Wind tunnel tests of influence of boosters and fins on aerodynamic characteristics of the experimental rocket platform

• Autorzy: Ruchała P. , Placek R. , Stryczniewicz W. , Matyszewski J. , Cieśliński D. , Bartkowiak B.

Warianty tytułu

PL

Wpływ silników pomocniczych i stateczników na charakterystyki aerodynamiczne eksperymentalnej platformy rakietowej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents results of wind tunnel tests of the Experimental Rocket Platform (ERP), which is developed in Institute of Aviation. It is designed as an easy accessible and affordable platform for microgravity experiments. Proposed design enables to perform experiments in microgravity for almost 150 seconds with apogee of about 100 km. The full-scale model of the ERP has been investigated in the T-3 wind tunnel in Institute of Aviation. During the investigation, the aerodynamic loads of the rocket has been measured for the angle of attack up to 10° and the different rotation angle around the longitudinal axis (up to 90°, depending on the configuration). Three configurations has been investigated: • without fins and boosters • with fins and without boosters • with fins and boosters. Additionally, the measurements of velocity field around the ERP using the Particle Image Velocimetry (PIV) has been performed. Based on the wind tunnel test, an influence of fins and boosters on aerodynamic characteristics of the rocket has been described. Results of the wind tunnel tests show relatively high contribution of boosters in total aerodynamic drag. Some conclusions concerning performance and stability of the rocket have been presented.

PL

W artykule przedstawiono wyniki badań tunelowych Eksperymentalnej Platformy Rakietowej (EPR), powstającej w Instytucie Lotnictwa. EPR jest projektowana jako tania i łatwo dostępna platforma do eksperymentów w mikrograwitacji. Powstająca konstrukcja umożliwi wykonanie eksperymentów trwających do 150 sekund, na wysokości ok. 100 km. Model EPR w skali naturalnej został przebadany w tunelu aerodynamicznym T-3 w Instytucie Lotnictwa. Podczas badań zmierzono obciążenia aerodynamiczne działające na rakietę dla kątów natarcia do 10° i różnych kątów obrotu wzdłuż osi podłużnej (do 90°, zależnie od konfiguracji). Badania wykonano dla trzech konfiguracji: • korpus, bez stateczników i silników pomocniczych; • ze statecznikami, bez silników pomocniczych; • ze statecznikami i silnikami pomocniczymi. Ponadto wykonano pomiary wektorowego pola prędkości przepływu wokół rakiety, używając metody anemometrii obrazowej PIV (Particle Image Velocimetry). Na podstawie wyników badań tunelowych, określono wpływ stateczników i silników pomocniczych na charakterystyki aerodynamiczne. Wyniki pokazały m.in. duży wpływ silników pomocniczych na całkowity współczynnik oporu aerodynamicznego. W artykule przedstawiono również pewne wnioski dotyczące osiągów i stateczności rakiety.

Słowa kluczowe

EN

aerodynamics of rocket; flight mechanics of rocket; wind tunnel tests; experimental; rocket; platform; ERP; sounding rocket

PL

aerodynamika rakiet; mechanika lotu rakiet; badania tunelowe; eksperymentalna; platforma; rakietowa; rakieta sondująca

• Wydawca: Wydawnictwa Naukowe Instytutu Lotnictwa
• Czasopismo: Prace Instytutu Lotnictwa
• Rocznik: 2017
• Tom: Nr 4 (249)
• Strony: 82--102
• Opis fizyczny: Bibliogr. 23 poz., rys., schem., wykr., wzory

Twórcy

autor

Ruchała P.

• Institute of Aviation, al. Krakowska 110/114, 02-256 Warsaw, Poland

autor

Placek R.

• Institute of Aviation, al. Krakowska 110/114, 02-256 Warsaw, Poland

autor

Stryczniewicz W.

• Institute of Aviation, al. Krakowska 110/114, 02-256 Warsaw, Poland

autor

Matyszewski J.

• Institute of Aviation, al. Krakowska 110/114, 02-256 Warsaw, Poland

autor

Cieśliński D.

• Institute of Aviation, al. Krakowska 110/114, 02-256 Warsaw, Poland

autor

Bartkowiak B.

