The characteristics of an aerospike pintle nozzle system with excellent altitude compensation were analyzed using cold air testing. It was confirmed that reducing the stroke of the aerospike nozzle is effective in increasing the thrust. However, the results of additional numerical analysis indicated that the discharge coefficient factor was significantly lower at the maximum stroke. The Vena contracta due to the cowl reduction angle decreased the effective nozzle throat area at the maximum stroke and hindered expansion. Complementing the cowl design may thus increase the efficiency of a solid-propellant rocket engine that uses the aerospike pintle nozzle system.
한국가시화정보학회 2004년도 Proceedings of 2004 Korea-Japan Joint Seminar on Particle Image Velocimetry
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pp.75-80
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2004
Aerospike nozzles have been expected to be used for an engine of a reusable space shuttle to respond to growing demand for rocket-launching and its cost reduction. In this study, the flow field structures in any cross sections around clustered linear aerospike nozzles are visualized and analyzed, using laser induced fluorescence (LIF) of nitrogen monoxide seeded in the carrier gas of nitrogen. Since flow field structures are affected mainly by pressure ratio, the clustered linear aerospike nozzle is set inside a vacuum chamber to carry out the experiments in the wide range of pressure ratios from 75 to 200. Flow fields are visualized in several cross-sections, demonstrating the complicated three-dimensional flow field structures. Pressure sensitive paint (PSP) of PtTFPP bound by poly- IBM -co-TFEM is also applied to measurement of the complicated pressure distribution on the spike surface, and to verification of contribution of a truncation plane to the thrust. Finally, to examine the effect of the sidewalls attached to the aerospike nozzle, the flow fields around the nozzle with the sidewalls are compared with those without sidewalls.
Single Stage To Orbit (SSTO) missions which require its engines to be operated at varying back pressure conditions, use engines operate at high combustion chamber pressures (more than 100bar) with moderate area ratios (AR 70~80). This ensures that the exhaust jet flows full during most part of the operational regimes by optimal expansion at each altitude. Aero-spike nozzle is a kind of altitude adaptation nozzle where requirement of high combustion chamber pressures can be avoided as the flow is adapted to the outside conditions by the virtue of the nozzle configuration. However, the thrust prediction using the conventional thrust equations remains to be a challenge as the nozzle plume shapes vary with the back pressure conditions. In the present work, the performance evaluation of a new aero-spike nozzle is being carried out. Computational studies are carried out to predict the thrust generated by the aero-spike nozzle in varying back pressure conditions which requires the unsteady pressure boundary conditions in the computational domain. Schlieren pictures are taken to validate the computational results. It is found that the flow in the aero-spike nozzle is mainly affected by the base wall pressure variation. The aerospike nozzle exhibits maximum performance in the properly expanded flow regime due to the open wake formation.
에어로 스파이크 핀틀 노즐의 구동으로 인한 탈설계 조건에서의 추력 감소를 저감하고자 설계인자 분석 연구를 수행하였다. Close (NPR 100), open (NPR 11) 스트로크 모두 부족팽창 조건으로 고정되었다. 설계인자로 핀틀 형상, 핀틀 헤드 반경 (R), 덮개 각도 (θ), 덮개 출구 길이 (L)를 선정하였다. 검증된 수치해석 기법으로 설계인자로 인한 추력 변화를 분석하였다. 먼저 핀틀 헤드 반경과 덮개 출구 길이는 추력에 미치는 영향이 적었다. 덮개 각도는 유효 노즐목 면적에 영향을 주어 질량 유량을 변화시키고, 덮개 출구에서의 역압력 구배를 생성하였다. 이중 에어로 스파이크 형상을 적용한 결과, 탈설계 조건에서의 추력이 기준 case 대비 약 1.2%, 가장 악조건인 case 대비 약 3.4% 증가하였다.
에너지원으로써 압축공기만을 사용하는 공기역학 점화기의 주요 구성요소 중 노즐부에 관한 실험 연구로써 노즐로 초음속 노즐과 스파이크 노즐을 사용하여 각각의 구조적인 특성을 소개하고 최대 가열온도를 주요 성능 특성으로 하여 고찰한 실험결과를 나타내고 있다. 초음속 노즐은 기존의 음속노즐의 사용에 비해 동일한 유량으로 보다 높은 온도에 더 마르고 도달하며, 스파이크 노즐의 사용을 통해 작동유량의 넓은 변화범위에서도 근 성능저하 없이 사용할 수 있는 특성을 확인할 수 있다.
