Application of Schiieren Photography to the Investigation of Large Amplitude Oscillatory Motions of Shapes Travelling at Flow Mach Number M = 6.85

Abstract

Re-entry vehicles when penetrating the earth’s atmosphere may undergo large amplitude oscillatory motions, the aerodynamic stability of which must be determined for the vehicle shape to be evaluated. Bodies travelling close to or above flow Mach* number M = 1 generate shock waves which are discontinuities of flow properties such as pressure, temperature and density. The Schiieren technique has been used to visualize the strong density gradient that exists across the shock front and a comparison made between the shock wave-forms of a model undergoing large amplitude motions with those of the model held fixed at different angles of attack. Any difference in the shock positions could then be attributed to the model motion and hence be related to its stability. Tests using a hypersonic wind tunnel have investigated three axi-symmetric shapes, which have been photographed both in motion with a high-speed cine camera and when held fixed with a conventional 35 mm camera. The Schiieren technique reveals the density changes in the flow and a typical wind tunnel model llowfield is discussed. More detailed analysis for a blunted cone shape is shown, where the shock stand off distances of the model in motion and the model held fixed are compared.

Résumé

Lors de leur ré-entrée dans l’atmosphère terrestre les véhicules peuvent subir des mouvements oscillatoires de grande amplitude et la stabilité aérodynamique doit être déterminée en fonction de la forme du véhicule considéré.

Les corps se déplaçant à une vitesse proche ou supérieure à Mach = 1 engendrent des ondes de choc qui sont des discontinuités des propriétés d’écoulement telles la pression, la température et la densité. La méthode de Schlieren a été utilisée pour visualiser le gradient important de densité associé au front de choc et on a comparé les configurations des ondes de choc inhérentes à un modèle subissant des mouvements de grande amplitude à celles d’un modèle fixé sous différents angles d’attaque. Toutes les différences dans les positions du choc peuvent alors être attribuées au mouvement du modèle et ainsi être reliées à sa stabilité.

Desessais dans une soufflerie hypersonique ont porté sur trois formes présentant une symétrie axiale. Celles-ci ont été photographiées en mouvement avec une camera à grande vitesse et à l’arrêt avec une camera 35mm conventionnelle. La méthode de Schlieren révéle des changements de densité dans l’écoulement et un champ d’écoulement typique de la soufflerie est discuté. Une analyse plus détaillée du comportement d’une forme conique tronquée est présentée dans laquelle les ondes produites à distance dans le cas du modèle en mouvement et du modèle maintenu fixe sont comparées.

Le nombre Mach d’un écoulement est défini comme étant le rapport entre la vitesse d’écoulement et la vitesse du son au même endroit. Les écoulements supersoniques sont ceux pour lesquels le nombre de Mach est compris dans l’intervalle 1 < M ≤ 5 et les écoulements hypersoniques sont ceux pour lesquels M ≥ 5.

Zusammenfassung

Raumflugkörper, die von aussen wieder in die Erdatmosphäre eindringen, können Schwingungsbewegungen mit grosser Amplitude ausführen, deren aerodynamische Stabilität für die jeweilige Flugkörperform bestimmt werden muss. Körper, die sich mit Geschwindigkeiten bei oder oberhalb der Mach-Zahl 1 bewegen erzeugen Schockwellen, d. h. Diskontinuitäten der Strömungseigenschaften wie Druck, Temperatur und Dichte. Die Schlieren-Technik wurde verwendet um den starken Dichtegradienten an der Schockwellenfront sichtbar zu machen und die Wellenform für ein frei schwingendes Modell mit der des unter verschiedenen Anströmwinkeln festgehaltenen Modells zu vergleichen. Unterschiede in der Positon der Schockwellen können der Bewegung des Modells zugeordnet und damit Aussagen über dessen Stabilität gewonnen werden. Auf diese Weise wurden in einem Hyperschall-Windkanal verschiedene axialsymmetrische Körper getestet, wobei das Schlierenbild bei bewegten Körpern mit Hilfe einer Hochfrequenzfilmkamera festgehalten wurde. Typische Strömungsfelder werden diskutiert.

Riassunto

Il rientro dei veicoli quando penetrano nell’atsmofera terrestre può generare motioscillatori di grande ampiezza, di cui si deve determinate la stabilità aerodinamica in funzione della forma del veicolo.

Corpi viaggianti ad una velocità vicino o superiore a 1 Mach generano onde d’urto che sono discontinuità del flusso come pressione, temperature e densità.

E’ stata usata la tecnica Schlieren per visualizzare il forte gradiente di densità che esiste attraverso il fronte d’urto ed è stato fatto un confronto fra forme d’onda d’urto di un modello avente una larga ampiezza di movimento rispetto a quelle di un modello tenuto fisso con diverse angolazioni.

Ogni differenza nelle posizioni d’urto può così essere attribuita al moto del modello e quindi messa in relazione con la sua stabilità.

In un tunnel a vento ipersonico sono state studiate tre forme assimetriche che sono state fotografate sia in moto con una macchina cinematografica per riprese ad alta velocità che in posizione fissa con una normale macchina fotografica 35mm.

La tecnica Schlieren rivela le variazioni di densità nel flusso; viene discusso il campo di flusso di un tipico modello di tunnel a vento.

Analisi più dettagliate sono state fatte per una forma conica smussata dove vengono confrontate le distanze d’urto del modello in moto e del modello tenuto fisso.

Il numero Mach di un flusso è definito come il rapporto fra la velocità di flusso e la velocità locale del suono. Flussi supersonici sono quelli dove il numero Mach è compreso nell’intervallo 1 < M ≤ 5; ipersonici quando M ≥ 5.