የከፍተኛ ከፍታ HALE አየር ዳይናሚክስ (Aerodynamics)፡ ዝቅተኛ የሬይኖልድስ ቁጥሮች እና ስስ አየር
የHALE አውሮፕላኖች መጠናቸው ትልቅ ቢሆንም በዝቅተኛ የሬይኖልድስ ቁጥር ሁኔታ ውስጥ ለምን እንደሚበሩ፣ ይህ በአየር ፎይል ላይ ምን እንደሚያደርግ፣ እና የንፋስ ቱናል በትክክል ለመሞከር ምን እንደሚያስፈልገው።
አንድ የHALE አውሮፕላን ከBoeing 747 የሚረዝም የክንፍ ርዝመት ሊኖረው ቢችልም፣ አሁንም ከጄት አውሮፕላን ይልቅ ለትልቅ የሞዴል ግላይደር (glider) በሚቀርብ የአየር ዳይናሚክስ (aerodynamic) ሁኔታ ውስጥ ሊበር ይችላል። ምክንያቱም ከፍታ እንጂ መጠን አይደለም፡ በ20 ኪ.ሜ ከፍታ ላይ ያለ ው የአየር እፍጋት (density) ከባህር ጠለል ላይ ካለው ከአንድ አስረኛ በታች ነው፣ እና የሬይኖልድስ ቁጥር (Reynolds number) በቀጥታ ከእፍጋት ጋር ይለካል። በስትራቶስፌር (stratosphere) ጠርዝ ላይ ያለ ትልቅ፣ ቀርፋፋ እና ስስ ክንፍ በባህር ጠለል ላይ እንዳለ ትንሽ ክንፍ ተመሳሳይ ዝቅተኛ የሬይኖልድስ ቁጥር ፊዚክስ ውስጥ ይወድቃል — እዚያ የደረሰው ሙሉ በሙሉ በተለየ መንገድ ነው ማለት ነው።
1. ነጥቡን በተጨባጭ የሚያሳየው አውሮፕላን
በNASA ERAST ፕሮግራም ስር በAeroVironment የተገነባው የNASA Helios Prototype በታሪክ ውስጥ በጣም ግልፅ ማሳያ ነው። ይፋዊ መግለጫዎቹ፡ 247 ጫማ (75.3 m) የክንፍ ርዝመት ፣ 8 ጫማ ኮርድ (chord) ፣ የ30.9 ለ 1 ገጽታ ጥምርታ (aspect ratio) ፣ የክንፍ ውፍረት የኮርዱ 12% ብቻ፣ እና ከፍተኛው የክንፍ ጭነት 0.81 ፓውንድ በካሬ ጫማ ብቻ ነው። በዝቅተኛ ከፍታ ላይ የነበረው የመብረር ፍጥነት ከ19 እስከ 27 mph ነበር — የብስክሌት ፍጥነት ማለት ነው። በነሐሴ 13 ቀን 2001 እ.ኤ.አ. 96,863 ጫማ ከፍታ ላይ ደርሷል፣ ይህ ክንፍ ባለው አውሮፕላን ለተከታታይ አግድም በረራ የዓለም ክብረ ወሰን ሲሆን፣ እስከ 100,000 ጫማ ድረስ ለመስራት ታስቦ የተነደ ፈ ነው።
እያንዳንዳቸው እነዚህ ቁጥሮች — ግዙፉ የገጽታ ጥምርታ፣ እንደ ወረቀት ስስ የሆነው ክንፍ፣ ዜሮ የሚጠጋው የክንፍ ጭነት፣ የብስክሌት ፍጥነት ያለው በረራ — ከከፍተኛ ፍጥነት ይልቅ ለከፍተኛ ከፍታ ተብሎ የመነደፉ ቀጥተኛ ውጤት ናቸው። የHelios ፕሮፔለሮች (propellers) እንኳን ለዚሁ ዓላማ የተሰሩ ነበሩ፡ ባለ ሁለት-ብሌድ፣ ሰፊ-ኮርድ፣ 79 ኢንች ዲያሜትር ያላቸው ክፍሎች በተለይ በከፍተኛ ከፍታ ላይ ለብቃት ሲባል የላሚናር-ፍሰት (laminar-flow) ንድፍ ያላቸው ናቸው።
2. በዝቅተኛ የሬይኖልድስ ቁጥር በአየር ፎይል (airfoil) ላይ በትክክል ምን ይከሰታል