• Institute of Aviation, al. Krakowska 110/114, 02-256 Warsaw, Poland

Bibliografia

• [1] Okninski, A., 2015, “An optimization of sounding rockets for microgravity research”, 66th International Astronautical Congress, Jerusalem, IAC-15, A2, 5, 10, x30167.
• [2] Walczewski, J., 1982, Polish sounding rocket program (Polskie rakiety badawcze), Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warsaw.
• [3] Wiśniowski, W. and Wolański, P., 2014, „Rola Instytutu Lotnictwa w badaniach kosmicznych” (Institute of Aviation Activities in the field of space research), Prace Instytutu Lotnictwa (Transactions of the Institute of Aviation), No. 234, pp. 9-16.
• [4] Grzegorzewski, J., 1992, „Prace Instytutu Lotnictwa w dziedzinie techniki rakietowej” (Work of the Institute of Aviation Activities in the field of space research), Prace Instytutu Lotnictwa (Transactions of the Institute of Aviation), No. 131.
• [5] Kaźmierski, J., Krawczyk, Z. and Nowak, K., 1997, „Technologia rakietowa i kosmiczna w Instytucie Lotnictwa” (Rocket and Space technology in the Institute of Aviation), Prace Instytutu Lotnictwa (Transactions of the Institute of Aviation), No. 151.
• [6] Lewandowski, R., 1967, „Obciążenie aerodynamiczne niekierowanych rakiet balistycznych” (Aerodynamic loads of non-guided ballistic rockets), Prace Instytutu Lotnictwa (Transactions of the Institute of Aviation), No. 31, pp. 30-44.
• [7] Kurow, W. and Dolzanski, J., 1964, Solid propellant rocket missile design, Military University of Technology Publisher, Warsaw.
• [8] Lewandowski, R., 1968, „Wpływ czynników zakłócających na ruch niekierowanej rakiety meteorologicznej“ (Influence of the disturbances on the non-guided mereology rocket flight), Prace Instytutu Lotnictwa (Transactions of the Institute of Aviation), No. 36, pp. 3-15.
• [9] Lopez, D., Domınguez, D. and Gonzalo, J., 2013, „Impact of turbulence modelling on external supersonic flow field simulations in rocket aerodynamics“, International Journal of Computational Fluid Dynamics, Vol. 27, Nos. 8-10, pp. 332–341.
• [10] Rasuo, B. and Bengin, A., 2015, “Aerodynamic shape optimization of guided missile based on wind tunnel testing and CFD simulation“, Thermal Scienc, (00), pp.184-184.
• [11] Ocokolijić, G. and Rasuo, B., 2012, “Testing an Anti Tank Missile Model with Jet Simulation in the T-35 Subsonic Wind Tunnel“, Scientific Technical Review, No. 3-4(62), pp.14-20.
• [12] Bryson, H., Sültrop, H.P., Buchanan, G., Hann, C.E., Snowdon, M., Rao, A., Slee, A., Fanning, K., Wright, D., McVicar, J., Clark, B., Harris, G., Chen, X.Q., 2016, Vertical Wind Tunnel for Prediction of Rocket Flight Dynamics“, Aerospace, No. 3(10).
• [13] Ellis, S., 2017, “SLS Shocked During Wind Tunnel Testing to Better Understand Rocket’s Transonic Behavior“, NASA website, https://www.nasa.gov/feature/langley/sls-shocked-during-wind-tunnel-testing-to-better-understand-rocket-s-transonic-behavior
• [14] Marroquin, J. and Lemoine, P., 1992, “RESULTS OF WIND TUNNEL TESTS OF AN ASRM CONFIGURED 0.03 SCALE SPACE SHUTTLE INTEGRATED VEHICLE MODEL (47-OTS) IN THE AEDC 16-FOOT TRANSONIC WIND TUNNEL (IA613A), Space Shuttle aerothermodynamic data report“, DMS_DR-2548 NASA-CR-185, No. 696.
• [15] “Aerodynamics Research Laboratory website”, http://cntpolska.pl/zespol-aerodynamiki/laboratorium-aerodynamiki-stosowanej/?lang=en, access: 2018.01.19.
• [16] Adrian, R., 2005, J., “Twenty Years of Particle Image Velocimetry“, Experiments in Fluids, No. 39, pp. 159-169.
• [17] Stryczniewicz, W., 2012, “Development of Particle Image Velocimetry Algorithm“, Problems of Mechatronics, No. 9, pp. 41-54.
• [18] Surmacz, K., Ruchała, P. and Stryczniewicz, W., 2015, “Wind tunnel tests of the development and demise of Vortex Ring State of the rotor“, Advances in Mechanics: Theoretical, Computational and Interdisciplinary Issues, Proceedings of the 3rd Polish Congress of Mechanics (PCM) and 21st International Conference on Computer Methods in Mechanics (CMM), CRC Press, Gdansk, pp. 8-11.
• [19] Dziopa, Z., 2007, Mechanika lotu (Flight mechanics), Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej, Kielce.
• [20] Fleeman, E., L., 2001, Tactical Missile Design, AIAA Education Series, American Institute of Aeronautics and Astronautics, Reston, USA.
• [21] Barrowman, J., S. and Barrowman, J., A., 1966, “The Theoretical Prediction of the Center of Pressure”, NARAM-8 R&D Project, from the Apogee Components web site: www.ApogeeRockets.com
• [22] Matyszewski, J., 2014, „Rozwój metod obliczeniowych do symulacji trajektorii lotu rakiet” (Development of rocket flight simulation methods), Prace Instytutu Lotnictwa (American Institute of Aeronautics and Astronautics), No. 1(234), pp. 90-103.
• [23] Cieśliński, D., 2017, “Precise determination of static margins for unguided sounding rockets”, presentation and conference paper, 66th IAC, IAC-15,E2,1,4,x30641, Jerusalem.

Uwagi

EN

The authors would like to thank their colleagues from the wind tunnel staff for their contribution in the wind tunnel tests. The special acknowledgements are aimed at Mrs. Anna Suchożebrska (for the help with results postprocessing), Mr. Błażej Marciniak (for the photo-report during the tests) and Mr. Marek Kalski (for the controlling of wind tunnel and its stand). The authors would also appreciate the efforts and valuable help in translation of this paper from Kinga Wojno and Dmitriy Dorfman from Ohio State University.

PL

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).