طراحي پيكره‌بندي‌ يك كپسول فضايي مخروط- سرپخ با تاكيد بر ضريب گشتاور پيچشي و پايداري استاتيكي

Configuration Design of Space Capsule Considering Pitching Moment Coefficient and Static Stability Factor

هدف اصلي از اين تحقيق، تعيين پيكره‌بندي اوليه يك كپسول فضايي سرنشين‌دار است به گونه‌اي كه قادر باشد پس از انجام ماموريت زيرمداري، سرنشين خود را سالم به زمين بازگرداند. در طي مسير پرواز زيرمداري، حفظ پايداري كپسول فضايي در وضعيت مشخص بسيار اهميت دارد زيرا اعمال چرخش‌هاي زياد و تكان‌هاي شديد سلامت سرنشين و موفقيت ماموريت را به خطر مي‌اندازد. بدين منظور، در اين تحقيق با بهره‌گيري از هندسه فضاپيماهاي سرنشين‌دار متدوال جهان كه عموماً مخروط- سرپخ است، پنج نمونه هندسه پيشنهاد شده است. سپس با استفاده از شبيه‌‌سازي عددي، ضريب گشتاور پيچشي و مشخصات پايداري آن ها در شرايط بحراني باز ورود به جو غليظ، استخراج و با يكديگر مقايسه شده است. شرايط بحراني مورد بررسي كپسول فضايي، سرعت با ماخ 15/3 در ارتفاع 25 كيلومتري از سطح زمين و در زواياي حمله مختلف مي باشد. در اين مقاله، ضريب گشتاور ‌پيچشي Cm و شيب ضريب گشتاور نسبت به زاويه حمله Cm? به عنوان عامل تعيين‌كننده پايداري استاتيكي مورد بررسي و تحليل قرار گرفته است. در نهايت، بهينه‌ترين هندسه كپسول فضايي از لحاظ الزامات سامانه و ملاحظات آيروديناميكي و برمبناي حداكثر پايداري استاتيكي و همچنين بازدهي حجمي مناسب طراحي و انتخاب شده است.

The main purpose of this study is to determine the initial configuration of suborbital manned spacecraft in the conceptual design phase. During the suborbital flight path, stability of capsule is very important factor for the success of the mission. For this purpose, in this study using conventional manned spacecraft geometries which are generally blunt-cone shape, 5 configurations of space capsule are proposed. The configurations are numerically investigated during reentry phase at altitude of the 25 km from earth surface with Mach number 3.15 for different angles of attack. In order to determine longitudinal static stability characteristics of configurations during re-entry phase, the pitching moment coefficients of configurations are studied and compared to each other. Finally, the optimal configuration of the space capsule considering system requirements and base on the suitable static stability and volumetric efficiency is proposed.