Numerical characterization of the aerodynamics and trajectory of a rocket

Abstract

[EN] This Final Bachelor’s Degree Project performs a numerical characterization of the aerodynamics and trajectories of the Basic Finner Missile. The results provide valuable, low-computational-cost methodologies, for complete aerodynamic analysis on diverse rocket geometries. The conclusions from this study offer valuable insight and understanding of a projectile’s flight performance and behavior under diverse conditions. According to these objectives, a Computational Fluid Dynamics (CFD) study using STAR CCM+ software, is performed through a wide range of Mach numbers (0.1 to 5.0). Through steady simulations, relevant aerodynamic parameters, including the static and dynamic stability derivatives, are retrieved and validated through available experimental data. The complete longitudinal aerodynamic model is constructed across the different flight regimes. Afterwards, a numerical code developed in MATLAB, integrates the previous findings with missile motion dynamics, enabling the simulation of flight trajectories. It allows for the evaluation of missile attitude, kinematics, and the evolution of aerodynamic coefficients under different flight conditions. Finally, the missile’s response is assessed under changes in aerodynamic loads, thrust force configurations, center of gravity position, and wind gust perturbations.

[ES] Este Proyecto de Fin de Grado realiza una caracterización numérica de la aerodinámica y las trayectorias del misil Basic Finner. Los resultados proporcionan metodologías valiosas y de bajo costo computacional para un análisis aerodinámico completo de diversas geometrías de cohetes. Las conclusiones de este estudio ofrecen información y comprensión valiosa sobre el rendimiento y el comportamiento de vuelo de un proyectil bajo diversas condiciones. De acuerdo con estos objetivos, se realiza un estudio de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) utilizando el software STAR-CCM+ en un amplio rango de número de Mach (0.1 a 5.0). A través de simulaciones estacionarias, se obtienen y validan mediante datos experimentales diversos parámetros aerodinámicos relevantes, incluidos las derivadas de estabilidad estática y dinámica. Se implementa el modelo aerodinámico longitudinal completo, a través de los distintos regímenes de vuelo. Posteriormente, un código numérico desarrollado en MATLAB integra los hallazgos previos con la dinámica de movimiento del misil, posibilitando la simulación de trayectorias de vuelo. Esto permite la evaluación de la actitud del misil, la cinemática y la evolución de los coeficientes aerodinámicos bajo diferentes condiciones de vuelo. Finalmente, se evalúa la respuesta del misil ante cambios en las cargas aerodinámicas, configuraciones de fuerza de empuje, posición del centro de gravedad y perturbaciones por ráfagas de viento.