mezzi rarefattiD.9 : Veicoli ipersonici - HL 20

Illustrazione del veicolo HL-20 (PLV) Pannellizzazione del PLV (Personnel Launch Vehicle)

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Distribuzione dei coefficienti di pressione per τw = 1 (PLV)

Distribuzione dei coefficienti di sforzo tangenziale per τw = 1 (PLV)

Distribuzione dei coefficienti di sforzo tangenziale per τw = 1 (PLV)

Distribuzione dei coefficienti di scambio termico per τw = 1 (PLV)“Windside composite plot” di log (qw) e linee di

corrente per Mach=15.8, α=25°, Tw=1100 K

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Distribuzione sulla “windward surface” di log (qw) per Mach=15.8, α=25°, Tw=1100 K“Windside composite plot” di log (qw) e linee di

corrente per Mach=15.8, α=25°, Tw=1100 K

“Windside composite plot” di log (qw) e linee di corrente per Mach=15.8, α=25°, Tw=1100 K

“Surface plot” di log (qw) e contorno planare del numero di Mach per Mach=15.8, α=25°

Metodologia di analisi aerotermostrutturale

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Condizioni di carico radiale nella fase di ascesa

Condizioni di carico assiale nella fase di ascesa

Condizioni di carico radiale nella fase di aborto

Condizioni di carico critiche

Carichi delle unità pannellari

Distribuzione del numero di g nelle diversecondizioni operative e di manovra

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La nuova generazione di veicoli datrasporto spaziale

ORBITAL SPACE PLAN (OSP)

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La nuova generazione di veicoli datrasporto spaziale

Principi fondamentali: - significativo incremento della sicurezza dell’equipaggio- riduzione dei costi di spedizione del carico pagante

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Osservazioni finali- La naturale integrazione progettuale di disciplineappartenenti ai diversi campi scientifici

- L’importanza della metodica di simulazione ai fini diun progetto realizzativo

- L’indispensabilità di strumenti di calcolo elettronico a supporto dello studio e della progettazione

- L’enorme differenziazione dell’ andamento deifenomeni fisici al mutare del quadro di riferimento

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Conclusioni :l’evoluzione della ricerca scientifica nell’ambito dei temi affrontati porterà a :

- maggiore sicurezza delle missioni spaziali- ottimizzazione dei costi di realizzazione dei progetti

spaziali- ricaduta in campo industriale ed economico delle

scoperte ed innovazioni sperimentate- accelerazione del processo di cooperazione

relativamente ai progetti internazionali (non soloquelli riguardanti lo spazio)

IN SINTESI : UN PROGRESSIVO MIGLIORAMENTO DELLA CONDIZIONE DI VITA DEL GENERE UMANO

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