Aerodynamics of a high-slenderness finned projectile in super- and hypersonic flows with boundary layer transition and surface roughness effects
Publication date
2025-01-21
Document type
Dissertation
Author
Michalski, Sebastian
Advisor
Referee
Hoarau, Yannick
Granting institution
Helmut-Schmidt-Universität/Universität der Bundeswehr Hamburg
Exam date
2024-10-18
Organisational unit
Part of the university bibliography
✅
Keyword
Aerodynamics
Wind tunnel testing
Supersonics
Hypersonics
Free-flight measurement
Free-oscillation measurement
Schlieren visualization
Pitch damping
Surface roughness
Boundary layer transition
Projectile
Missile
Abstract
Panzerbrechende flügelstabilisierte Geschosse mit Treibspiegel, kurz auch APFSDS-Geschosse genannt, sind durch außergewöhnlich hohe Schlankheitsgrade und bodennahen Flug bei Über- und Hyperschallgeschwindigkeiten gekennzeichnet. Die vorliegende Studie strebt an, die Aerodynamik eines solchen Geschosses mit bisher unerreichter Genauigkeit zu charakterisieren, um präzise Trajektorienberechnungen zu ermöglichen und die Entwicklung zukünftiger Wuchtgeschosse zu unterstützen. Dabei zeichnet sich die Arbeit durch die Charakterisierung der Aerodynamik im nichtlinearen Bereich, die Berücksichtigung der laminar-turbulenten Grenzschichttransition, die Untersuchung aerothermischer Effekte und die Analyse des Einflusses des Treibspiegelgewindes ─ eines gewindeartigen Rauheitselements auf dem Schaft des Geschosses ─ aus.
Aus Platzgründen ist die Integration von Messtechnik in Projektilmodelle mit solch hohem Schlankheitsgrad nur begrenzt möglich, was insbesondere Windkanalmessungen mit gängigen Windkanalwaagen erschwert. Nicht-intrusive Messtechniken sind daher vom Vorteil. Die vorliegende Untersuchung zeigt einen neuen Ansatz für die Freiflugmethode auf, bei der die Modelle ungehindert durch die Windkanalteststrecke fliegen. Diese Methode ermöglicht die Ermittlung der quasi-stationären Widerstands-, Auftriebs- und Nickmomentbeiwerte und bis zu einem gewissen Grad auch des dynamischen Nickdämpfungsbeiwerts. Eine Alternative zur Freiflugmethode ist die Freischwingungsmethode, bei der die Bewegung auf eine Rotation um den Schwerpunkt beschränkt wird. Die Freischwingungsmethode führt zu einer präziseren Analyse der statischen und dynamischen Nickmomente. Beide Methoden basieren auf der Analyse von Beschleunigungen, die aus einer Flugbahnverfolgung abgeleitet werden. Dieser beschleunigungsbasierte Ansatz macht es möglich, die stark nichtlinearen aerodynamischen Eigenschaften zu bestimmen.
Der hohe Schlankheitsgrad des untersuchten Geschosses führt zu einem erheblichen Beitrag der viskosen Kräfte zum Gesamtwiderstand. Diese viskosen Kräfte sind empfindlich gegenüber dem laminar-turbulenten Grenzschichtzustand sowie den thermischen Randbedingungen. Der Einsatz eines hochauflösenden Schlierensystems ermöglicht die Analyse der laminar-turbulenten Transition, während die Verwendung von Nieder- und Hochenthalpie-Testanlagen die Untersuchung des aerothermischen Einflusses erlaubt. Um die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen zu reproduzieren, werden stationäre RANS-Simulationen durchgeführt, die eine Modellierung der laminar-turbulenten Transition berücksichtigen.
