IWNSANational Aeronautics andSpace Administration
Lyndon B. Johnson Space CenterHouston. Texas 77058 NASA-CR-171795
Q.
COLUMBIA: THE FIRST FIVE FLIGHTS
ENTRY HEATING DATA SERIES
VOLUME 6
THE UPPER LEE SIDE SURFACE CENTERLINE
By
S. D. Williams
July 1984
Prepared Under Contract No. NAS 9-15800Lockheed Engineering and Management Services Co., Inc.
for
NATIONAL AERONAUTICS AND SPACE ADMINSTRATION
Johnson Space CenterHouston, Texas
DISCUSSION:
Over 2,000 development flight instruments (DPI) were installed on Columbiawith the majority of the DPI flight data recorded during ascent and entry(Ref. 1). Additional real-time instrumentation was used to continuouslymonitor the thermal subsystems during each flight. Successful completion ofthe first five flights of the Space Shuttle Orbiter has provided sufficientdata from radiometers, thermocouples, and pressure transducers to appraisethe aerothermodynamic/TPS performance.
The entry heating presented in this report is restricted to the Upper LeeSide Surface Center!ine, see Figure 1. A tabulation of the orbiter X, Ycoordinates for each instrument can be found in Table I. This data ispresented in two Appendices.
Appendix A: Correlation ParametersAppendix B: Flight Data
As an aid to the reader, the page numbers for the specific correlationparameters and flight data for each Appendix can be found in Tables II andIII,
The surface heating and temperature data presented in this volume is basedon the thermal analysis at each individual location via the JSCNONLIN/INVERSE computer program Ref. 2. Values of angle-of-attack and thederived free stream Mach number were obtained from JSC/MPAD Best EstimatedTrajectory (BET) data tapes for each flight. The corresponding data valuesfor Normal Shock Reynolds number (Ref. 3), reference heating rate, referencefilm coefficient, and total enthalpy were obtained via the MINIVER computerprogram (Ref. 4). Values of h/h -. were computed using a 0.9 Hj recoveryenthalpy. The comparison of wind tunnel data (0.9 Hj) with flight data forV07T9802A (X/L=0.026) and V07T9804A (X/L=0.035) were obtained by linearinterpolation from the X/L=0.025 and X/L=0.050 wind tunnel data. Likewise,the wind tunnel data for V07T9806A (X/L=0.080) and V07T9808A (X/L=0.98) wereobtained by linear interpolation from wind tunnel data at X/L=0.075 andX/L=0.100. Linear interpolation of wind tunnel data for V09T9518A
(X/L=0.595) and V07T9232A (X/L=0.791) were obtained at X/L=0.550 andX/L=0.600, and X/L=0.700 and X/L=0.800, respectively. All other wind tunneldata was taken at X/L locations 0+0.001) corresponding to flight measurementlocations. No wind tunnel data was available for interpolation for V07T9814A(X/L=0.246) and V07T9819A (X/L=0.298) due to wind tunnel test instrumentmanfunction.
At the wind tunnel conditions, Mach 8, (Ref. 5) the Normal Shock Reynoldsnumber is .1121 times the Reynolds number based on freestream parameters.
All heating rates were calculated with a view factor of 1. The surfaceemissivity of all instruments was assumed to be 0.80. A mojority of theheating rates compared to flight parameters (a, M^, and Re^ ) are presentedon a log scale with imposed limits of 10" £h/h f <_! except for V07T9814A,V07T9819A, V07T9826A, V07T9832A, V09T9518A, and V07T9845A which had imposedlimits of 10~4 <_h/href _< 1.
Entry heating data for other vehicle areas is presented in additionalvolumes. Volume 1: An overview, see Reference 6, contains the underlyingassumptions, detailed trajectory information, and pertinent information forthe integration of all subsequent volumes. In order to provide an adequateoverview of the entry heating, Volume 1 will be the last releasedpublication in this series of reports.
After the publication and distribution of Volume 5 (Ref. 7) it wasobserved that the numerical values of the Normal Shock Reynolds numbersflagged on the h/href vs. a plots were incorrectly labeled. Although theflagged values were correct with respect to time and a the free streamvalues instead of the normal shock values were printed. The analyst canobtain the correct value for wind tunnel conditions either by multiplyingthe stated value by 0.1121 or by using the values shown in Table IV. Thisreport has maintained the error in printing the free stream value forconsistency between volumes 2 through 6. The author regrets anyinconvenience this has caused for the serious researcher.
REFERENCES: .
1. Smith, J.A., STS-3 Structural & Aerothermodynamic Pressure andAerothermodynamics & Thermal Protection System Measurement Locations,
NASA JSC 17889, January 15, 1982.
2. Williams, S. D. and Curry, D. M., An Analytical and Experimental Study
Using a Single Embedded Thermocouple, J. Spacecraft and Rockets, Vol.
14, October 1977, pp. 632-637.
3. Ried, R. C., Jr.; Goodrich, W.D.; Strouhal, 6.; and Curry, D. M.: The
Importance of Boundary Layer Transition to the Space Shuttle Design,
Proceedings of the Boundary Layer Transition Workshop held Nov. 3-5,
1971. Aerospace Report No. TOR-0172 (S2816-16) -5, Dec. 20, 1971.
4. Mender, 0. R., A Miniature Version of the JA70 Aerodynamic Heating
Computer Program, H800 (MINIVER) MDC G0462, McDonnell DouglasAstronautics Company, Huntington Beach, CA, June 1970, Revised January
1972.
5. Martindale, W. R., Kaul, C. E., and Nutt, K. W., Test Results from the
NASA/Rockwell International Space Shuttle Orbiter Heating Test (OH39B)
conducted in the AEDC-VKF Tunnel B, AEDC-DR-75-17 VonKarman Gas DynamicsFacility, ARO, Inc., Arnold Engineering Development Center, Arnold Air
Force Station, Tennessee, Feb. 28, 1975.
6. Williams, S. D., Columbia: The First Five Flights Entry Heating Data
Series, Volume 1, An Overview.
7. Williams, S. D., Columbia: The First Five Flights Entry Heating Data
Series, Vol. 5, The Side Fuselage and Payload Bay Door, NASA-CR-171732,January 1984.
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Co
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TABLE I
UPPER SURFACE CENTERLINE COORDINATES
Measurement
V07T9802A
V07T9804A
V07T9806A
V07T9808A
V07T9736AV07T981 3A
V07T9814A
V07T9819A
V07T9826A
V07T9832A
V09T9518AV07T9845A
V07T9232A
0
0
0
0
0
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0
0
0
0
0
0
0
X/L
.026
.035
.080
.098
.171
.202
.246
.298
.398
.500
.595
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.791
X
268
279337
361454
494
551
617
746877
999
11341251
.3
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.1
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Y
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9
9
55
5
05
5
TABLE II
PAGE NUMBERS FOR APPENDIX A:
CORRELATION PARAMETERS
• STS-FLIGHT
FLIGHT PARAMETER STS-1 STS-2 STS-3 STS-4 STS-5
a
M00
Re»icNSa
MCD
qrefqrefq _Mrefqrefuref
h ,refh _ref
"ref
VS
vs
vs
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ReMCNSRe»ieNSt
a
Mao
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1
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n16
21
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2
7
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57
62
67
3
8
13
18
23
28
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38
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63
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4
9
14
19
24
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34
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69
5
10
15
20
25
30
35
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45
50
55
60
65
70
• TABLE'III - PAGE NUM3ERS FOR APPENDIX 3: FLIGHT DATA
^ MEASUREMENT
V07T9802A - h/hpef vs a "
-h/h^ vs M.
-h/href vs ReNS
' ''cony vs *- Ts vs t
i. V07T9804A - h/h , vs arsT- - h/href vs M»
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^ VQ7T9806A - h/hpef vs a
' - h/href vs M,
. - h/h^f vs ReNS
• «conv vs l
- TS vs t
V07T9808A - h/h^ vs a
- h/href vs ^
- h/ly^ vs ReNS
- <conv vs t
- T vs t»
V07T3736A - h/href vs o
-h/href vs t
^ - - h/href vs ReNS
' ' *conv vs t
- TS vs t
STS-FLIGHT
STS-1
1
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1V1
116
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STS-2
2
7
12
17
22
27
32
37
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117
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STS-3
3
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13
18
23
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33
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118
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STS-4
4
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54
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109
114
119
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STS-
5
10
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120
125
• TABLE'III - PAGE NUMSERS FOR APPENDIX 3: FLIGHT DATA
MEASUREMENT
V07T9813A " h/href VS a "
-h/href vs M.
-h/href vs ReNS
' «conv vs t
- TS vs t
V07T9814A - h/hpef vs °
- • - h/href vs *"
-h/href vs ' Re,,s
' <conv vs t
- T v.s t
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V07T9819A - h/h^ vs a
• - h/hpef vs M,
. - * h/href ys ReNS
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V07T9825A . h/hpef vs a
- h/href vs M,
-h/h^ vs ReNS
' *conv vs t
* Ts vs t
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V07ig832A - h/href vs a
• h/hpfif vs M.
- W^ vs ReNS
' ^conv vs *- TS vs t
STS-FLIGHT
STS-1
126
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156
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STS-3
128
133
138
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158
163
168
173
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STS-4
129
134
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149
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169
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n-210
• TABLE'III - PAGE NUMBERS FOR APPENDIX 3: FLIGHT DATA
W MEASUREMENT
- h/h -. vs a "V09T9518A rtf
•h/"ref vs N.
-h/href ys ReNS
-Aonv vs *- TS ys t .
V07T9845A - h/hpef vs a
- - h/href vs H,
•h/W vs " Re*s- <W vs *
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STS -FLIGHT
STS-1
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STS -2
212
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222
227
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N/A
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STS -3
213
218
223
228
233
236
239
242
245
248
251
254
257
260
263
1
STS -4
214
219
224
229
234
237
240
243
246
249
252
255
258
261
264
STS-
215
220
225
230 .
235
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241.
244
247
250
253
256
259
262
265
TABLE IV
Correlation Between Free Stream and Normal Shock ReynoldsNumbers at Wind Tunnel Conditions
0.0175 ScaleRe^/ft
X 106
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
3.50
3.70
107 ft. LengthRe=o
X 10s
0.936
1.873
2.809
3.745
4.681
5.618
6.554
6.928
107 ft. LengthReNSX 10s
1.050
2.099
3.149
4.198
5.248
6.297
7.347
7.767
10
APPENDIX A
CORRELATION PARAMETERS
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B-265
1. Report No.
NASA-CR-1717952. Government Accession No. 3. Recipient's Catalog No.
4. Title and Subtitle
COLUMBIA: THE FIRST FIVE FLIGHTS ENTRY HEATING DATA SERIESVOLUME 6The Upper Lee Side Surface Center!ine
5. Report Date
July 19846. Performing Organization Code
24-50
7. Author(s)
S. D. Wil l iams
8. Performing Organization Report No.
LEMSCO-19346
9. Performing Organization Name and Address
Lockheed Engineering and Management Services Co., Inc.1830 NASA Road 1Houston, Texas 77058
10. Work Unit No.
J.O. 52-309
11. Contract or Grant No.NASA 9-15800
12. Sponsoring Agency Name and Address
NASA Johnson Space CenterStructures and Thermal DivisionHouston, Texas
13. Type of Report and Period Covered
Contractor Report
14. Sponsoring Agency Code
15. Supplementary Notes
16. Abstract
Entry heating flight data and wind tunnel data on the upper lee side surface center!ineare presented for the first five flights of the Space Shuttle Oribter. The heatingrate data is presented in terms of normalized film heat transfer coefficients as afunction of angle-of-attack, Mach number, and Normal Shock Reynolds numbers. Thesurface heating rates and temperatures were obtained via the JSC NONLIN/INVERSEcomputer program. Time history plots of the surface heating rates and temperaturesare also presented. .
17. Key Words (Suggested by Author(s|)
Heating rateFilm heat transfer coefficientMach numberReynolds number Flight heating dataWind tunnel Shuttle Orbiter
18. Distribution Statement
Subject category: Upper Lee Side SurfaceCenterline Entry Heating
19. Security Qassif. (of this report)
Unclassi fied
20. Security Classif. (of this page)
Unclassified
21. No. of Pages
347
22.
'For sale by the National Technical Information Service. Springfield. Virginia 22161
JSC Form 1424 (Rev Nov 75) NASA — JSC