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Missile Datcomの基礎

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Missiel Datcomは飛翔体の空力や性能の予備設計や解析のために広く使われている半経験則的なデータシート集の様なツールです。20年以上USAFや米国防衛企業によって無償で提供されていますが、ITAR規制品なので、米国内外へ輸出入のできないものです。日本では使えないので、MISSILE DATCOM User’s Manualを見ながらソフト内部でやってることを研究します。これはマニュアルを読むためのまとめです。なお、配布されている実行ファイルはexeファイルのようですが、Linuxなどnix系であってもWineなど使えば実行可能とのこと。使い方は至って簡単で、実行ファイル(MD***.exeなど、例えばMD0311.exe)と一緒に計算したい条件を入れた入力ファイル(for005.dat)を同じフォルダに入れておき、実行ファイルを実行すれば出力ファイルが出てきます。


Introduction意訳

飛翔体の予備設計迅速かつ経済的に飛翔体の構成設計において幅広い空気力学的な推定をする必要があります。

最終的な計上や空力性能はサブシステムつまりペイロードサイズや推進システム、打上げ機構に大きく依存します。

設計者は幅広い構成において正確に予測できる必要があります。

このソフトの基本的な目的は予備設計において正確に予測を行うことや、ユーザーに特定のアプリケーションにフィットする

代替方法を見つけさせる空力設計ツールを提供することです。


入出力の14ファイル

ファイル名
使い方
サブルーチン

for002.dat
for008.datから読み込まれた入力Namelist
READIN

for003.dat
空力データのプロットファイル
PLOT3,PLTTRM,PLTUT9

for005.dat
ユーザー入力ファイル
CONERR

for006.dat
プログラムアウトプットファイル
PRINTS,PRIIOM

for008.dat
for005.datをエラーチェックしたもの
CONERR

for009.dat
Bodyの幾何データ
SBODY

for010.dat
迎角によるBodyの圧力係数データ
SOSE,VANDYK,HYPERS

for011.dat
フィンの圧力係数データ
FCAWPF

for012.dat
ゼロ迎角・局所マッハ数のBodyの圧力係数データ
SOSE

for020.dat
力・モーメント等, Adaptive Modeling Language format
PLOT20

for021.dat
力・モーメント等、Aviator Visual Design Simulator format
PLOT21

for022.dat
Tecplot互換の幾何ファイルBodyとフィンのみ。インレット等は無し
TECGRD

for042.csv
全ての標準データ
PLOT42

for043.csv
フィンデータ
PLOT43

vpath*.dat
PRINT VORTEX コントロールカードのオプション選択時のみ出力。Tecplot互換の出力ファイル。Paraviewなどで可視化可能。ファイル名はは“vpath_a4.00_m1.60.dat”のようになり下記条件に相当 α = 4, Mach = 1.6
VPRINT

for006.datとfor042.datは常に出力されるファイル。

for022.datは可視化ソフトTecplotのASCIIフォーマットで、Paraviewなどフリーのソフトで可視化が可能。

test.png


Namelist

Namelist
定義するもの
任意かどうか

$FLTCON
飛翔条件

\$AXIBOD or $ELLBOD
Body

$FINSET[1-9]
[1-9]番目のフィン

$PROTUB
突起

$INLET
インレット

$REFQ
reference quantities
任意

$DEFLCT
panel incidence(deflection angles)
任意

$TRIM
trim case
任意

$EXPR
experimental input data
任意


データ

スクリーンショット 2016-05-02 19.33.32.png

(引用:AFRL-RB-WP-TR-2011-3071)

記号
定義
座標軸

$C_N$
法線力係数 Normal Force
body axis

$C_L$
揚力係数 Lift
wind axis

$C_M$
ピッチングモーメント係数
body axis

$X_{cp}$
圧力中心

$C_A$
軸力係数 Axial Force
body axis

$C_D$
抗力係数 Drag

$C_Y$
横力係数 Side Force
body axis

$C_n$
ヨーイングモーメント係数
body axis

$C_l$
ローリングモーメント係数
body axis

$C_{N\alpha}$
迎角で微分した法戦力係数

$C_{m\alpha}$
迎角で微分したピッチングモーメント係数

$C_{Y\beta}$
横滑り角で微分した横力

$C_{n\beta}$
横滑り角で微分したヨーイングモーメント係数
body axis

$C_{l\beta}$
横滑り角で微分したローリングモーメント係数
body axis

BodyだけもしくはBodyとフィンの組み合わせの場合は下記も計算されます。全てbody axis

記号
定義

$C_{Mq}$
ピッチ角で2階微分したピッチングモーメント係数

$C_{Nq}$
ピッチ角で2階微分した法戦力係数

$C_{Aq}$
ピッチ角で2階微分した軸力係数

$C_{M\dot{\alpha}}$
迎角で2階微分したピッチングモーメント係数

$C_{N\dot{\alpha}}$
迎角で2階微分した法戦力係数

$C_{lp}$
ロール角で2階微分したローリングモーメント係数

$C_{np}$
ロール角で2階微分したヨーイングモーメント係数

$C_{Yp}$
ロール角で2階微分した横力係数

$C_{lr}$
ヨー角で2階微分したローリングモーメント係数

$C_{nr}$
ヨー角で2階微分したヨーイングモーメント係数

$C_{Yr}$
ヨー角で2階微分した横力係数


出力ファイルfor042.csvの中身

ヘッダ
中身

CASE
実行されたCase番号

RAD?
単位系定義がラジアンか度か(0 = degrees, 1 = radians)

