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

• Κύριος συγγραφέας: Παναγιωτόπουλος, Ηλίας
• Άλλοι συγγραφείς: Μάργαρης, Διονύσιος
• Μορφή: Thesis
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2009
• Θέματα: Ροές σε υψηλές ταχύτητες; Υψηλές θερμοκρασίες; Υπερυπερηχητικά οχήματα μεταφοράς; Μοντέλα μεταφερόμενης θερμότητας ανακοπής; Hypersonic flows; High temperatures; Hypervelocity transportation systems; Stagnation heat transfer models; 629.132 306

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.