ኤሮኤላስቲሲቲ እና የረጅም ጊዜ በረራ፣ ከፍተኛ አስፔክት ሬሾ ላላቸው ክንፎች የንፋስ ግፊት ምላሽ
የረጅም ጊዜ በረራ፣ ከፍተኛ አስፔክት ሬሾ ያለው ክንፍ ልክ እንደ ኤሮዳይናሚክ ችግር ሁሉ መዋቅራዊ ችግርም የሆነው ለምንድነው፣ እና የ Helios አደጋ ስለ ሙከራ ምን እንዳረጋገጠ።
በረጅም ጊዜ በረራ አውሮፕላን ላይ ከፍተኛ የሊፍት-ቱ-ድራግ (lift-to-drag) ሬሾ እንዲኖረው ተደርጎ የተሰራ ክንፍ፣ በተፈጥሮው ተጣጣፊ ክንፍ ነው፡ ከፍተኛ አስፔክት ሬሾ (aspect ratio) እና አነስተኛ መዋቅራዊ ክብደት የክሩዝ (cruise) ብቃት የሚጠይቃቸው ትክክለኛ ነገሮች ናቸው፣ እና ሁለቱም ከጥንካሬ (stiffness) ጋር በቀጥታ ይቃረናሉ። በዚህ የአውሮፕላን ምድብ ላይ፣ በበረራ ወቅት ያለው የክንፍ ቅርፅ በስዕሉ ላይ ካለው ቅርፅ ጋር አንድ አይነት አይደለም — ያለማቋረጥ ይታጠፋል እንዲሁም ይጣመማል፣ እና ያ የቅርፅ መለወጥ ጠንካራ-ክንፍ (rigid-wing) ሞዴል ሊወክለው በማይችለው መልኩ ወደ ኤሮዳይናሚክስ (aerodynamics) ተመልሶ ተጽዕኖ ያሳድራል።
ኤሮኤላስቲሲቲ (Aeroelasticity) — በኤሮዳይናሚክ ጫናዎች፣ በመዋቅራዊ ተጣጣፊነት እና በበረራ ዳይናሚክስ መካከል ያለው ትስስር — በዚህ የአውሮፕላን ምድብ ላይ እንደ ሁለተኛ ደረጃ ማረጋገጫ መታየቱ ቀርቶ ዋነኛ የንድፍ መሪ ይሆናል።
1. በ Helios ላይ በእርግጥ ምን ተፈጠረ
በጣም ግልፅ የሆነው እና በሰነድ የተደገፈው ጉዳይ የ NASA የራሱ ነው። ሰኔ 26 ቀን 2003፣ የ Helios Prototype የረጅም ጊዜ በረራ ውቅር (HP03) በረራ በጀመረ በ30 ደቂቃዎች ውስጥ የከባቢ አየር ተርቡለንስ (turbulence) አጋጠመው። የክንፉ ዳይሄድራል (dihedral) — የጫፉ መታጠፍ፣ ተጣጣፊው ክንፍ ምን ያህል ወደ ላይ እንደታጠፈ የሚያሳይ ቀጥተኛ መለኪያ — ባልተለመደ ሁኔታ ከ30 እስከ 40 ጫማ አደገ፣ ይህም በመደበኛ በረራ ወቅት ከሚታየው ከ11 እስከ 17 ጫማ በጣም የራቀ ነበር። የ NASA ምርመራ እንዳረጋገጠው ከዚያ ዳይሄድራል በላይ፣ የአውሮፕላኑ የፒች (pitch) ንቀጥቀጥ (oscillation) ዳይናሚካሊ ያልተረጋጋ ሆነ፡ የአየር ፍጥነት (airspeed) ልዩነቶች በእያንዳንዱ የንቀጥቀጥ ዑደት በእጥፍ ገደማ ጨምረዋል ። በመጨረሻው አፍንጫ-ወደ-ታች (nose-down) ዳይቭ (dive) ላይ፣ አውሮፕላኑ ከተነደፈበት ከፍተኛ የአየር ፍጥነት ከእጥፍ በላይ አልፏል። በዚህም የተፈጠረው ዳይናሚክ ግፊት በክንፉ የፊት ጠርዝ (leading-edge) ሁለተኛ ደረጃ መዋቅር ላይ ተከታታይ ውድቀት አስከትሏል፣ የሶላር ፓነሉ እና የውጪው ሽፋን ተቀደደ፣ እና አውሮፕላኑ ሊፍት (lift) የማመንጨት አቅሙን አጥቶ ወደ ፓሲፊክ ውቅያኖስ ወደቀ። ችግሩን ለመመርመር ከተደረገው የመጀመሪያ ሙከራ ጀምሮ አውሮፕላኑ በአየር ላይ እስከተሰባበረበት ጊዜ ድረስ፡ 91 ሰከንዶች ።