TRIM?
trimするかどうか (0 = not trim, 1 = trim)

MACH
マッハ数

RE
レイノルズ数

ALT
高度

Q
動圧

BETA
横滑り角

PHI
ロール角

SREF
参照面積

XCG
ノーズから重心の距離

XMRP
直径を1とした時のノーズから重心の距離の数

LREF
縦方向の参照長さ

LATREF
横方向の参照長さ

ALPHA
迎角

CN
法線力係数

CM
ピッチングモーメント係数

CA
軸力係数

CA_0B
ベースとなる抗力を含まない軸力係数

CA_FB
ベースとなる抗力を含む軸力係数

CY
横力係数

CLN
ヨーイングモーメント係数

CLL
ローリングモーメント係数

CL
揚力係数

CD
抗力係数

CL/CD
揚抗比

X-C.P.
重心から圧力中心までの距離を機体長さLREFで割った値。頭側だと+、オシリ側だと―

CNA
Normal Force Coefficient change wrt Angle of Attack

CMA
Pitching Moment Coefficient change wrt Angle of Attack

CYB
Side-force Coefficient change wrt Sideslip Angle

CLNB
Yawing Moment Coefficient change wrt Sideslip Angle

CLLB
Rolling Moment Coefficient change wrt Sideslip Angle

CNQ
Normal Force Coefficient change wrt Pitch Rate

CMQ
Pitching Moment Coefficient change wrt Pitch Rate

CAQ
Axial Force Coefficient change wrt Pitch Rate

CNAD
Normal Force Coefficient change wrt Angle of Attack change Rate

CMAD
Pitching Moment Coefficient change wrt Angle of Attack change Rate

CYQ
Side-force Coefficient change wrt Pitch Rate

CLNQ
Yawing Moment Coefficient change wrt Pitch Rate

CLLQ
Rolling Moment Coefficient change wrt Pitch Rate

CYR
Side-force Coefficient change wrt Yaw Rate

CLNR
Yawing Moment Coefficient change wrt Yaw Rate

CLLR
Rolling Moment Coefficient change wrt Yaw Rate

CYP
Side-force Coefficient change wrt Roll Rate

CLNP
Yawing Moment Coefficient change wrt Roll Rate


コントロールカード

コントロールカードはプログラムのオプションを決める1行コマンドです。入力ファイルに必須ではありません。おおよそ、下記のように分けれられます。

* 中間計算を出力するかどうか

* 単位系の定義

* 複数のcaseの定義、入力したnamelistのデータを引き継ぐかどうか等

* caseタイトルやコメント

* 横方向の空力を計算しないやフィンで分けられた渦の効果を計算しないなど

コマンド
引数
説明

BUILD

CASEID
xxxx
caseタイトル。72文字まで

DAMP

微係数の出力

DELETE

DIM
IN,FT,CM,M
システムの単位系、インチ、フィート、センチ、メートル

DERIV
DEG,RAD
微係数の単位がdegかradか

HYPER

マッハ1.2以上でbodyをニュートン流法を選ぶかどうか

NACA

翼型

NAMELIST

for002.datを出力

NEXT CASE

複数caseを計算。条件の最後に書く

NOGO

計算しない

NO LAT

横方向の微係数を計算しない

NO VORTEX

フィンの後流の渦を計算しない

PART

空力データ一部のみ出力

PLOT

for003.datの空力データが出力される

PRESSURES

for010.dat,011,012の圧力データが出力される

PRINT AERO

PRINT GEOM

PRINT VORTEX

vpath*ファイルを出力

SAVE

SOSE

Second-Order Shock Expansion methodを選択

SPIN

TRIM

*

*を付けるとコメント行

SOSEコマンドは超音速領域でbodyにSecond-Order Shock Expansion methodを使うかどうか。マッハ数2.0以上では推奨。SOSEもHYPERも選択しなかった場合、Von Dyke Hybrid methodが使われる。この場合、先端が尖っていない場合は計算が失敗します。


DIMコマンド

DIMコマンドは基本的にインチ、フィート、センチメートル、メートルの単位系を設定できますが、下記はそれぞれの単位系になるので注意

Namelist
変数
DIM IN
DIM FT
DIM CM
DIM M

FLTCON
REN
1/ft
1/ft
1/m
1/m

FLTCON
ALT
ft
ft
m
m

FLTCON
VINF
ft/s
ft/s
m/s
m/s

FLTCON
PINF
lbf/ft2
lbf/ft2
N/m2
N/m2

FLTCON
TINF
ランキン
ランキン
ケルビン
ケルビン

REFQ
ROUGH
in
in
cm
cm

ft:フィード

lbf:ポンド

in:インチ