Abstract    A numerical dynamic-aerodynamic interface for simulating the separation dy­n­a­m­ic­s of co­n­­s­t­r­a­i­ned strap-on boosters jettisoned in the atmosphere is presented. A 6-DOF multi body dynamic solver ،using Constraint For­ce Equation Methodology is coupled with a numerical time dependent Euler flow solver. An automatic dyna­m­i­­c mesh updating proc­e­d­ure is employed using smoothing and local remeshing technique in respect of bodies motion during separation. This interface can simulate multi body se­p­a­r­a­tion problems such as strap-on boosters separation as a result of full separation mechanisms like springs, thrusters, joints and so on, interaction with aerodynamic effects .The flow solver is validated by the Titan-IV launch vehicle experimental data. The full separation integration is used for a typical launch vehicle with two strap-on boosters using spring ejector mech­an­ism and sp­h­e­r­i­c­al constraint joints acting in the dense atmosphere. Hence the aim of presented interface is to facilitate integration of complicated separation mechanisms simulation with a full numerical CFD aerody­n­a­m­ic solver.

Keywords    numerical dynamic-aerodynamic interface, strap-on boosters separation, 6-DOF multi body dynamic solver,Constraint For­ce Equation Methodology, numerical time dependent Euler flow solver

چکیده    در مقاله حاضر یک کد نرم افزاری واسط برای شبیه سازی همزمان دینامیک و آیرودینامیک بوسترهای جانبی مقید، از ماهواره­بر در جو غلیظ ارائه گردیده است. به این منظور، یک حل­گر شش درجه آزادی دینامیک چند جسمی، با استفاده از متد معادله نيروي قيد، به یک حلگر عددی وابسته به زمان جریان اویلر کوپل شده است. در این شبیه سازی، از یک روش به روز رسانی شبکه متحرک به کمک روش هموارسازی فنری و تجدید شبکه موضعی، برای تطبیق حرکت جسم در میدان محاسباتی گسسته، به صورت خودکار استفاده شده است. کد واسط ارائه شده در این مقاله، قادر به شبیه سازی جدایش چند جسم با مدل سازی کامل مکانیزم های جدایش مانند فنرهای جدایش، تراسترها، مفاصل و غیره در حضور اثرات آیرودینامیک جریان می­باشد. حل­گر جریان با کمک نتایج تست تونل باد بر روی ماهواره­بر تیتان4 صحت سنجی شده و بیانگر دقت مناسب آن می­باشد. در پایان، شبیه سازی جدایش برای یک ماهواره­بر نمونه با دو بوستر جانبی و با بکارگیری سیستم جدایش فنری و اتصالات مفصلی در اتمسفر غلیظ ارائه شده است. بنابراین، ویژگی کد واسط ارائه شده در این تحقیق را می­توان امکان شبیه­سازی همزمان مکانیزم­های پیچیده دینامیک جدایش در حضور آیرودینامیک عددی ناپایا، دانست.

References    1.     Meakin, R.L. and Suhs, N.E., "Unsteady aerodynamic simulation of multiple bodies in relative motion", AIAA Paper,  Vol. 1996, (1989). 2.     Lochan, R., Adimurthy, V. and Kumar, K., "Separation dynamics of strap-on boosters in the atmosphere", Journal of Guidance, Control, and Dynamics,  Vol. 20, No. 4, (1997), 633-639.  3.     Lijewski, L.E. and Suhs, N.E., "Time-accurate computational fluid dynamics approach to transonic store separation trajectory prediction", Journal of Aircraft,  Vol. 31, No. 4, (1994), 886-891. 4.     Taylor, S. and Wang, J.C., "Launch-vehicle simulations using a concurrent, implicit navier-stokes solver", Journal of Spacecraft and Rockets, Vol. 33, No. 5, (1996), 601-606. 5.     E Azevedo, J., Jr, P.M., Maliska, C., Marchi, C. and C. Silva, A., "Code validation for high-speed flow simulation over satellite launch vehicle", Journal of Spacecraft and Rockets,  Vol. 33, No. 1, (1996), 15-21. 6.     Ko, S.-H. and Kim, C., "Separation motion of strap-on boosters with base flow and turbulence effects", Journal of Spacecraft and Rockets,  Vol. 45, No. 3, (2008), 485-494. 7.     Snyder, D.O., Koutsavdis, E.K. and Anttonen, J.S., "Transonic store separation using unstructured cfd with dynamic meshing", AIAA paper,  Vol. 3919, (2003). 8.     Murman, S.M., Aftosmis, M.J. and Berger, M.J., "Simulations of 6-dof motion with a cartesian method", AIAA Paper, Vol. 1246, (2003). 9.     Pamadi, B. N., Hotchko, N. J., Samareh, J., Covell, P. F. and Tartabini, P. V., "Simulation and analyses of multi-body separation in launch vehicle staging environment", 14th AIAA/AHI Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference AIAA, Vol. 803, (2006). 10.   Murphy, K.J., Buning, P.G., Pamadi, B.N., Scallion, W.I. and Jones, K.M., "Overview of transonic to hypersonic stage separation tool development for multi-stage-to-orbit concepts", AIAA paper,  Vol. 2595, (2004). 11.   Pamadi, B.N., Neirynck, T.A., Covell, P.F., Hotchko, N. and Bose, D., "Simulation and analyses of staging maneuvers of next generation reusable launch vehicles", AIAA Paper,  Vol. 5185, (2004). 12.   Pamadi, B.N., Neirynck, T.A., Hotcko, N.J., Scallion, W.I., Murphy, K.J. and Covell, P.F., "Simulation and analyses of stage separation of two-stage reusable launch vehicles", Journal of Spacecraft and Rockets,  Vol. 44, No. 1, (2007), 66-80. 13.   Pamadi, B. N., Tartabini, P. V., Toniolo, M. D., Roithmayr, C. M., Karlgaard, C., and Samareh, J "Application of CFE/POST2 for simulation of launch vehicle stage separation", ”, NASA Langley Research Center, Hampton VA 23681. 14.   Jafari, M., Toloei, A., Ghasemlu, S. and Parhizkar, H., "Simulation of store separation using low-cost cfd with dynamic meshing", International Journal of Engineering-Transactions B: Applications,  Vol. 27, No. 5, (2013), 775-784. 15.   Toniolo, M.D., Tartabini, P.V., Pamadi, B.N. and Hotchko, N., "Constraint force equation methodology for modeling multi-body stage separation dynamics", AIAA Paper,  Vol. 219, (2008). 16.   Tartabini, P.V., Roithmayr, C., Toniolo, M.D., Karlgaard, C. and Pamadi, B.N., "Verification of the constraint force equation methodology for modeling multibody stage separation", AIAA Paper, Vol. 7039, (2008).