공압시험용 플러그 노즐 구동에 따른 추력제어, 핀틀 형상 및 작동압력에 따른 유동특성 분석을 수행하였다. 이를 위해 시험에서의 유동구조와 추력계수를 비교함으로써 수치해석의 타당성을 확인하였다. 이후 각 노즐형상이 설계의도지점에 노즐목이 형성됨과 원뿔형 노즐에 대하여 핀틀 구동만으로 1:8의 추력제어가 가능함을 확인하였다. 마지막으로 고도보정 효과가 뛰어난 에어로 스파이크 노즐일지라도, 너무 낮은 NPR에 맞춰 설계된 경우, 부족팽창 조건에서 불리할 가능성을 확인하였다.
Numerical and experimental investigation were car-ried out to clarify the flow structure of underexpanded jet from a square nozzle. The square nozzle rep-resents one of the clustered combustors of a linear aerospike engine. From the numerical results, the three-dimensional shock wave of the underexpanded square jet was found to be composed of two shocks. One is the intercepting shock which corresponds to the shock observed in two-dimensional planar jet. The other is the recompression shock divided into two types. The expansion fans coming from the nozzle edges interact with each other at the comers of the nozzle exit, and overexpanded regions are generated. Therefore one of the two recompression shocks is formed at the comers of the nozzle exit behind the overexpanded regions. As the jet goes downstream, the overexpanded regions grow larger to coalesce at the symmetry planes. Then, the other type of the recompression shock is generated. The three-dimensional shock structure formed by the intercepting shock and the recompression shocks dominates the expansion of the jet boundary. The shock detection algorithm us-ing CFD results was developed to reveal the relation between the shock waves and the jet boundary, and it was found that the cross-sectional jet shape becomes cross-shape. The key features observed in the numerical investigation were verified by the experimental results. The shock structure at the diagonal plane was in good agreement with the experimental schlieren images. Moreover, the cross-sections visualized by the Mie scattering method confirmed that the cross-section of the jet becomes cross-shape.
The effect of Pre-cooled Turbojet Engine installation and nozzle exhaust jet on Hypersonic Turbojet EXperimental aircraft(HYTEX aircraft) were investigated by three-dimensional numerical analyses to obtain aerodynamic characteristics of the aircraft during its in-flight condition. First, simulations of wind tunnel experiment using small scale model of the aircraft with and without the rectangular duct reproducing engine was performed at M=5.1 condition in order to validate the calculation code. Here, good agreements with experimental data were obtained regarding centerline wall pressures on the aircraft and aerodynamic coefficients of forces and moments acting on the aircraft. Next, full scale integrated analysis of the aircraft and the engine were conducted for flight Mach numbers of M=5.0, 4.0, 3.5, 3.0, and 2.0. Increasing the angle of attack $\alpha$ of the aircraft in M=5.0 flight increased the mass flow rate of the air captured at the intake due to pre-compression effect of the nose shockwave, also increasing the thrust obtained at the engine plug nozzle. Sufficient thrust for acceleration were obtained at $\alpha=3$ and 5 degrees. Increase of flight Mach number at $\alpha=0$ degrees resulted in decrease of mass flow rate captured at the engine intake, and thus decrease in thrust at the nozzle. The thrust was sufficient for acceleration at M=3.5 and lower cases. Lift force on the aircraft was increased by the integration of engine on the aircraft for all varying angles of attack or flight Mach numbers. However, the slope of lift increase when increasing flight Mach number showed decrease as flight Mach number reach to M=5.0, due to the separation shockwave at the upper surface of the aircraft. Pitch moment of the aircraft was not affected by the installation of the engines for all angles of attack at M=5.0 condition. In low Mach number cases at $\alpha=0$ degrees, installation of the engines increased the pitch moment compared to no engine configuration. Installation of the engines increased the frictional drag on the aircraft, and its percentage to the total drag ranged between 30-50% for varying angle of attack in M=5.0 flight.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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