Rocket design and analysis in support of Leeds University Rocketry Association (LURA): Flutter analysis and its prevention in rockets fins

Abstract

[EN] Stability is one of the most crucial criteria to consider when designing a rocket. It is easily guessable the importance of rockets to reach high speeds during launch. However, the fact of keeping its orientation and its intended flight plan avoiding wobbling and tumbling does not lag behind. Fins are allocated on the tail of the rocket to ensure stability. They try to guarantee that the centre of pressure is always behind the centre of gravity. In such a way, the generated aerodynamic forces act as restoring forces in response to any undesirable rotation that the rocket can suffer. However, they are designed to work stably within a certain range of speeds. Beyond this range, fins can start to fiercely vibrate because of the coupling of two modes of vibration in the aeroelastic system. That is what is known as flutter. It would result in permanent deformations and retaking the control would be practically impossible, leading to catastrophic structural failures. For that reason, rockets fins flutter control must be a priority when dealing with stability. Thus, the aeroelasticity field, concretely the dynamic one, is seriously and deeply studied. During this project, a MATLAB code which predicts rockets fins flutter is completely developed, in order to be able to avoid and control it as much as possible. Furthermore, a flutter simulator is also designed and programmed through the toolbox of Simulink to obtain the answer of those rockets fins in real time. In such a way, through the introduction of certain inputs, the fins behaviour is directly simulated. Finally, some CFD simulations are run so that the flow around those fins can be analysed in more detail and the results obtained with the code are checked.

[ES] La importancia de alcanzar altas velocidades durante el lanzamiento de un cohete es muy notoria y evidente. Sin embargo, el hecho de mantener su orientación y su plan de vuelo previsto evitando cualquier tipo de tambaleo no puede quedar atrás. Esto es lo que se conoce como estabilidad, y en caso de no conseguirse, el cohete no sería capaz de completar con éxito su misión. Las aletas se colocan en la cola del cohete para asegurar su estabilidad. Intentan garantizar que el centro de presión quede siempre detrás del centro de gravedad. De esta forma, las fuerzas aerodinámicas generadas actúan como fuerzas restauradoras en respuesta a cualquier giro o perturbación indeseable que pueda sufrir el cohete. No obstante, están diseñadas para funcionar de manera estable dentro de un rango determinado de velocidades. Más allá de este rango, las aletas pueden empezar a vibrar fuertemente debido al posible acoplamiento de dos modos de vibración del sistema aeroelástico, lo que se conoce como aleteo o flameo. Esto provocaría deformaciones permanentes y sería prácticamente imposible retomar el control, ocasionando así fallos estructurales catastróficos e irreversibles. Por esa razón, el control del flameo de las aletas debe ser una prioridad cuando se trabaja en la estabilidad de los cohetes que las usan. Así, el campo de la aeroelasticidad, concretamente el de la aeroelasticidad dinámica, se convierte en el objeto de estudio principal del problema. Durante este proyecto, se desarrolla un código completo que predice el flameo de las aletas de los cohetes a través del software de MATLAB, para así poder evitarlo y controlarlo lo máximo posible. Además, con la finalidad de obtener la respuesta de las aletas de dichos cohetes en tiempo real, también se diseña y programa un simulador del flameo a través de la toolbox de Simulink. De esta forma, mediante la introducción de determinados inputs o parámetros de entrada, el comportamiento de las aletas se simula directamente. Finalmente, se lanzan unas simulaciones CFD con el software de Ansys, Fluent, para analizar con más detalle el flujo alrededor de las aletas, comprobar que los resultados son similares a los obtenidos con el código y, de cierta manera, verificarlo.