2. መታጠፉ አለመረጋጋቱን ከማስተካከል ይልቅ ለምን እንዳባባሰው
የ NASA ከአደጋው በኋላ ያደረገው ትንታኔ አሰራሩን ለይቷል፣ እና እሱ በእርግጥ የኤሮኤላስቲክ (aeroelastic) እንጂ ቀላል መዋቅራዊ ውድቀት አይደለም፡
- የስፓንዋይዝ (Spanwise) ሊፍት ዳግም ስርጭት። ክንፉ ወደ ላይ ሲታጠፍ፣ ሊፍት ከአውሮፕላኑ መሃል ወደ ውጫዊ ፓነሎች ተዛወረ — እና ያ ዳግም ስርጭት በሰከንድ ግማሽ ጫማ ለሚያህል አነስተኛ የንፋስ ግፊት (gust) እንኳን በጣም ስሜታዊ ሆኖ ተገኝቷል፣ ይህም በእርግጥ ካጋጠመው ተርቡለንስ በጣም ያነሰ ነው።
- እራሱን የሚያስተካክል ሳይሆን፣ እራሱን የሚያስቀጥል ዑደት (loop)። የበረራ የመቆጣጠሪያ ስርዓት (Control system) ለሚጨምረው ዳይሄድራል ምላሽ የሰጠው ኤሌቬተሮቹን (elevators) የኋላ-ጠርዝ-ወደ-ላይ (trailing-edge-up) በማጠፍ ነበር፤ የውጪ ኤሌቬተሮች ቋሚ ስለነበሩ፣ ይህ ምላሽ ከጫፎቹ ይልቅ ከመሃል ላይ ብዙ ሊፍት አስወገደ — ይህም ክንፉን ወደ መደበኛ ቅርፁ ከመመለስ ይልቅ ወደ ከፍተኛ-ዳይሄድራል ቅርፅ ይበልጥ እንዲገፋ አድርጎታል።
- እየጨመረ የመጣው ስታቲክ መረጋጋት የፉጎይድ (phugoid) አለመረጋጋትን አባባሰው። ዳይሄድራል እያደገ ሲሄድ፣ የአውሮፕላኑ የኤሮዳይናሚክ ኃይል ማዕከል ከስበት ማዕከሉ በላይ ከፍ እያለ ሄደ፣ ይህም የሎንግቲዩዲናል (longitudinal) ስታቲክ መረጋጋትን ጨመረ — ይህ ባህሪ በተለምዶ የሚያረጋጋ ቢሆንም፣ በዚህ ተሽከርካሪ ላይ ግን የረጅም-ጊዜ የፒች ንቀጥቀጥ አለመረጋጋትን እንደሚጨምር ተረጋግጧል።
- የፒቺንግ ኢነርሺያ (Pitching inertia) በአምስት እጥፍ ገደማ አደገ በአደጋው ወቅት በታየው የዳይሄድራል ክልል ውስጥ፣ ይህም ክንፉ ሲታጠፍ የበረራ ሞዱን ዳይናሚክስ በመሰረታዊነት ቀይሮታል።
ከእነዚህ ውስጥ አንዳቸውም የጠንካራ ኤርፍሬም (rigid airframe) ባህሪያት አይደሉም። እነዚህ የሚኖሩት የክንፉ ቅርፅ እና የአውሮፕላኑ ኤሮዳይናሚክስ ስለተጣመሩ ብቻ ነው — ይህም ኤሮኤላስቲሲቲ ማለት በትክክል ምን ማለት እንደሆነ ያሳያል።
3. የ NASA የራሱ ምርመራ ይህንን ሊያገኘው ይገባ ነበር የሚለው
