بهینه‌سازی آیرودینامیکی و پایداری افزونه تصحیح مسیر ترابرپذیر پرتابه دوچرخشه مافوق صوت

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران

2 پژوهشکده هوافضا پژوهشگاه باقرالعلوم، تهران

چکیده

در پژوهش پیشرو، یک افزونه جدید ترابرپذیر که قابلیت نصب بر روی پرتابه‌های دوچرخشه را دارد؛ با رویکردی عددی طراحی و بهینه‌سازی شده است. همچنیناثرات آیرودینامیکی و پایداری دینامیکی این افزونه به‌گونه‌ای بررسی شد که با افزایش عملکرد آن، امکان اصلاح مسیر پرتابه توسط افزونه‌ی بهینه، فراهم شود. شایان‌ذکر است که در روند شبیه‌سازی‌ها، مدل آشفتگی کا-اپسیلون به‌منظور دست‌یابی به اهداف این تحقیق، در نظر گرفته‌شده است. این افزونه در قسمت غیر چرخان با چهار کاناردمنجر به افزایش ضریب گشتاور و در نتیجه تصحیح مسیر پرتابه می‌شود. ابتدای امر، به‌منظوردست‌یابی به پارامترهای طراحی، شبیه‌سازی‌های مختلفی صورت پذیرفت و اثرات پارامترهای گوناگون بر آیرودینامیک و پایداری پرتابه مورد مطالعه قرارگرفته است. در همین راستا،مطابق با شرایط واقعی در ماخ‌های 2 تا 3 و در زوایایحمله 0 و 2 درجه،شبیه‌سازی پرتابه با افزونه جدید صورت پذیرفت. در ادامه، نتایج حاصله با جریان حول پرتابه بدون افزونه مقایسه گردید؛ سپس با تعیین پارامترهای طراحی و تابع هدف مختلف از جنبه آیرودینامیکی و پایداری، بهینه‌سازی این افزونه‌ی دارای کانارد، بحث و بررسی شد. در انتها، با استفاده از روش پاسخ سطح برای توابع پاسخ متفاوتی همچون پایداری دینامیکی و ژیروسکوپیکی در فاز ابتدایی و قدرت چرخش در فاز نهایی، مدل‌سازی و بهینه‌سازی برای نمونه مورد نظر صورت پذیرفت. یافته‌های حاصله از پایداری پرتابه با افزونه بهینه‌شده جدید نشان از قابلیت‌های آیرودینامیکی بسیار خوب افزونه‌‌یبهینه‌شده، دارد. اگرچه افزونه جدید منجر به افزایش جزئی در ناپایداری پرتابه خواهد شد؛اماکماکان شروط پایداری به‌طور کامل ارضا می‌شود و می‌توان از این افزونه جدید ترابرپذیر در پرتابه‌های دوچرخشه بسیار بهره برد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Aerodynamic and Stability Optimization of Portable Trajectory-Correction Extension for Dual-Spin Supersonic projectile

نویسندگان [English]

  • Amir Bagheri 1
  • Ali Esmaeili 1
  • Javad Tahmasebi 1
  • Hossein Jabbari 1
  • ali Tavakoli sabor 2
1 Department of mechanical engineering, Faculty of engineering, Ferdowsi University of Mashhad
2 Aerospace institute,
چکیده [English]

In this paper, a new portable plugin extension has been designed and optimized, which can be installed on dual-spin projectiles. The aerodynamic and dynamic stability effects of this plugin extension have been investigated in such a way that byincreasing its performance, it is possible to modify the projectile path by the optimal extension. This portable device with four canards mounted on the projectile's non-rotating part can increase the torque coefficient and correct the projectile path. Initially, to achieve the design parameters, various simulations were performed, and the effects of several parameters on the aerodynamics and stability of the projectile were studied. Adjusting to real conditions of Mach 2 to 3 and at the attack angles of 0 and 2 degrees, the projectile was simulated with the new add-on, and the results were compared with that of the projectile without any extensions. By defining the design variables and objective functions in terms of aerodynamics and stability, the optimization of this plugin extension with canard was investigated by the response surface method (RSM). In the first phase of optimization, dynamic and gyroscopic stabilities were mentioned as response functions, and rotational power was chosen in the next phase of the study. As a result, the projectile's stability was investigated with a new optimized extension, and the optimum add-on system displayed excellent aerodynamic capabilities. Although the new plugin device leads to a slight increase in the projectile instability, the stability conditions are still fully met, and the optimized plugin extension can be used in dual-spin projectiles.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Spinning Projectile
  • Portable Plugin
  • Response Surface Method (RSM)
  • Stability
  • Aerodynamic Coefficient