በHALE ፕሮፔለር እና የክንፍ ክፍሎች የተለመዱ የሬይኖልድስ ቁጥሮች — በአብዛኛው ከ10⁴ እስከ 10⁶ ባለው ክልል ውስጥ ይጠቀሳሉ — የድንበር ንብርብር (Boundary layer) አብዛኛው የአየር ፎይል ግንዛቤ ከተገነባበት ከፍተኛ-Re ፍሰት በመሰረታዊነት በተለየ ሁኔታ ይሰራል። በሰነድ የተደገፈ ዝቅተኛ የሬይኖልድስ ቁጥር የንፋስ ቱናል ሙከራ አሰራሩን በግልፅ ያሳያል፡ የላሚናር ፍሰት ወደ ተርቡለንት ፍሰት ከመቀየሩ በፊት በተቃራኒ የግፊት ቅልመት (adverse pressure gradient) ስር ከገጹ ይለያል። የተለየው የሺር ንብርብር (shear layer) ከዚያም በአየር ላይ ይለወጣል፣ እና ወደ ታችኛው ክፍል እንደገና ከተያያዘ፣ የላሚናር መለያየት አረፋ (laminar separation bubble - LSB) ይፈጥራል — ይህ በገጽታ የዘይት-ፍሰት እይታ (surface oil-flow visualization) ውስጥ በቀጥታ በሚታዩ የመለያየት እና የመልሶ ማያያዝ መስመሮች የታጠረ፣ በብዛት የቆመ እና የሚዘዋወር ፍሰት ክልል ነው።
ውጤቱ ቀላል አይደለም፡ በመለያየት አረፋው ላይ የሚፈጠረው የግፊት ድራግ (pressure drag) በዝቅተኛ የሬይኖልድስ ቁጥሮች ላይ ለሚቀንሰው የሊፍት-እና-ድራግ ጥምርታ (lift-to-drag ratio) ዋና ምክንያት ነው፣ እና የሬይኖልድስ ቁጥር ሲቀንስ በከፍተኛ ሁኔታ ሊታይ ወይም ሊባባስ ይችላል — ይህ ደግሞ ከፍታ የHALE ንድፍን የሚገፋበት ትክክለኛው አቅጣጫ ነው።
3. ይህ ለምን የተለየ ዓይነት የንፋስ ቱናል ይፈልጋል
የዝቅተኛ-ሬይኖልድስ-ቁጥር የአየር ፎይል ባህሪ በላሚናር የድንበር ንብርብር (Boundary layer) ስለሚመራ፣ የሙከራ ክፍል የተርቡለንስ ጥንካሬ በራሱ ቀደምት ሽግግርን እንዳይቀሰቅስ በበቂ ሁኔታ ዝቅተኛ መሆን አለበት — አለበለዚያ የንፋስ ቱናል አውሮፕላኑ በትክክል ከሚያጋጥመው የተለየ፣ ሰው ሰራሽ በሆነ መንገድ "የተቀሰቀሰ" የድንበር ንብርብርን እየሞከረ ይሆናል። ለዚህ ሁኔታ ተብለው በተገነቡ ተቋማት ውስጥ በሰነድ የተደገፈ አሰራር ከ0.1% በታች የሆነ የተርቡለንስ ጥንካሬን ያሳካል፣ ይህ በሆት-ዋየር አኒሞሜትሪ (hot-wire anemometry) የተረጋገጠ ሲሆን፣ በስራ ክፍሉ ውስጥ ከ±0.1° ገደማ የፍሰት-አንግል ወጥነት እና ከ±0.5% ውስጥ የዳይናሚክ-ግፊት ወጥነት ጋር አብሮ ይገኛል።
ለHALE ፕሮግራም ያለው ተግባራዊ አንድምታ፡ ሞዴሉ መጠን ሊኖረው እና የንፋስ ቱናል የበረራ ሬይኖልድስ ቁጥርን እንጂ የበረራ ፍጥነትን በማይደግም ፍጥነት መስራት አለበት። ለመጠኑ "በጣም ፈጣን" ሆኖ የተሞከረ ሞዴል ትክክለኛው አውሮፕላን በከፍታ ላይ ከሚያየው የበለጠ ከፍተኛ የሬይኖልድስ ቁጥር ላይ ይቀመጣል፣ እና የመለያየት አረፋው — ሙከራው ሊገልጸው የነበረው ትክክለኛው ባህሪ — ይንቀሳቀሳል ወይም ይጠፋል።
4. ከHALE ጋር አግባብነት ያለው የሙከራ ዘመቻ ምን መያዝ እንዳለበት
- የገጽታ ፍሰት እይታ (Surface flow visualization) ፣ የኃይል መረጃ (force data) ብቻ አይደለም። የዘይት-ፍሰት ወይም ተመጣጣኝ እይታ አረፋውን የሚገልጹትን የላሚናር መለያየት፣ የሽግግር እና የመልሶ ማያያዝ መስመሮችን በቀጥታ ያሳያል — ይህ ሚዛን (balance) ብቻ ሊያቀርበው የማይችለው መረጃ ነው።
