Riassunto analitico
Sin dal principio delle missioni nello spazio, il mondo ha sempre riscontrato il problema del rientro degli stadi dei razzi in atmosfera e del loro successivo impatto sulla superficie terrestre. Questo, oltre alle conseguenze di danni ambientali, porta a gravi perdite in termini economici per le agenzie spaziali. In un mondo che, oggigiorno, cerca di essere il più attento alle tematiche ambientali, ha portato gli scienziati a porsi una domanda: “Perché non riportiamo gli stadi al sito di lancio e li riutilizziamo per le missioni future?” A partire dallo “Space Shuttle Program”, fino alle missioni di “SpaceX” risposte a questa domanda sono state date ma, margini di miglioramento sono ancora possibili. Un nuovo ed innovativo approccio è il brevetto depositato dal “German Aerospace Center (DLR)”, denominato “In-Air Capturing Method (IAC)” ed inserito all’interno del progetto FALCon. L’ In-Air Capturing Method, consiste nel catturare gli stadi quando questi si trovano ancora in aria durante la loro fase di traiettoria balistica e, riportali poi alla base di lancio. Questa manovra viene portata a termine senza l’ausilio di un sistema propulsivo aggiuntivo ma, grazie ad un dispositivo chiamato “Aerodynamically Controlled Capturing Device” (ACCD) che, “trainato” da un aero cargo, cattura lo stadio e lo riporta poi alla base di lancio.
Lo scopo del presente elaborato è di valutare, attraverso un’analisi CFD, le forze aerodinamiche agenti sul dispositivo ACCD. Una volta determinate queste, è stata eseguita un’analisi della stabilità statica del dispositivo stesso. Tutte le simulazioni CFD eseguite si sono basate su un approccio stazionario e di tipo RANS, grazie al software opensource OpenFOAM.
I risultati ottenuti dallo studio della stabilità hanno mostrato l’instabilità aerodinamica del dispositivo ACCD. Come conseguenza dei risultati ottenuti è stato ideato un semplice sistema di controllo, attraverso simulazioni con mesh non statica, al fine di migliorare la stabilità del dispositivo ACCD.
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Abstract
Since the beginning of space missions, the world has always faced the problem of rocket stages falling back to earth and consequently crashing on ground or into Oceans. This turns back into problems from an environmental and an economical point of view. In a world that, nowadays, is looking harder into being more friendly towards the environment, this led scientists to ask themselves a question: "Why we do not return these stages to their launch sites and reuse them?". Starting from the "Space Shuttle program" to "SpaceX missions" answers were given, but margins for improvement are still available. A new and different approach is the DLR's patent method called "in-Air-Capturing Device" (IAC), which is involved into the FALCon project. The IAC method consists in capturing the stage directly when is still in the air and then towing it back to its launch site. This maneuver is carried out without the necessity of a propulsion system but thanks to an "Aerodynamically Controlled Capturing Device" (ACCD) that, towed by a cargo plane, has to catch the stage.
The purpose of this master's thesis is to evaluate, through CFD analysis, the aerodynamics forces on the ACCD and to extrapolate its polar curve. Then, the static stability of the catcher has been studied. For the CFD simulations a RANS steady state approach has been chosen and performed in the OpenFOAM environment.
The results obtained shown the instability of the catcher due to the relative position between the CoG and the CoP. As a consequence, the idea of a basic control system based on a moving mesh methodology is proposed in the present thesis in order to improve the stability of the ACCD.
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