የአደጋው ሪፖርት ዋና መንስኤዎች ይህ የአውሮፕላን ምድብ እንዴት መሞከር እና ዲዛይን መደረግ እንዳለበት በቀጥታ ተዛማጅ ናቸው፡ በቂ የትንታኔ ዘዴዎች አለመኖር የውቅር ለውጥ (የተከማቹ ክብደቶችን መጨመር — የነዳጅ ሴል ፖድ እና የሃይድሮጅን ታንኮች — በመጀመሪያ እንደ ተበታተነ "ስፓንሎደር" (spanloader) ተደርጎ ለተነደፈ ክንፍ) የሚያስከትለውን ውጤት ትክክለኛ ያልሆነ የአደጋ ግምገማ አስከትሏል፣ ይህም ያ ቅነሳ አስቀድሞ በአግባቡ ሳይተነበይ የአውሮፕላኑን መዋቅራዊ እና የኤሮኤላስቲክ ማርጂኖች (margins) በከፍተኛ ሁኔታ ቀንሶታል።
የምርመራው የራሱ ቴክኒካዊ ምክሮች አዳዲስ የትንታኔ ዘዴዎችን እና ትንበያዎችን ለማረጋገጥ ለዚህ የተሽከርካሪ ምድብ ተስማሚ የሆኑ የመሬት-ላይ ሙከራ (ground-test) ሂደቶችን እና ቴክኒኮችን ማዘጋጀትን ያካትታሉ — ይህ ንድፉ ቀደም ሲል በበረራ ከተረጋገጡ ውቅሮች ትርጉም ባለው መልኩ በሚለይበት ጊዜ ሁሉ፣ ሲሙሌሽን (simulation) ብቻ ሳይሆን አካላዊ ሙከራ እንዲደረግ የቀረበ ቀጥተኛ ጥሪ ነው።
4. ለተጣጣፊ ክንፍ የኤሮኤላስቲክ የሙከራ ዘመቻ በእርግጥ ምን ያስፈልገዋል
- በጂኦሜትሪ ብቻ ሳይሆን በጥንካሬ (stiffness) የተመጣጠነ ሞዴል። የኤሮኤላስቲክ ባህሪ በትክክል እንዲመጣጠን፣ የሞዴሉ መዋቅራዊ የጥንካሬ ስርጭት ከሙሉ መጠን አውሮፕላኑ ጋር መመሳሰል አለበት፣ ውጫዊ ቅርፁ ብቻ አይደለም — በጂኦሜትሪ ትክክለኛ የሆነ ነገር ግን ከመጠን በላይ ጠንካራ የሆነ ሞዴል ሙከራው ሊያገኘው የተዘጋጀውን ትስስር በቀላሉ ይደብቀዋል።
- የንፋስ ግፊት (Gust) ምላሽ ሙከራ፣ ቋሚ-ሁኔታ ፖላሮች (steady-state polars) ብቻ አይደለም። የ Helios አለመረጋጋት የተቀሰቀሰው በሰከንድ ግማሽ ጫማ በሚያህሉ የንፋስ ግፊቶች ነው — ይህ በጣም አነስተኛ በመሆኑ ቋሚ፣ ንፋስ የሌለበት የንፋስ ቱናል (wind tunnel) መረጃ ብቻውን ይህንን ስሜታዊነት ፈጽሞ ሊያሳየው አይችልም ነበር።
- የተመሳሰለ መዋቅራዊ እና የኤሮዳይናሚክ መለኪያ መሳሪያዎች (instrumentation)። የክንፍ መታጠፍ፣ መጣመም እና ዳይናሚክ ጫናዎች ከኃይሎች እና ሞመንቶች (moments) ጋር አብረው መለካት አለባቸው፣ በተመሳሳይ ዙር፣ ስለዚህ በመካከላቸው ያለው ትስስር በተናጠል ከሚገመት ይልቅ በትክክል ይያዛል።
- አውሮፕላኑ በእርግጥ በሚበርባቸው የክብደት እና የጫና-ስርጭት ውቅሮች ላይ መሞከር ፣ በመነሻ (baseline) ሁኔታ ላይ ብቻ አይደለም — የተከማቸ እና የተበታተነ የፔይሎድ (payload) ክብደት የኤሮኤላስቲክ ማርጂኑን ይቀይረዋል፣ Helios በቀጥታ እንዳሳየው።