مراجع

  1. Theodoulis, S. and Wernert, P. “Flight Dynamics & Control for Smart Munition: The ISL Contribution”, IFAC-PapersOnLine, Vol. 50, no. 1, pp. 15512-15517, 2017.##
  2. Costello, M. and Peterson, A. “Linear Theory of a Dual-spin Projectile in Atmospheric Flight”,J. Control, Dynam, Vol. 23, no. 5,pp. 789-797, 2000.##
  3. Zhu D., Tang S., Guo Jie.and Chen Rui.“Flight stability of a dual-spin projectile with canards”, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: J. Aerospace Eng., Vol. 229, no. 4,pp. 703-716,. 2015.##
  4. Chang, S., Wang, Z. and Liu, T. “Analysis of Spin-Rate Property for Dual-Spin-Stabilized Projectiles with Canards”, Spacecraft Rockets,Vol. 51, no. 3,pp. 958-966, 2014.##
  5. Theodoulis S., Gassmann V., Wernert Philippe, Dritsas L., Kitsios I. and Tzes Anthony, “Guidance and Control Design for a Class of Spin-stabilized Fin-controlled Projectiles”, Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol. 36, no. 2,pp. 517-531, 2013.##
  6. Wernert, P. “StabilityAnalysis for Canard Guided Dual-spin Stabilized Projectiles”,Int. Conf.AIAA atmospheric flight mechanics, 2009.##
  7. Chang, S. “Dynamic Response to Canard Control and Gravity for a Dual-spin Projectile”, Spacecraft Rockets, Vol. 53, no. 3,pp. 558-566, 2016.##
  8. Pasandideh-Fard, M. and Khalghani, A. “Aerodynamic Shape Optimization of Supersonic Projectile Fins”, Fluid Mechanics & Aerodynamics Journal, Vol. 1, no. 1,2012 (In Persian).##
  9. Zhang, B.,Shushan Wang,Mengyu Cao, and Yuxin Xu “Impacts of Deflection Nose on Ballistic Trajectory Control Law”, Mathematical Problems in Engineering, 2014.##
  10. Sève, F.,Theodoulis, S.,Wernert,Ph.,Zasadzinski,M. andBoutayeb, M.“Flight Dynamics Modeling of Dual-spin Guided Projectiles”, IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Vol. 53, no. 4,pp. 1625-1641, 2017.##
  11. Zhang, Z.-y., Qi-zhongTang,Xiao-huiSun,and Zhi-huaChen,“Trajectory Optimization of a Deflectable Nose Missile”, Defence technology, Vol. 13, no. 3,pp. 158-163, 2017.##
  12. Rogers, J. and Costello, M. “A Variable Stability Projectile Using an Internal Moving Mass”, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: J. Aerospace Eng.,Vol. 223, no. 7,pp. 927-938, 2009.##
  13. Malejko,G.,Burke,P.,Dohrn,R. andOwens,J. S. “Jet Interaction Effect on the Precision Guided Mortar Munition (pgmm)”, ArmyArmament Research Development and Engineering Center Picatinny Arsenal NJ. 2008.##
  14. Fresconi, F.,Cooper, G.,Celmins, I.,DeSpirito, J. andCostello, M.“Flight Mechanics of a Novel Guided Spin-stabilized Projectile Concept”, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: J. Aerospace Eng.,Vol. 226, no. 3,pp. 327-340, 2012.##
  15. Menon, P. K.,Sweriduk, G. D.,Ohlmeyer, E. J. and Malyevac, D. S. “Integrated Guidance and Control of Moving-mass Actuated Kinetic Warheads”, Journal of Guidance, control, and Dynamics, Vol. 27, no. 1,pp. 118-126, 2004.##
  16. Burchett, B., Peterson, A. and Costello, M. “Prediction of Swerving Motion of a Dual-spin Projectile with Lateral pulse jets in Atmospheric Flight”, Mathematical and Computer Modelling, Vol. 35, no's. 7-8,pp. 821-834, 2002.##
  17. Bozorgian, M., Dolabi, M.H. and Tarabi, A. “Numerical Investigation of Lateral Jet Interaction Effects on Aerodynamic Behavior of a Supersonic Projectile”, Modares Mechanical Engineering, Vol. 17, no. 4,pp. 431-442,2017. (In Persian)##
  18. Norris, J., Amer H.,Economou, J. and Simon, P.“A Review of Dual-spin Projectile Stability”, Defence Technology, Vol. 16, no. 1,pp. 1-9, 2020.##
  19. McCoy, R. “Modern Exterior Ballistics: The Launch and Flight Dynamics of Symmetric Projectiles”, 1999: Schiffer Pub.##
  20. Mirzaei, M. and Nikbin, S.M. “Improvement of Projectile Time Commands Using Plasma Actuator Response to Control Commands Using Plasma Actuator”,Modares Mechanical Engineering, Vol. 13, no. 4, pp. 118-124, 2013. (In Persian)##
  21. Bartosiewicz, Y., Aidoun, Z., Desevaux, P. and Mercadier, Y.“CFD-Experiments Integration in the Evaluation of Six Turbulence Models for Supersonic Ejectors Modeling”,Proc. Int. Integrating CFD and Experiments, Glasgow, UK. 2003.##
  22. Khan, A.A. and Iyengar, V.S. “Numerical Simulation of Supersonic Combustion of Hydrogen in a Vitiated Air Stream”,In Proc. of the 11th AeSI Annual CFD Symposium. India, Bangalore, 2009.##
  23. Javareshkian,M. H.,Baghri,A.,Esmaeli,A.,Zamanifard,A.“Aerodynamic Investigation and Optimization of Airfoil Geometry and Oscillation Parameters in the Plunging Motion Using RSM”, Modares Mechanical Engineering, Vol. 14, no. 16,2015. (In Persian)##
  24. Seifert, J. “A Review of the Magnus Effect in Aeronautics”, Progress in Aerospace Sciences, Vol. 55,pp. 17-45, 2012.##
  25. Baranowski, L. “Numerical Testing of Flight Stability of Spin-Stabilized Artillery Projectiles”, Theor. Appl. Mech.,Vol. 51, no. 2, pp. 375-385, 2013.##
  26. Daniels, P. and Hardy, S.R. “Theoretical and Experimental Methods in the Solution of Missile Nonlinear Roll Problems”, Naval Surface Weapons Center Dahlgren LAB VA, 1978.##
  27. Murphy, C.H. “Free Flight Motion of Symmetric Missiles”, 1963, Army Ballistic Research Lab Aberdeen Proving Ground Md.##
  28. Molitz, H. and Strobel, R. “Äußere Ballistik”, 2013: Springer-Verlag.##

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 13 آبان 1398
  • تاریخ بازنگری: 09 فروردین 1400
  • تاریخ پذیرش: 08 تیر 1399
  • تاریخ انتشار: 01 آذر 1399

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار