Experimental investigation of rarefaction effects on aerodynamic coefficients of slender and blunt re-entry vehicles

Abstract

The prediction of the flight stability and of the aerodynamic coefficients in the transition region between the rarefied and the continuum flow regime is important for the design of hypersonic vehicles. The aim of this investigation is to analyse experimentally how aerodynamics - lift, drag and pitching moment - of re-entry and hypersonic transport vehicles is affected by rarefaction effects for classical blunt bodies and high lift / drag flight configurations with an angle of attack range between 0 and 34°. The analysis is conducted by experiments in the DLR Hypersonic Vacuum Wind Tunnel Göttingen (VxG), a continuously operating facility which can simulate hypersonic flows around vehicle configurations in this gas kinetic transition regime.Based on about 900 experimentally obtained data sets of lift, drag and pitching moment coefficients and lift/drag ratio, significant rarefaction effects could be observed in all considered aerodynamic coefficients within the analysed Knudsen number range between 7e-4 and 9e-3. The effects are strong enough to cause a reduction in lift / drag ratio of up to more than 50%. Die Vorhersage von Flugstabilität und aerodynamischen Beiwerten im Übergangsbereich zwischen verdünnter Strömung und Kontinuumsströmung sind von hoher Wichtigkeit für die Auslegung hypersonischer Flugobjekte. Ziel dieser Untersuchung ist eine experimentelle Analyse, wie Auftrieb, Widerstand und Nickmoment von Wiedereintrittsraumfahrzeugen und hypersonischen Transportflugzeugen durch Verdünnungseffekte beeinflusst werden. Verglichen wird eine klassische stumpfe Flugkonfiguration mit einer fortschrittlichen Flugkonfiguration hoher Gleitzahl im Anstellwinkelbereich von 0 bis 34°. Die Analyse wird basierend auf Experimenten im Hypersonischen Vakuumwindkanal Göttingen (VxG) durchgeführt, in welchem hypersonische Strömungen um Flugkonfigurationen im gaskinetischen Übergangsbereich bei kontinuierlichem Messbetrieb simuliert werden können.Basierend auf ca. 900 Datensätzen für Auftriebs-, Widerstands- und Nickmomenten-beiwerte und Gleitzahlen können im analysierten Knudsenzahlbereich zwischen 7e-4 und 9e-3 signifikante Verdünnungseinflüsse bei allen untersuchten aerodynamischen Beiwerten festgestellt werden, welche in Gleitzahleinbußen von bis zu über 50% resultieren.