- በሙከራ ጊዜ የክንፍ ቅርፅን በእውነተኛ-ጊዜ (Real-time) መከታተል ፣ ዳይሄድራልን በእውነተኛ-ጊዜ ከእይታ ማሳያ ጋር ለመለካት የ NASA የራሱን ምክር በማንፀባረቅ — Helios ን ያጠፋው አለመረጋጋት ሊስተካከል የማይችልበት ደረጃ ላይ እስኪደርስ ድረስ ለበረራ ሰራተኞቹ የማይታይ ነበር።
5. እኛ የምናያቸው አምስት ስህተቶች
- ጥንካሬን (stiffness) ከኤሮዳይናሚክ የሙከራ ፕሮግራም በተለየ፣ እንደ መዋቅራዊ ማረጋገጫ አድርጎ መቁጠር። በተጣጣፊ-ክንፍ አውሮፕላን ላይ፣ መዋቅራዊ እና የኤሮዳይናሚክ ሙከራ አንድ አይነት ችግር ናቸው፣ በቅደም ተከተል የሚረጋገጡ ሁለት የተለያዩ ነገሮች አይደሉም።
- ቋሚ፣ የንፋስ ግፊት የሌለባቸውን ሁኔታዎች ብቻ መሞከር። ለስላሳ ፍሰት ውስጥ ሙሉ በሙሉ የተረጋጋ የሚመስል ውቅር፣ ከግምት በጣም ለሚያንሱ የንፋስ ግፊቶች ስሜታዊ ሊሆን ይችላል።
- የውጫዊውን ቅርፅ (outer mould line) ስለማይቀይር የውቅር ለውጥ "አነስተኛ" ነው ብሎ ማሰብ። የ Helios ገዳይ ለውጥ ክብደት መጨመር እንጂ ቅርፅ መቀየር አልነበረም — እና አሁንም በአውሮፕላኑ ማርጂኖች ላይ ከፍተኛ ቅነሳ አድርጓል።
- የበረራ መቆጣጠሪያ ህግን በጠንካራ-አካል (rigid-body) ሞዴል ላይ ማረጋገጥ። ለጠንካራ ኤርፍሬም ትክክለኛ ምላሽ የሚሰጥ የመቆጣጠሪያ ስርዓት (Control system) የኤሮኤላስቲክ አለመረጋጋትን በንቃት ሊያባብስ ይችላል፣ ልክ በ HP03-2 ላይ የኤሌቬተር ምላሽ እንዳደረገው።
- "ሞዴሉ ያን ያህል አይንቀሳቀስም" በሚል በእውነተኛ-ጊዜ የቅርፅ ክትትልን መዝለል። በ Helios ላይ በመደበኛ እና ባልተረጋጋ ዳይሄድራል መካከል ያለው ልዩነት በ247-ጫማ ክንፍ ላይ በአስር ጫማዎች ይለካ ነበር — ይህ በመሳሪያ እስኪለካ ድረስ በቀላሉ ግምት ውስጥ የማይገባ ልዩነት ነው።
6. ይህ ለፕሮግራምዎ ምን ማለት ነው
የክንፍዎን መዋቅራዊ ውቅር እና የታቀዱ የክብደት ለውጦችን ይንገሩን ፣ እና እኛ ንፁህ የኤሮዳይናሚክ ወይም ንፁህ መዋቅራዊ ሙከራ ሊያመልጠው የሚችለውን ትስስር ለመያዝ የተገነባ በጥንካሬ-የተመጣጠነ የኤሮኤላስቲክ የሙከራ ዘመቻ — የንፋስ ግፊት ምላሽን ጨምሮ — እናዘጋጃለን። ተዛማጅ ንባብ፡ የእኛ ማዕከላዊ ጽሑፍ በ
የረጅም ርቀት UAV ኤሮዳይናሚክ ሙከራዎች፡ MALE፣ HALE እና የVTOL አውሮፕላን አይነቶችላይ፣ እና