Die aerodynamischen Eigenschaften von Projektilmodellen mit und ohne gewindeartigem Rauheitselement auf dem Schaft werden mit Hilfe von Windkanalwaagenmessungen und Freischwingungsmessungen untersucht. Es wird ein signifikanter Einfluss des Treibspiegelgewindes auf die Axialkraft des Vorkörpers und auf die Nickeigenschaften festgestellt, während die Normalkraft weniger beeinflusst wird. Der Einfluss des Treibspiegelgewindes erweist sich als empfindlich gegenüber dem Anstellwinkel. Schlierenvisualisierungen geben Einblicke in die Strömungsphysik, die für die Veränderungen der aerodynamischen Koeffizienten verantwortlich ist, wobei die Schlierensysteme eine Analyse auf der Skala einzelner Gewindegänge zulassen.
Aus Platzgründen ist die Integration von Messtechnik in Projektilmodelle mit solch hohem Schlankheitsgrad nur begrenzt möglich, was insbesondere Windkanalmessungen mit gängigen Windkanalwaagen erschwert. Nicht-intrusive Messtechniken sind daher vom Vorteil. Die vorliegende Untersuchung zeigt einen neuen Ansatz für die Freiflugmethode auf, bei der die Modelle ungehindert durch die Windkanalteststrecke fliegen. Diese Methode ermöglicht die Ermittlung der quasi-stationären Widerstands-, Auftriebs- und Nickmomentbeiwerte und bis zu einem gewissen Grad auch des dynamischen Nickdämpfungsbeiwerts. Eine Alternative zur Freiflugmethode ist die Freischwingungsmethode, bei der die Bewegung auf eine Rotation um den Schwerpunkt beschränkt wird. Die Freischwingungsmethode führt zu einer präziseren Analyse der statischen und dynamischen Nickmomente. Beide Methoden basieren auf der Analyse von Beschleunigungen, die aus einer Flugbahnverfolgung abgeleitet werden. Dieser beschleunigungsbasierte Ansatz macht es möglich, die stark nichtlinearen aerodynamischen Eigenschaften zu bestimmen.
Der hohe Schlankheitsgrad des untersuchten Geschosses führt zu einem erheblichen Beitrag der viskosen Kräfte zum Gesamtwiderstand. Diese viskosen Kräfte sind empfindlich gegenüber dem laminar-turbulenten Grenzschichtzustand sowie den thermischen Randbedingungen. Der Einsatz eines hochauflösenden Schlierensystems ermöglicht die Analyse der laminar-turbulenten Transition, während die Verwendung von Nieder- und Hochenthalpie-Testanlagen die Untersuchung des aerothermischen Einflusses erlaubt. Um die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen zu reproduzieren, werden stationäre RANS-Simulationen durchgeführt, die eine Modellierung der laminar-turbulenten Transition berücksichtigen.
Die aerodynamischen Eigenschaften von Projektilmodellen mit und ohne gewindeartigem Rauheitselement auf dem Schaft werden mit Hilfe von Windkanalwaagenmessungen und Freischwingungsmessungen untersucht. Es wird ein signifikanter Einfluss des Treibspiegelgewindes auf die Axialkraft des Vorkörpers und auf die Nickeigenschaften festgestellt, während die Normalkraft weniger beeinflusst wird. Der Einfluss des Treibspiegelgewindes erweist sich als empfindlich gegenüber dem Anstellwinkel. Schlierenvisualisierungen geben Einblicke in die Strömungsphysik, die für die Veränderungen der aerodynamischen Koeffizienten verantwortlich ist, wobei die Schlierensysteme eine Analyse auf der Skala einzelner Gewindegänge zulassen.
Armor-piercing fin-stabilized discarding sabot projectiles, short APFSDS-projectiles, stand out by exceptionally high slenderness ratios and ground level flight at super- and hypersonic speeds. The present study aims to characterize the aerodynamics of such a projectile with yet unprecedented accuracy, in order to enable high-fidelity trajectory predictions and to aid the development of future kinetic energy projectiles. Hereby, the study is distinguished by its characterization of the aerodynamic properties in the nonlinear regime, the consideration of the laminar-turbulent boundary layer transition, the examination of aerothermal effects and the investigation of the influence of the sabot thread ─ a threadlike roughness element on the shaft of the projectile.
