مروری بر تحقیقات انجام‌شده در زمینه جریان در نازل‌های آئرواسپایک

نوع مقاله: مقاله علمی ترویجی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده هوافضا، دانشگاه سمنان، سمنان

2 دانشیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه سمنان، سمنان

چکیده

امروزه پراستفاده‌ترین سیستم پیشرانش  برای امور هوانوردی، سیستم پیشرانش جت  می‌باشد. هر چند که موتورهای جت ساختار متفاوتی نسبت به هم دارند، ولی همه دارای خروجی گاز با سرعت زیاد می‌باشند که توسط نازل  ایجاد می‌شود. نازل در سیستمهای پیشرانش جت چه در موتورهای جت هوا-تنفسی  و چه راکت‌ها، دارای اهمیت ویژه‌ای می‌باشد. این قسمت در راکت‌ها بر روی رابطه نیروی پیشران  اثر مستقیم و مهمی دارد و تقریباً تمامی نیروی پیشران توسط جت خروجی از نازل تولید می‌شود. یکی از این نازل‌های بسیار خوب با کارایی بالا خصوصاً در ارتفاع پایین، نازل آئرواسپایک می‌باشد. این نازل به دلیل ویژگی‌های خاص با تغییر ارتفاع، بهترین کارایی را از خود نشان می‌دهد. در این مقاله سعی بر این است که مفاهیم اصلی، کاربردها، مطالعات تجربی و عددی انجام‌شده درباره این نازل بررسی شود. در پایان چالش‌های موجود در توسعه این نوع نازل و نکات لازم برای مطالعات آینده ارائه خواهد شد.

کلیدواژه‌ها


[1] Konstantin E. Tsiolkovsky. Online, Accessed on: 15- Oct-2019. https://www.nasa.gov/audience/foreducators/rocketry/home/konstantin-tsiolkovsky.html.

[2] Makris, K. Nozzle design. Online, Accessed on: 15-Oct2019. http://www.k- makris.gr/RocketTechnology/Nozzle_Design/nozzle_design.html.

[3] Bergin, C. X-33/venturestar - what really happened. Online, Accessed on: 15-Oct-2019. https://www.nasaspaceflight.com/2006/01/x-33venturestar-whatreally-happened.

[4] Szondy, D. Firefly space systems unveils alpha launch vehicle design with aerospike engine. Online, Accessed on: 15- Oct-2019. https://newatlas.com/firefly-alpha-aerospikelaunch-vehicle/32892/.

[5] Kumar, K Naveen, Gopalsamy, M, Antony, Daniel, Krishnaraj, R, and Viswanadh, Chaparala B V. Design and optimization of aerospike nozzle using CFD. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 247:012008, oct 2017.

[6] Tomita, Takeo, Takahashi, Mamoru, Onodera, Takuo, and Tamura, Hiroshi. Visualization of shock wave interaction on the surface of aerospike nozzles. 1998.

[7] Tomita, Takeo, Takahashi, Mamoru, Onodera, Takuo, and Tamura, Hiroshi. Effects of base bleed on thrust performance of a linear aerospike nozzle. 1999.

[8] Sutton, George P and Biblarz, Oscar. Rocket propulsion elements. John Wiley & Sons, 8th ed. , 2010.

[9] Huang, D. H. and Huzel, D. K. Design of liquid propellant rocket engines, 1971.

[10] Gross, K. W. Performance analysis of aerospike rocket engines, 1972.

[11] Hagemann, G., Schley, C.-A., Odintsov, E., and Sobatchkine, A. Nozzle flowfield analysis with particular regard to 3D-plug cluster configurations. 1996.

[12] Tomita, Takeo, Tamura, Hiroshi, and Takahashi, Mamoru. An experimental evaluation of plug nozzle flow field. 1996.

[13] Sakamoto, Hiroshi, Takahashi, Mamoru, Sasaki, Masaki, Tomita, Takeo, Kusaka, Kazuo, and Tamura, Hiroshi. An experimental study on a 14 kN linear aerospike-nozzle combustor. 1999.

[14] Niimi, T., Mori, H., Okabe, K., Masai, Y., and Taniguchi, M. Analyses of flow field structures around linear-type aerospike nozzles using lif and psp. in 20th International Congress on Instrumentation in Aerospace Simulation Facilities, 2003. ICIASF ’03., pp. 15–20, 2003.

[15] Mori, H., Niimi, T., Taniguchi, M., Nishihira, R., and Fukushima, A. Experimental analyses of lineartype aerospike nozzles with sidewalls. in ICIASF 2005 RecordInternational Congress onInstrumentation in AerospaceSimulation Facilities, pp. 145–149, 2005.

[16] Verma, S. B. Performance characteristics of an annular conical aerospike nozzle with freestream effect. Journal of Propulsion and Power, 25(3):783–791, 2009.

[17] Verma, S. B. and Viji, M. Freestream effects on base pressure development of an annular plug nozzle. Shock Waves, 21(2):163–171, Apr 2011.

[18] Verma, S.B. and Viji, M. Linear-plug flowfield and base pressure development in freestream flow. Journal of Propulsion and Power, 27(6):1247–1258, 2011.

[19] Herman, K. and Crimp, F. W. Performance of plug-type rocket exhaust nozzles. ARS Journal, 31(1):18–23, 1961.

[20] Rao, G.V.R. Spike nozzle contour for optimum thrust. Planetary and Space Science, 4:92 – 101, 1961.

[21] Lee, Che-Ching. Fortran program for plug nozzle design, 1964.

[22] Ito, Takashi, Fujii, Kozo, and Hayashi, A. Computations of the axisymmetric plug nozzle flow fields - Flow structures and thrust performance. 1999.

[23] hui WANG, Chang, LIU, Yu, and fei LIAO, Yun. Studies on aerodynamic behavior and performance of aerospike nozzles. Chinese Journal of Aeronautics, 19(1):1 – 9, 2006.

[24] Nazarinia, Mehdi, Naghib-Lahouti, Arash, and Tolouei, Elhaum. Design and numerical analysis of aerospike nozzles with different plug shapes to compare their performance with a conventional nozzle. 03 2005.

[25] Naghib-Lahouti, Arash. Investigation of the effect of base bleed on thrust performance of a truncated aerospike nozzle in off-design conditions. 2006.

[26] Kapilavai, Dheeraj S. K., Tapee, John, Sullivan, John, Merkle, Charles L., Wayman, Thomas R., and Conners, Timothy R. Experimental testing and numerical simulations of shrouded plug-nozzle flowfields. Journal of Propulsion and Power, 28(3):530–544, 2012.

[27] He, Miaosheng, Qin, Lizi, and Liu, Yu. Numerical investigation of flow separation behavior in an over-expanded annular conical aerospike nozzle. Chinese Journal of Aeronautics, 28(4):983 – 1002, 2015.

[28] Padania, Ayub, Sardiwal, Sanjay Kumar, Chowdary, D Harika, Sharath, MV Sai, and Artham, Sushma. Numerical solution for the design of a traditional aerospike nozzle using method of characteristics. IOSR Journal of Mechanical and Civil Engineering, 12(1):63–69, 2015.

[29] Peugeot, John, Garcia, Chance, and Burkhardt, Wendel. A modular aerospike engine design using additive manufacturing, 2014.

[30] Why an aerospike? Online, Accessed on: 15-Oct-2019. http://nextaero.com.au/why-an-aerospike.