Presentazione Tesi di Laurea di I livello di Michelangelo Ambrosini

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FACOLTA' DI INGEGNERIA
DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA AEROSPAZIALE E ASTRONAUTICA
STIMA DEI COEFFICIENTI AEROTERMODINAMICI DI VEICOLI AEROSPAZIALI IN REGIONI
TRANSATMOSFERICHE
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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TRANSATMOSFERICHE
RELATORE : Prof. Nicola De Divitiis pag 1
Obiettivo della tesi :
approfondire in modo scientifico un tema
tornato drammaticamente attuale attraverso :
- l’ analisi degli effetti aerotermodinamici sui VEICOLI nella
alta atmosfera
- lo studio delle problematiche relative alla dinamica del
rientro dei VEICOLI nell’atmosfera
- la classificazione e lo studio dei regimi di moto in zone
atmosferiche altamente rarefatte
- l’applicazione degli studi teorici in situazioni reali

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TRANSATMOSFERICHE
Gli argomenti trattati:
A. Problematica ipersonica
B. Rientro atmosferico
C. Campo ipersonico intorno al cono
D. Regimi di moto in mezzi rarefatti

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TRANSATMOSFERICHE
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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TRANSATMOSFERICHE
- 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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TRANSATMOSFERICHE
- comportamento termodinamico dell’aria
Assi di rotazione della molecola biatomica
Vibrazione della molecola biatomica
Frazioni molari a valle di un’onda d’urto normale
in condizioni di equilibrio: quota 100 [km]
Evoluzione termofluidodinamica di
una particella lungo la linea di corrente
Esempio di non equilibrio: espansione di ossigeno atomico
Esempio di flusso in ugello supersonico

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TRANSATMOSFERICHE
- effetti della viscosità e della conducibilità termica
Strato limite termico su una lastra piana
Valori indicativi della composizione dell’aria nello strato limite

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TRANSATMOSFERICHE
- effetti della rarefazione
Space Shuttle Vehicle
Missione tipica dello Space Shuttle
Prove di volo dello Space Shuttle con 747

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TRANSATMOSFERICHE

1 10
TRANSATMOSFERICHE

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TRANSATMOSFERICHE
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 traiettoria
costante
- valutazione della decelerazione massima
- valutazione del flusso di calore massimo
B.5: Esempio applicativo

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TRANSATMOSFERICHE
B.1: Corridoio di volo e traiettoria di rientro
Corridoio di volo Traiettorie di rientro

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TRANSATMOSFERICHE
B.2: Riscaldamento aerodinamico
B.3: Modello di atmosfera isoterma
Profilo della densità (ρ [kg/m³]) in funzione
della quota (z[km]) – confronto tra atmosfera
isoterma ed atmosfera standard

1 14
TRANSATMOSFERICHE
B.4: Dinamica del rientro per corpi non
portanti ad angolo di traiettoria
costante
- 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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TRANSATMOSFERICHE
B.5: Esempio applicativo
Profilo della velocità in funzione della
quota 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 gravità
in 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

1 16
TRANSATMOSFERICHE
C. Campo ipersonico intorno al cono
C.1: Calcolo del coefficiente di portanza e di
resistenza
Geometrie tipiche di corpi di rivoluzione
con bordo d’attacco a spigolo vivo
Cono circolare retto ad incidenza –
sistema di riferimento sferico
Schema generico per il calcolo della portanza
e della resistenza del cono circolare retto

1 17
TRANSATMOSFERICHE
D.1: Classificazione dei regimi di moto
D.2: Equazione di Maxwell
D.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

1 18
TRANSATMOSFERICHE
D.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 1
D.9 : Veicoli ipersonici – HL 20

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TRANSATMOSFERICHE
D.1: Classificazione dei regimi di moto
D.2: Equazione di Maxwell
Distribuzione di probabilità maxwelliana del modulo
della velocità di agitazione termica molecolare
per una fissata temperatura

