Уточненная оценка аэродинамических характеристик наноспутника сложной геометрии
Опубликовано: 14.10.2021
Авторы: Баринова Е.В., Болтов Е.А., Елисов Н.А., Ломака И.А.
Опубликовано в выпуске: #10(118)/2021
DOI: 10.18698/2308-6033-2021-10-2116
Раздел: Авиационная и ракетно-космическая техника | Рубрика: Аэродинамика и процессы теплообмена летательных аппаратов
В работе показан подход к уточнению аэродинамических характеристик (коэффициента лобового сопротивления, аэродинамического момента) наноспутника сложной геометрии. Подход, основанный на методе прямого моделирования Монте-Карло, учитывает такие факторы, как диффузное отражение частиц от поверхности наноспутника (модель Черчиньяни — Ламписа — Лорда), химический состав атмосферы на высоте орбиты и тепловую скорость частиц. Для описания геометрии наноспутника используется конечно-элементная сетка размерностью 5 мм. В работе приведено сравнение предлагаемого подхода с инженерным методом расчета аэродинамических характеристик на примере наноспутника SamSat-ION в случае его плоского движения. Для коэффициента лобового сопротивления и величины аэродинамического момента различие результатов при использовании рассмотренных подходов достигает 20 % и 16 % соответственно.
Литература
[1] Duann Y., Chang L.C., Chao C.-K., Chiu Y.-C., Tsai-Lin R., Tai T.-Y., Luo W.-H., Liao C.-T., Liu H.-T., Chung C.-J., Duann R., Kuo C.-L., Liu J.-Y., Yang Z.-M., Gacal G.F., Chandran A., Priyardarshan H., Verma A., Fang T.-W., Srivastava S. IDEASSat: A 3U CubeSat mission for ionospheric science. Journal Advances in Space Research, 2020, vol. 66 (1), pp. 116–134.
[2] Baddock M.C., Bryant R.G., Acosta M.D., Gill T.E. Understanding dust sources through remote sensing: Making a case for CubeSats. Journal of Arid Environments, 2021, vol. 184. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0140196320302342 (дата обращения 12.04.2021). https://doi.org/10.1016/j.jaridenv.2020.104335
[3] Cannistra A.F., Shean D.E., Cristea N.C. High-resolution CubeSat imagery and machine learning for detailed snow-covered area. Journal Remote Sensing of Environment, 2021, vol. 258. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0034425721001176 (дата обращения 20.04.2021). https://doi.org/10.1016/j.rse.2021.112399
[4] Miyazaki Y. Deployable techniques for small satellites. Journal Proceedings of the IEEE, 2018, vol. 106 (3), pp. 471–483.
[5] Santoni F., Piergentili F., Donati S., Perelli M., Negri A., Marino M. An innovative deployable solar panel system for Cubesats. Acta Astronautica, 2014, vol. 95, pp. 210–217.
[6] Fanchini G., Gagliostro D. The e-st@r CubeSat: Antennas system. Acta Astronautica, 2011, vol. 69 (11–12), pp. 1089–1095.
[7] Белоконов И.В., Тимбай И.А., Николаев П.Н. Анализ и синтез движения аэродинамически стабилизированных космических аппаратов нанокласса формата CubeSat. Гироскопия и навигация, 2018, № 3, с. 69–91.
[8] Belokonov I.V., Kramlikh A.V., Timbai I.A. Low-orbital transformable nanosatellite: Research of the dynamics and possibilities of navigational and communication problems solving for passive aerodynamic stabilization. Journal Advances in the Astronautical Sciences, 2015, vol. 153, pp. 383–397.
[9] Shen C. Rarefied gas dynamics. Fundamentals, simulations and micro flows. Berlin, Springer-Verlag, 2005, 421 p.
[10] Алексеева Е.В., Баранцев Р.Г. Локальный метод аэродинамического расчета в разреженном газе. Ленинград, Издательство ЛГУ, 1976, 210 с.
[11] Bird G.A. Approach to translational equilibrium in a rigid sphere gas. Journal Physics of Fluids, 1963, vol. 6 (10), pp. 1518–1519.
[12] Bird G.A. Application of the Direct Simulation Monte Carlo Method to the full shuttle geometry. 5th Joint Thermophysics and Heat Transfer Conference. Seattle, 18–20 June 1990. Seattle, AIAA, 1990, 7 p.
[13] Maxwell J.C. On stresses in rarified gases arising from inequalities of temperature. Journal The Royal Society, 1878, vol. 27, pp. 304–308.
[14] Nocilla S. The surface re-emission law in free molecular flow. Proc. 3rd Int. Symp. on Rarefied Gas Dynamics. New York, Academic Press, 1963, vol. 1, pp. 327−346.
[15] Cercignani C., Lampis M. Kinetic models for gas-surface interactions. Journal Transport Theory and Statistical Physics, 1971, vol. 1 (2), pp. 101–114.
[16] Lord R.G. Some extensions to the Cercignani—Lampis gas-surface scattering kernel. Journal Physics of Fluids, 1991, vol. 3, pp. 1427–1433.
[17] Lord R.G. Some further extensions of the Cercignani—Lampis gas-surface scattering kernel. Journal Physics of Fluids, 1995, vol. 7, pp. 1159–1161.
[18] Lord R.G. Application of the Cercignani—Lampis Scattering Kernel to Direct Simulation Monte Carlo Calculations. Proc. 17th Int. Symp. on Rarefied Gas Dynamics. Rheinisch-Westfaelische Technische Hochschule Aachen. Aachen, Wiley-VCH Publisher, 1995, pp. 1427–1433.
[19] Padilla J.F., Boyd I.D. Assessment of gas-surface interaction models in dsmc analysis of rarefied hypersonic flow. 39th AIAA Thermophysics Conference. Miami, 25–28 June 2007. Miami, AIAA, 2007, 15 p.
[20] Padilla J.F., Boyd I.D. Assessment of gas-surface interaction models for computation of rarefied hypersonic flow. Journal of Thermophysics and Heat Transfer, 2009, vol. 23 (1), pp. 96–105.
[21] Walker A., Mehta P., Koller J. Drag coefficient model using the cercignani-lampis-lord gas-surface interaction model. Journal of Spacecraft and Rockets, 2014, vol. 51 (5), 20 p.
[22] Mehta P.M., McLaughlin C.A. Drag coefficient modeling for grace using Direct Simulation Monte Carlo. Journal Advances in Space Research, 2013, vol. 52, pp. 2035–2051.
[23] Gorji M.H., Jenny P. A gas-surface interaction kernel for diatomic rarefied gas flows based on the Cercignani—Lampis—Lord model. Journal Physics of Fluids, 2014, vol. 26, 16 p.
[24] Белецкий В.В. Движение искусственного спутника относительно центра масс. Москва, Наука, 1965, 416 с.
[25] Bird G.A. Molecular Gas Dynamics and the Direct Simulation of Gas Flows. Oxford, University Press, 1994, 479 p.