Space constraints limit the integration of measurement equipment into projectile models of such high slenderness, which in particular complicates the characterization by means of classical wind tunnel strain gauge balance measurements. Therefore, nonintrusive measurement techniques become favorable. The present analysis demonstrates a renewed approach to the free-flight technique, which sets models into unconstrained flight through the wind tunnel test section. This method enables the evaluation of the quasi-steady drag, lift, and pitching moment characteristics, and to some extent also the dynamic pitch damping characteristics. An alternative to the free-flight technique is the free-oscillation technique, which limits the motion to a rotation around the center of gravity. The free-oscillation technique allows a higher-fidelity analysis of the static and dynamic pitching moments. Both methods are based on the analysis of the accelerations derived form trajectory tracking. This acceleration-based approach enables the evaluation of the highly nonlinear aerodynamic characteristics.
The high slenderness of the investigated projectile leads to a significant contribution of the viscous forces to the overall drag. These viscous forces are sensitive to the laminar-turbulent boundary layer state, as well as the thermal boundary conditions. The application of a high-resolution schlieren system enables the assessment of the laminar-turbulent transition position, while the use of low- and high-enthalpy testing facilities enables the assessment of the aerothermal influence. Steady-state RANS simulations, which include laminar-turbulent transition modeling, are employed to replicate the results of the experimental efforts.
The aerodynamic properties of projectile models with and without a threadlike roughness element on their shaft are evaluated by means of balance measurements and free-oscillation measurements. A significant influence of the roughness element on the forebody axial force and the pitching characteristics is observed, while the normal force is less affected. The influence of the sabot thread is found to be sensitive with respect to the angle of attack. Schlieren visualizations give insights into the flow physics responsible for the alterations of the aerodynamic coefficients, whereby the schlieren systems enable an analysis on the scale of individual thread turns.
Space constraints limit the integration of measurement equipment into projectile models of such high slenderness, which in particular complicates the characterization by means of classical wind tunnel strain gauge balance measurements. Therefore, nonintrusive measurement techniques become favorable. The present analysis demonstrates a renewed approach to the free-flight technique, which sets models into unconstrained flight through the wind tunnel test section. This method enables the evaluation of the quasi-steady drag, lift, and pitching moment characteristics, and to some extent also the dynamic pitch damping characteristics. An alternative to the free-flight technique is the free-oscillation technique, which limits the motion to a rotation around the center of gravity. The free-oscillation technique allows a higher-fidelity analysis of the static and dynamic pitching moments. Both methods are based on the analysis of the accelerations derived form trajectory tracking. This acceleration-based approach enables the evaluation of the highly nonlinear aerodynamic characteristics.
The high slenderness of the investigated projectile leads to a significant contribution of the viscous forces to the overall drag. These viscous forces are sensitive to the laminar-turbulent boundary layer state, as well as the thermal boundary conditions. The application of a high-resolution schlieren system enables the assessment of the laminar-turbulent transition position, while the use of low- and high-enthalpy testing facilities enables the assessment of the aerothermal influence. Steady-state RANS simulations, which include laminar-turbulent transition modeling, are employed to replicate the results of the experimental efforts.
The aerodynamic properties of projectile models with and without a threadlike roughness element on their shaft are evaluated by means of balance measurements and free-oscillation measurements. A significant influence of the roughness element on the forebody axial force and the pitching characteristics is observed, while the normal force is less affected. The influence of the sabot thread is found to be sensitive with respect to the angle of attack. Schlieren visualizations give insights into the flow physics responsible for the alterations of the aerodynamic coefficients, whereby the schlieren systems enable an analysis on the scale of individual thread turns.
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