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TRANSATMOSFERICHE
- quantità di moto delle molecole incidenti
Schema generico di interazione tra flusso
di 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 il
lato della superficie in ombra aerodinamica

1 21
TRANSATMOSFERICHE
- 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.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
riemissione
speculare
2 0
riemissione diffusiva f(Tr) 1
Δπ/π Δτ/τ
teoria Newtoniana 1 0
riemissione
speculare
2 0
riemissione
diffusiva
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
TRANSATMOSFERICHE
AUTORE : i Michelangelo Ambrosini 10 ottobre 2003

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TRANSATMOSFERICHE
D.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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TRANSATMOSFERICHE
D.5: Calcolo delle forze aerodinamiche
- valutazione della temperatura media di un
satellite
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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TRANSATMOSFERICHE
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 molecole
riemesse (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 molecole
riemesse (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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TRANSATMOSFERICHE
- regime delle correnti slittanti (“slip flow”)
Profili di velocità nel regime di molecole libere (a), di transizione (b) e continuo (c)

1 27
TRANSATMOSFERICHE
- regime delle molecole quasi libere (“near free
molecules 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 numero
di Reynolds (basato sul diametro) a valle dell’onda d’urto normale

1 28
TRANSATMOSFERICHE
- parametro di rarefazione di Cheng e Chang
Valori sperimentali del numero di Stanton in corrispondenza del punto di ristagno di un
cilindro emisferico in funzione del parametro di Cheng-Chang e relativa curva di “best fit”

1 29
TRANSATMOSFERICHE
Distribuzione del flusso di calore su un corpo emisferico
in regime di molecole libere e di transizione
Schema geometrico del satellite

1 30
TRANSATMOSFERICHE
Densità atmosferica e parametri aerodinamici
asintotici 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 piana
in funzione dell’angolo d’attacco: alluminio
pulito e sgrassato, H = 250 [km]
Resistenza aerodinamica
del satellite (Fig.4.17)

1 31
TRANSATMOSFERICHE
Definizione dei raggi delle orbite dello Shuttle, del centro di massa e del satellit
Traccia dell’orbita del TSS e definizione delle relative coordinate angolari

1 32
TRANSATMOSFERICHE
Profili della densità e della temperatura atmosferica
lungo 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 e
quilibrio nel punto di ristagno lungo l’orbita del TSS e relativo valore medio
calcolato in corrispondenza delle grandezze atmosferiche standard

1 33
TRANSATMOSFERICHE
D.9 : Veicoli ipersonici - HL 20
Illustrazione del veicolo HL-20 (PLV)
Pannellizzazione del PLV (Personnel Launch Vehicle)

1 34
TRANSATMOSFERICHE
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

1 35
TRANSATMOSFERICHE
Distribuzione sulla “windward surface” di
log (qw) 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

1 36
TRANSATMOSFERICHE
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 diverse
condizioni operative e di manovra

1 37
TRANSATMOSFERICHE
La nuova generazione di veicoli da
trasporto spaziale
ORBITAL SPACE PLAN (OSP)

1 38
TRANSATMOSFERICHE
La nuova generazione di veicoli da
trasporto spaziale
Principi fondamentali:
- significativo incremento della sicurezza dell’equipaggio
- riduzione dei costi di spedizione del carico pagante

1 39
TRANSATMOSFERICHE
Osservazioni finali
- La naturale integrazione progettuale di discipline
appartenenti ai diversi campi scientifici
- L’importanza della metodica di simulazione ai fini di
un progetto realizzativo
- L’indispensabilità di strumenti di calcolo elettronico
a supporto dello studio e della progettazione
- L’enorme differenziazione dell’ andamento dei
fenomeni fisici al mutare del quadro di riferimento

1 40
TRANSATMOSFERICHE
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 solo
quelli riguardanti lo spazio)
IN SINTESI : UN PROGRESSIVO MIGLIORAMENTO
DELLA CONDIZIONE DI VITA DEL GENERE UMANO

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