Parametric and off-design analysis of Busemann-derived hypersonic intakes

This thesis presents the development and application of ASTRID (Automated Supersonic/hypersonic Tool for Ramjet Intake Design), a computational framework developed in collaboration with FAST Aerospace for the parametric analysis and preliminary design of Busemann-derived air intakes in the Mach 3.5–6 regime. While Busemann-derived intakes are increasingly adopted in hypersonic propulsion, current projects employ highly heterogeneous geometries. This work investigates how intake shape affects performance under both on-design and off-design conditions. ASTRID integrates Busemann profile generation via Taylor–Maccoll integration, Wavecatcher and REST morphing, Gmsh meshing, and inviscid Euler simulations with adaptive mesh refinement (SU2) into a single validated pipeline. Six three-dimensional configurations (three Wavecatcher and three Morphed geometries) are compared against a two-dimensional reference. On-design, all Busemann geometries achieve total pressure recoveries above 92%, with drag 3–5 times lower than the 2D counterpart. However, mutual differences between 3D configurations remain within 1–2%, indicating that axial Busemann contour dominates compression, while cross-sectional shape has negligible on-design influence. Conversely, off-design analysis across the full Mach–angle-of-attack space reveals significant divergence. By characterizing unstart boundaries through Gaussian Process Classification and adaptive sampling, the study shows that the elliptical Wavecatcher offers a +0.6% larger operational envelope in the M − α plane and reduces drag by up to 7%, whereas the Morphed configuration achieves higher pressure recovery at low Mach numbers. The findings demonstrate that while cross-sectional shape has minimal impact on nominal efficiency, it critically influences off-design robustness, providing a validated basis for future viscous studies and experimental testing.

Questa tesi illustra lo sviluppo e l’applicazione di ASTRID (Automated Supersonic/hypersonic Tool for Ramjet Intake Design), un framework computazionale realizzato in collaborazione con FAST Aerospace per l’analisi parametrica e il dimensionamento preliminare di prese d’aria di tipo Busemann nel regime Mach 3.5–6. Nonostante la crescente diffusione delle geometrie Busemann nella propulsione ipersonica, lo stato dell’arte evidenzia una notevole eterogeneità nelle soluzioni adottate. Il presente lavoro indaga come la forma della sezione influenzi le prestazioni sia in condizioni di progetto (on-design) che fuori progetto (off-design). ASTRID comprende la generazione di profili tramite integrazione di Taylor-Maccoll, il morphing Wavecatcher e REST, la generazione della mesh (Gmsh) e simulazioni inviscide con raffinamento adattivo (SU2). Nello studio sono state confrontate sei configurazioni tridimensionali (tre geometrie Wavecatcher e tre Morphed) rispetto a un riferimento bidimensionale. In condizioni on-design, tutte le geometrie Busemann ottengono un recupero di pressione totale superiore al 92%, con una resistenza inferiore di 3-5 volte rispetto alla controparte 2D. Tuttavia, le discrepanze tra le diverse configurazioni 3D rimangono contenute nell’1-2%, suggerendo che l’efficienza nominale sia dominata dal profilo assiale piuttosto che dalla forma della sezione trasversale. Al contrario, l’analisi off-design condotta sull’intero spazio operativo Mach-angolo d’attacco evidenzia divergenze sostanziali. La mappatura dei limiti di unstart, ottimizzata tramite Processi Gaussiani e campionamento adattivo, dimostra come la configurazione Wavecatcher ellittica garantisca un’area di inviluppo operativo leggermente più ampia (+0.6%) e una resistenza ridotta fino al 7%. Parallelamente, la geometria Morphed assicura un recupero di pressione superiore ai bassi regimi di Mach. In sintesi, se la sezione trasversale incide marginalmente sulle prestazioni nominali, essa si rivela invece determinante per la robustezza off-design, ponendo basi solide per future analisi viscose e validazioni sperimentali.