Research for Buffet Phenomenon in Launch Vehicles by Using Two-Dimensional Airfoil Profile

Abstract

The rules for design and operation of aircrafts that the aircraft manufacturers must comply with in their type designs are regulated by international aviation organizations. These obligations require that launching and space vehicles be designed to operate safely. Structural integrity is one of the main issues to focus on for safety, which affects the sizing and weight of spacecraft. Buffet is a dynamic phenomenon that occurs due to pressure oscillations after shock-induced separations in transonic flows and compromises the structural integrity. These oscillations may also cause unsteady forces on the aerodynamic control surfaces, affecting the sensitivity of the flight control system. Buffet-induced pressure fluctuations are measured in test environments such as wind tunnels, but their precise detection using analysis methods such as Computational Fluid Dynamics (CFD) is still under research. In this study, the results of CFD analyses performed on a two-dimensional model for the detection of buffet-induced oscillations are presented and generation of the load spectrum. The study and the obtained results are intended to serve as a basis for future research activities.

Keywords

• Aerodynamics
• Buffet
• Launch vehicle
• Load
• Structural

İki Boyutlu Kanat Profili Kullanılarak Fırlatma Araçlarında Üfüt Olgusunun Araştırılması

Öz

Hava araçlarının tasarımı ve işletilmesi için orijinal hava aracı üreticilerinin tip tasarımlarında dikkate alması gereken kurallar, uluslararası havacılık örgütleri tarafından düzenlemektedir. Bu kurallar, fırlatma ve uzay araçlarının emniyetli görev yapabilecek şekilde tasarlanmasını sağlar. Emniyetli bir tasarımda yapısal bütünlük, uzay araçlarının boyutlandırılmasını ve ağırlığını doğrudan etkileyen, odaklanılması gereken ana konulardan biridir. Transonik akışlarda şok dalgalanmaları sonrasında basınç salınımları olarak ortaya çıkan ve dinamik bir olgu olan üfüt olgusu, yapısal bütünlüğü riske atmaktadır. Aerodinamik kontrol yüzeyleri üzerinde düzensiz kuvvetlere sebep olan üfüt kaynaklı basınç salınımları, uçuş kontrol sisteminin hassasiyetini de olumsuz yönde etkileyebilir. Üfüt kaynaklı basınç dalgalanmaları, rüzgâr tüneli gibi test ortamlarında ölçülebilmektedir; ancak Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) gibi analiz yöntemleri ile tam olarak tespit edilmesi konusu henüz araştırma aşamasındadır. Bu çalışmada, üfüt kaynaklı salınımların tespit edilmesi ve yük spektrumunun oluşturulması için iki boyutlu bir model üzerinde gerçekleştirilen HAD analiz sonuçları sunulmaktadır. Elde edilen sonuçların, gelecekteki çalışmalar için bir temel oluşturması amaçlanmaktadır.

Anahtar Kelimeler

• Aeorodinamik
• Üfüt
• Fırlatma aracı
• Yapısal
• Yük

References

1. Lee, B. H. K. (2001). Self-Sustained Shock Oscillation on Airfoils at Transonic Speeds. Prog. Aerosp. Sci, 37(2), 147-196.
2. Piatak, D. J., Sekula, M. K., Rausch, R. D., Florance, J. R., Ivanco, T. G. (2015). Overview of the Space Launch System Transonic Buffet Environment Test Program. [Online]. Erişim: https://ntrs.nasa.gov/citations/20150006848
3. McDevitt, J. B., Okuno, A. F. (1985). Static and Dynamic Pressure Measurements on a NACA 0012 Airfoil in the Ames High Reynolds Number Facility. [Online]. Erişim: https://ntrs.nasa.gov.tr/citations/19850019511
4. Anderson, J. D. (2003). Modern Compressible Flow: With Historical Perspective. Yayın Yeri: McGrawHill, 79-81.
5. Iovnovich, M., Raveh, D. E. (2012). Reynolds-Averaged Navier-Stokes Study of the Shock-Buffet Instability Mechanism. AIAA Journal, 50(4), 880–890.
6. Balamukar, P., Iyer, P., Malik, M. R. (2023). Turbulence Simulations of Transonic Flows over an NACA-0012 Airfoil. [Online]. Erişim: https://ntrs.nasa.gov.tr/citations/20220018292
7. Maani, R. E., Radi, B., Hami, A. E. (2018). CFD Analysis of the Transonic Flow over a NACA 0012 Airfoil. Incertitudes et Fiabilité des Systémes Multiphysiques, 2(2), 1-7.
8. NASA. (2022). 2D NACA 0012 Airfoil Validation Case. [Online]. Erişim: https://turbmodels.larc.nasa.gov/naca0012_val.html