Análise da eficiência aerodinâmica em veículos espaciais: aplicação de métodos semi-empíricos e CFD no estudo de geometrias clássicas e alternativas

Abstract

Este trabalho de conclusão de curso tem como objetivo explorar a capacidade dos métodos semi-empíricos e da análise fluidodinâmica computacional (CFD) na obtenção dos coeficientes aerodinâ micos de uma geometria clássica de veículo espacial para número de Mach entre 0,8 e 1,2. Para a análise semi-empírica foram utilizados os programas Missile Datcom e AeroLAB, para a análise CFD foi utilizado o programa ANSYS Fluent em sua versão acadêmica. Diferentes geometrias de coifa como parabólica, LV-Hack e LD-Hack também foram abordadas e a sua eficiência em diminuir a produção de arrasto foi estudada para o mesmo regime de voo da geometria clássica. Os métodos semi-empiricos e a análise CFD apresentaram boas estimativas dos coeficientes aerodinâmicos e mostraram serem relevantes na fase de pré-projeto de veículos espaciais, uma vez que o custo de uso dessas tecnologias é inferior a ensaios em túnel de vento. Observou-se também que a eficiência aerodinâmica das coifas dependia do regime de voo em que atuavam, característica que também é relevante na fase de pré-projeto de veículos espaciais.

The aim of this thesis is to investigate the ability of semi-empirical methods and computational fluid dynamics (CFD) analysis to obtain the aerodynamic coefficients of a classical space vehicle geometry for Mach numbers between 0.8 and 1.2. The programs Missile Datcom and AeroLAB were used for the semi-empirical analysis, and the academic version of ANSYS Fluent was used for the CFD analysis. Different nose cone geometries such as parabolic, LV-hack and LD-hack were also considered and their efficiency in reducing drag production was studied for the same flight regime as the classical geometry. Semi-empirical methods and CFD analysis showed good estimates of aerodynamic coefficients and proved to be relevant in the pre-design phase of space vehicles, since the cost of using these technologies is lower than wind tunnel tests. It was also observed that the aerodynamic efficiency of the nose cone depended on the flight regime in which they operated, a characteristic that is also relevant in the pre-design phase of spacecraft.