Analysis of aerodynamic stability of the MetNet entry and descent vehicle with FINFLO simulations

Abstract

This Master's Thesis investigates the aerodynamic stability of the MetNet Mars atmospheric entry and descent vehicle, developed in cooperation between the Finnish Meteorological Institute (FMI) and the Lavochin Association (LA). The purpose of the study is performing Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations and obtaining the pertinent aerodynamic coefficients for the vehicle in the landing phase to Mars. The results are compared with the values obtained by LA, the most important feature being the aerodynamic stability of the vehicle. In this work, only the static stability is assessed.

The simulations were performed with an inhouse FINFLO software. Before the simulations, an atmospheric model of Mars was created. Some initial trajectory calculations were made in order to have approximate values for the combinations of the Reynolds and Mach numbers that the vehicle will experience during the landing. These initial trajectory calculations also provided a condition for the mesh creation. A coarse and a dense calculation meshes were created with 1.4 and 7 million cells, respectively. The SST k-ω turbulence model was used and the results were tabulated in a form of dimensionless coeffcients.

Apart from the lift coeffcient, the values differ to some extent from the LA's results. However, the general trends lead to the same conclusions: the drag coeffcient is more than suffcient to ensure the designed landing speed and the negative slope of the pitching moment coeffcient indicates static stability for the vehicle. Some heat load analyses were also carried out. Unfortunately, the simulations converged only up to Ma = 1,9 and no results were obtained at larger velocities. The thermal analyses show that heating of the vehicle is highly dependent on the Mach number, and for these reasons it would be advisable to perform more simulations for the vehicle.

Tässä diplomityössä tutkitaan Ilmatieteen Laitoksen ja Lavochin Associationin (LA) kehittämän Mars MetNet-laskeutujan aerodynaamista vakavuutta käyttäen laskennallista virtausmekaniikkaa. Tavoitteena on ratkaista relevantit aerodynaamiset kertoimet laskeutumisvaiheen aikana Marsiin. Tuloksia verrataan LA:n saamiin arvoihin ja tärkeimpänä tutkittavana ominaisuutena on aerodynaaminen vakavuus. Työssä tutkitaan vain staattista aerodynaamista stabiiliutta. Laskentaan käytettiin FINFLO-ohjelmaa. Marsin kaasukehästä luotiin malli ennen simulaatioita. Lisäksi tehtiin ratalaskelmia laskeutujan laskeutumisvaiheen aikana kokemien Reynoldsin luvun ja Machin luvun arvojen saamiseksi. Ratalaskelmat tuottivat myös ehdon, joka auttoi laskentaverkon luomisessa. Laskentaa varten luotiin harva ja tiheä laskentaverkko, joissa oli 1,4 ja 7 miljoonaa laskentakoppia. Turbulenssin kuvaukseen käytettiin SST k-ω-mallia ja tulokset taulukoitiin dimensiottomassa kerroinmuodossa.

Nostovoimakerrointa lukuun ottamatta tulokset erosivat jonkin verran LA:n saamista arvoista. Tuloksista voidaan kuitenkin tehdä sama päätelmä: laskeutujan vastuskerroin on enemmän kuin riittävä suunniteltuun laskeutumisnopeuteen nähden ja pituusmomenttikertoimen negatiivinen kulmakerroin osoittaa laskeutujan olevan staattisesti stabiili. Laskenta ei kuitenkaan konvergoitunut suuremmilla Machin luvuilla kuin Ma = 1,9 eikä tuloksia saatu tätä suuremmilla nopeuksilla. Lämpötarkastelut osoittivat lisäksi laskeutujan pintalämpötilan olevan voimakkaasti riippuvainen Machin luvusta ja näistä syistä laskeutujalle suositellaan suoritettavan lisää simulaatioita.