- እውነተኛ የዝቅተኛ-ሬይኖልድስ-ቁጥር ቅኝት (sweep) ፣ ለተልዕኮው መገለጫ ትክክለኛ ከፍታ-ተመጣጣኝ በሆነ የሬይኖልድስ ቁጥር የሚሰራ እንጂ፣ ከከፍተኛ-Re መረጃ የተገመተ አይደለም።
- በዌክ ዳሰሳ (wake survey) የሚለካ ድራግ (Drag)፣ በሚዛን ብቻ አይደለም ፣ ምክንያቱም በእነዚህ የሬይኖልድስ ቁጥሮች ላይ ያለው የፕሮፋይል ድራግ ከሊፍት (lift) አንፃር አነስተኛ ስለሆነ እና በዌክ ውስጥ ባሉ የሞመንተም-ጉድለት (momentum-deficit) ዘዴዎች በተሻለ ሁኔታ ስለሚፈታ ነው።
- በተለይ በዝቅተኛ Re ላይ ለፍላፕ (flap) እና መቆጣጠሪያ-ገጽ (control-surface) ባህሪ ትኩረት መስጠት — የታጠፉ የመቆጣጠሪያ ገጾች በከፍተኛ Re ላይ ካለው ተመሳሳይ ጂኦሜትሪ ጋር ሲነፃፀሩ በዝቅተኛ የሬይኖልድስ ቁጥሮች ላይ በከፍተኛ ሁኔታ የጨመረ ድራግ እና የቀነሰ ውጤታማነት ያሳያሉ፣ ይህ ውጤት ከከፍተኛ-ፍጥነት ሙከራዎች በቀላሉ ሊገመት የማይችል ነው።
5. እኛ የምናያቸው አምስት ስህተቶች
- ሞዴሉን በታለመው የሬይኖልድስ ቁጥር ሳይሆን በምቾት መመጠን። በ"ጥሩ" ስኬል የተገነባ ሞዴል ሙሉ በሙሉ በተሳሳተ Re ላይ ሊያርፍ ይችላል፣ ይህም አስፈላጊ ከሆነው የተለየ የፍሰት ሁኔታን ይሞክራል።
- የንፋስ ቱናሉን ተልዕኮው በሚፈልገው የሬ ይኖልድስ ቁጥር ሳይሆን ሚዛኑ በሚወደው ፍጥነት ማሰራት። በዝቅተኛ Re ላይ፣ የሙከራ ነጥቡን ማዘጋጀት ያለበት ፊዚክስ እንጂ የመለኪያ መሳሪያዎች (ኢንስትሩመንቴሽን) ምቾት አይደለም።
- የንፋስ ቱናል የተርቡለንስ ጥንካሬን እንደ ማጠጋጋት ስህተት (rounding error) መቁጠር። በዚህ የሬይኖልድስ ሁኔታ፣ ከሚያስፈልገው በላይ በትንሽ በመቶኛ የሚበልጥ ተርቡለንስ የድንበር ንብርብሩን (Boundary layer) ቀድሞ ሊቀሰቅስ እና ሙከራው ሊገልጸው የነበረውን የመለያየት አረፋ ሊያጠፋው ይችላል።
- የኃይል መረጃው "ንፁህ ስለሚመስል" የፍሰት እይታን (flow visualization) መዝለል። ንፁህ የሚመስል ፖላር (polar) አሁንም የመለያየት አረፋን በተሳሳተ ቦታ ሊደብቅ ይችላል፤ እይታው ይህንን ለማወቅ የሚያስችልዎ መንገድ ነው።
- የመቆጣጠሪያ-ገጽ መረጃን ከከፍተኛ-ሬይኖልድስ-ቁጥር ሙከራ መገመት። በዝቅተኛ Re ላይ የፍላፕ እና ኤሌቬተር (elevator) ውጤታማነት በተለመዱ የአውሮፕላን ሬይኖልድስ ቁጥሮች ላይ በሚያደርገው መንገድ አይመዘንም።
6. ይህ ለፕሮግራምዎ ምን ማለት ነው
የታለመውን ከፍታ እና የተልዕኮ መገለጫ ይንገሩን ፣ እና እኛ ሞዴልን እንመጥናለን እንዲሁም አውሮፕላንዎ የሚበርበትን ትክክለኛ የፍሰት ሁኔታ የሚደግም የሙከራ ሬይኖልድስ ቁጥርን እናዘጋጃለን — ለምቹ የንፋስ ቱናል ፍጥነት የሚስማማውን አይደለም። ተዛማጅ ንባብ፡ የእኛ ዋና ጽሑፍ በ
[Article not found: long-range-fixed-wing-uas-wind-tunnel-testing]ላይ፣ እና
