علوم و فناوری فضایی

علوم و فناوری فضایی

شبیه سازی حرکت کپسول فضایی از لحظه جدایش تا قبل از فاز فرود برای طراحی مفهومی

نوع مقاله : مقالة‌ پژوهشی‌

نویسندگان
1 کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی فناوری های نوین، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران
2 دانشکده مهندسی فناوری‌های نوین، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران
چکیده
بیشتر کپسول‌های بازگشتی مدرن معمولاً دارای ساختاری مخروطی با قاعده کروی هستند که این طراحی به دلیل خواص آیرودینامیکی مطلوب و توانایی تحمل بارهای حرارتی بالا در فاز ورود به جو انتخاب می‌شود. یکی از ویژگی‌های کلیدی این کپسول‌ها نسبت برآ به پسا پایین است که با جابه‌جایی اندک مرکز جرم از محور تقارن کپسول حاصل می‌شود. این ویژگی در یک زاویه حمله مشخص می‌شود. در این پژوهش، با هدف تحلیل دقیق رفتار دینامیکی کپسول‌های بازگشتی، ابتدا کلاس‌های مختلف کپسول‌های ورود مجدد معرفی شده و سپس از مدل جوی بحرانی برای استخراج مقادیر چگالی جو در ارتفاع‌های مختلف استفاده شده است. این اطلاعات به‌منظور محاسبه نیروهای آیرودینامیکی وارد بر کپسول در معادلات حرکت مورد استفاده قرار گرفت. مطالعه‌ای جامع بر معادلات ورود مجدد صورت گرفته و به‌طور خاص، معادلات دوبعدی مسطح حرکت تجزیه ‌و تحلیل شده‌اند. در این مدل‌سازی،جسم پرنده به‌صورت جرم نقطه‌ای با ضرایب آیرودینامیکی وابسته به زاویه حمله مدل‌سازی شده است. در ادامه، تأثیر پارامترهایی همچون زاویه مسیر ورود، فشار دینامیکی، و سرعت اولیه بر پایداری دینامیکی مسیر حرکت در حالت کنترل‌نشده بررسی شده است. در حرکت کنترل ‌نشده، کپسول فاقد عملگرهای فعال برای هدایت است و تنها ویژگی‌های ذاتی آیرودینامیکی و توزیع جرم تعیین‌کننده پایداری و مسیر آن هستند. این نوع حرکت به‌ویژه در مأموریت‌های ساده‌تر یا کم‌هزینه اهمیت دارد. مطالعه حاضر درک واضح‌تری از اینکه چگونه جابه‌جایی‌های کوچک مرکز جرم بر ثبات ورود مجدد کنترل نشده یک کپسول فضایی تأثیر می‌گذارد، ارائه می‌دهد. این مطالعات می‌تواند در طراحی بهتر مأموریت‌های آینده مورد استفاده قرار گیرد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

[1] M. Tayefi, and R. Kamali Moghadam, "Design and dynamic analysis for vertical and horizontal cylindrical body in reentry flight," Journal of Space Science and Technology, vol. 15, no. 3, pp. 1-9, 2022, (in Persian), https://doi.org/10.30699/jsst.2022.1390.
[2] M. Karim Abadeh and M. Tayefi, "Spacecraft re-entry control using cross and radial moving-mass actuators," Journal of Space Science and Technology, vol. 17, no. 3, pp. 15-27, 2024, (in Persian), https://doi.org/10.22034/jsst.2024.1473.
[3] S. Abdollahi, "Experimental and numerical investigation of the aerodynamic characteristics of a cylindrical space capsule in axial supersonic and subsonic flows," Fluid Mechanics and Aerodynamics, vol. 3, no. 4, pp. 57-72, 2020, (in Persian).
[4] A. D. Hayes and R. J. Caverly, "atmospheric density-compensating model predictive control for targeted reentry of drag-modulated spacecraft," Journal of Guidance, Control, and Dynamics, vol. 48, no. 11, pp. 2541-2556, 2025, https://doi.org/10.2514/1.G008665.
[5] T. Petsopoulos, F. J. Regan, and J. Barlow, "Moving-mass roll control system for fixed-trim re-entry vehicle," Journal of Spacecraft and Rockets, vol. 33, no. 1, pp. 54–60, 1996, https://doi.org/10.2514/3.55707.
[6] A. Fedele, S. Carannante, M. Grassi, and R. Savino, "Aerodynamic control system for a deployable re-entry capsule," Acta Astronautica, vol. 181, pp. 69–79, 2021, https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2020.05.049
[7] Y. G. Sikharulidze, Aircraft Ballistics, Moscow: Nauka, 1982, pp. 244–249. (in Russian)
[8] V. A. Yaroshevskii, Motion of an Uncontrolled Body in the Atmosphere, Moscow: Mashinostroenie, 1978. (in Russian)
[9] D. K. Litton et al., "Inflatable re-entry vehicle experiment (IRVE)-4 overview," in 21st AIAA Aerodynamic Decelerator Systems Technology Conference and Seminar, Dublin, Ireland, 2011, Paper AIAA 2011-2580, https://doi.org/10.2514/6.2011-2580.
[10] V. S. Aslanov, Spatial Motion of a Body at Descent in the Atmosphere, Moscow: Fizmatlit, 2004. (in Russian)
[11] O. M. Alifanov, V. I. Outchvatov, and K. M. Pichkhadze, "Thermal protection of re-entry vehicles with the usage of inflatable systems," Acta Astronautica, vol. 53, no. 4–10, pp. 541–546, 2003, https://doi.org/10.1016/S0094-5765(03)80015-2.
[12] V. S. Aslanov and A. S. Ledkov, "Chaotic motion of a reentry capsule during descent into the atmosphere," Journal of Guidance, Control and Dynamics, vol. 39, no. 8, pp. 1834–1843, 2016, https://doi.org/10.2514/1.G000411.
[13] H. Jaslow, "Aerodynamic relationship inherent in Newtonian impact theory," AIAA Journal, vol. 6, no. 4, pp. 608–612, 1968, https://doi.org/10.2514/3.4552.
[14] F. J. Regan, Dynamics of Atmospheric Re-Entry, Washington, DC: AIAA, 1993.
[15] C. Weiland, Computational Space Flight Mechanics, Berlin: Springer, 2010, pp. 93–119. https://doi.org/10.1007/978-3-642-13583-5.
[16] A. Fedele, S. Omar, S. Cantoni, R. Savino, and R. Bevilacqua, "Precise re-entry and landing of propellantless spacecraft," Advances in Space Research, vol. 68, no. 11, pp. 4336-4358, 2021, https://doi.org/10.1016/j.asr.2021.09.029.
[17] J. Rea, "Orion entry performance-based center-of-gravity box," in AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference, Toronto, Ontario, Canada, 2010, Paper AIAA 2010-8061, https://doi.org/10.2514/6.2010-8061.

مقالات آماده انتشار، اصلاح شده برای چاپ
انتشار آنلاین از 10 شهریور 1404

  • تاریخ دریافت 31 خرداد 1404
  • تاریخ بازنگری 26 مهر 1404
  • تاریخ پذیرش 28 مهر 1404
  • تاریخ اولین انتشار 28 مهر 1404