የከፍተኛ ከፍታ HALE አየር ዳይናሚክስ (Aerodynamics)፡ ዝቅተኛ የሬይኖልድስ ቁጥሮች እና ስስ አየርለተመሳሳይ አውሮፕላን።
ምንጮች እና ማስታወሻዎች
- የ Helios Prototype HP03-2 አደጋ (ሰኔ 26 ቀን 2003) ሙሉ ዘገባ፡ የዳይሄድራል እድገት ወደ 30–40 ጫማ ከመደበኛው 11–17 ጫማ አንፃር፣ የፒች ንቀጥቀጥ ከአየር ፍጥነት ልዩነቶች ጋር በየዑደቱ በእጥፍ መጨመር፣ ከተነደፈበት የአየር ፍጥነት ከእጥፍ በላይ ማለፍ፣ ተከታታይ መዋቅራዊ ውድቀት፣ ከመጀመሪያው ምርመራ እስከ መሰባበር 91 ሰከንዶች፣ የስፓንዋይዝ ሊፍት ዳግም ስርጭት ስሜታዊነት እስከ 0.5 ጫማ/ሰከንድ ለሚያንሱ የንፋስ ግፊቶች፣ የኤሌቬተር/ዳይሄድራል ፊድባክ ዑደት፣ የስታቲክ-መረጋጋት-ከ-ፉጎይድ-አለመረጋጋት አሰራር፣ በፒቺንግ ኢነርሺያ ውስጥ ያለው የአምስት እጥፍ ገደማ እድገት፣ ዋና መንስኤዎች፣ እና ለተሽከርካሪ-ምድብ-ተስማሚ የመሬት-ላይ ሙከራ ሂደቶች የቀረበው ምክር፡ Noll, T.E., Ishmael, S.D., Henwood, B., Perez-Davis, M.E., Tiffany, G.C., Madura, J., Gaier, M., Brown, J.M., Wierzbanowski, T., "Technical Findings, Lessons Learned, and Recommendations Resulting from the Helios Prototype Vehicle Mishap," NASA/Langley, Dryden, Glenn, Ames እና Kennedy Research Centers ከ AeroVironment Inc. ጋር (NASA Technical Reports Server, document 20070022260)፣ ሙሉ ምርመራውን በመጥቀስ በ Noll et al., "Investigation of the Helios Prototype Aircraft Mishap," Volume I – Mishap Report, January 2004.
- የአውሮፕላኑ ዳራ (247-ጫማ የክንፍ ርዝመት፣ አስፔክት ሬሾ 30.9:1፣ የሚበር-ክንፍ (flying-wing) ውቅር)፡ በ HALE ከፍተኛ-ከፍታ ኤሮዳይናሚክስ ላይ ካሳተምነው ጽሑፍ ጋር የሚስማማ ነው፣ ይህም የዚሁኑ አውሮፕላን የኤሮዳይናሚክ ንድፍ በዝርዝር ይሸፍናል።
- የሙከራ-ዘዴ ምክሮች (በጥንካሬ-የተመጣጠኑ ሞዴሎች፣ የንፋስ ግፊት ምላሽ ሙከራ፣ የተመሳሰለ መዋቅራዊ/የኤሮዳይናሚክ መለኪያ መሳሪያዎች፣ በእውነተኛ-ጊዜ የቅርፅ ክትትል) የ TunnelTech የምህንድስና ልምዶች ናቸው፣ በተጠቀሰው የ NASA ምርመራ ውስጥ ለመሬት-ላይ ሙከራ ምክሮች ቀጥተኛ ምላሽ የሚሰጡ።