[Article not found: hale-aeroelasticity-gust-response-wind-tunnel-testing]ለተመሳሳይ የአውሮፕላን ክፍል ያንብቡ።
ምንጮች እና ማስታወሻዎች
- የHelios Prototype መግለጫዎች (የክንፍ ርዝመት 247 ጫማ፣ ኮርድ 8 ጫማ፣ የገጽታ ጥምርታ 30.9:1፣ የክንፍ ውፍረት የኮርዱ 12%፣ ከፍተኛው የክንፍ ጭነት 0.81 ፓውንድ/ካሬ ጫማ፣ የመብረር ፍጥነት 19–27 mph፣ የከፍታ ክብረ ወሰን 96,863 ጫማ በነሐሴ 13 ቀን 2001፣ የንድፍ ዓላማ 100,000 ጫማ፣ ለከፍተኛ ከፍታ ብቃት የላሚናር-ፍሰት ፕሮፔለር ንድፍ)፡ NASA Dryden Flight Research Center, "Helios Prototype: The forerunner of 21st century solar-powered 'atmospheric satellites'," FS-2002-08-068 DFRC።
- የላሚናር መለያየት አረፋ አሰራር (ከሽግግር በፊት የላሚናር መለያየት፣ የነፃ-ሺር-ንብርብር ሽግግር፣ የተርቡለንት መልሶ ማያያዝ፣ በዝቅተኛ የሬይኖልድስ ቁጥሮች ላይ ለሚቀንሰው የሊፍት-እና-ድራግ ጥምርታ ዋና ምክንያት የሆነው የግፊት ድራግ)፣ የገጽታ ዘይት-ፍሰት እይታ ዘዴ፣ እና የዝቅተኛ-ሬይኖልድስ-ቁጥር የሙከራ ክፍል የፍሰት-ጥራት ደረጃዎች (የተርቡለንስ ጥንካሬ ከ0.1% በታች፣ የፍሰት አንግል በ±0.1° ውስጥ፣ የዳይናሚክ ግፊት ወጥነት በ±0.5% ውስጥ)፡ Selig, M.S., Deters, R.W., Williamson, G.A., "Wind Tunnel Testing Airfoils at Low Reynolds Numbers," AIAA 2011-875, 49th AIAA Aerospace Sciences Meeting, 2011, በUniversity of Illinois at Urbana-Champaign ዝቅተኛ-ተርቡለንስ ባለው የንዑስ-ሶኒክ የንፋስ ቱናል ውስጥ ከ40,000 እስከ 500,000 ባሉ የሬይኖልድስ ቁጥሮች ላይ የተሞከረ፣ እና ከNASA Langley Low-Turbulence Pressure Tunnel መረጃ ጋር የተረጋገጠ።
- በዝቅተኛ የሬይኖልድስ ቁጥር በትላልቅ መታጠፊያዎች ላይ በከፍተኛ ሁኔታ በጨመረ ድራግ የቀነሰ የፍላፕ እና የመቆጣጠሪያ-ገጽ ውጤታማነት፡ ተመሳሳይ ምንጭ፣ በAG455ct አየር ፎይል ላይ 30%-ኮርድ ፍላፕ ባለው ላይ የተገኙ ውጤቶች።
- በ10⁴–10⁶ የሬይኖልድስ ቁጥር ክልል ውስጥ የሚሰሩ የHALE ፕሮፔለር እና የክንፍ ክፍሎች፣ እና ከፍተኛ-ከፍታ አውሮፕላኖች እና ፕሮፔለሮች ለዝቅተኛ-ሬይኖልድስ-ቁጥር አየር ዳይናሚክስ የትግበራ መስክ መሆናቸው፣ ከላይ በSelig, Deters እና Williamson ከተጠቀሰው የዝቅተኛ-ሬይኖልድስ-ቁጥር አየር ዳይናሚክስ ስነ-ጽሁፍ ጋር በሰፊው ይጣጣማል።
- የሞዴል-መጠን እና የሙከራ-ሁኔታ መመሪያ (ከበረራ ፍጥነት ይልቅ የበረራ ሬይኖልድስ ቁጥርን ማዛመድ) የTunnelTech የምህንድስና አሰራር ሲሆን፣ ለUAV ሙከራ የንፋስ ቱናልን ስለመመጠን ካሳተምነው ጽሑፍ ጋር የሚስማማ ነው።