የምርምር የንፋስ ቱናል ዓይነቶች በማክ ቁጥር

አንድ የአይሮዳይናሚክስ ባለሙያን ምን ዓይነት የንፋስ ቱናል (wind tunnel) እንደሚፈልጉ ቢጠይቁ፣ የሚመልስልዎት የመጀመሪያ ጥያቄ ስለ በጀትዎ ወይም ስለ ሕንፃዎ አይሆንም። ጥያቄው፡- የማክ ቁጥሩ (Mach number) ስንት ነው? የሚል ይሆናል።

ሌላው ነገር ሁሉ ከዚህ ከአንድ መልስ የሚከተል ነው — ኖዝሉ (nozzle)፣ የሙከራ ክፍል (test section) ግድግዳዎች፣ የአሽከርካሪ ስርዓቱ፣ የሩጫው ቆይታ፣ መለኪያ መሳሪያዎች (ኢንስትሩመንቴሽን)፣ እና የወጪው መጠን። ይህ ጽሑፍ የፍጥነት ስፔክትረምን የሚዳስስ ሲሆን በእያንዳንዱ ደረጃ ላይ በአካላዊ ሁኔታ ምን እንደሚቀየር ያብራራል።

1. ስድስቱ እርከኖች

እርከን	የማክ (Mach) ክልል	ምን ይገልጸዋል
ዝቅተኛ-ፍጥነት	M < 0.3	አየር እንደማይታመቅ (incompressible) ይቆጠራል
ከፍተኛ-ከድምፅ-በታች	0.3 ≤ M < 0.8	የአየር መታመቅ (compressibility) ተጽዕኖ ማምጣት ይጀምራል
ትራንሶኒክ	0.8 ≤ M < 1.2	በአንድ ሞዴል ላይ ከድምፅ-በታች እና ከድምፅ-በላይ የሆነ የተቀላቀለ ፍሰት
ሱፐርሶኒክ	1.2 ≤ M < 5.0	ፍሰት በኮንቨርጀንት-ዳይቨርጀንት ኖዝል በኩል ይፋጠናል
ሃይፐርሶኒክ	5.0 ≤ M < 15.0	የሙቀት ተጽዕኖዎች ያመዝናሉ፤ የከፍተኛ-ኢንታልፒ ቴክኒኮች ያስፈልጋሉ
ሃይፐርቬሎሲቲ	M > 15.0	ሪ-ኤንትሪ፣ የጠፈር እና የላቀ የመከላከያ ምርምር

2. ዝቅተኛ ፍጥነት፡ አብዛኛው የምህንድስና ስራ በተግባር የሚከናወንበት

ከማክ 0.3 በታች፣ የዴንሲቲ (density) ለውጦች ችላ ሊባሉ የሚችሉ ያህል አነስተኛ ስለሆኑ ስሌቱ ቀላል ሆኖ ይቆያል። ይህ እርከን ለአውቶሞቲቭ አይሮዳይናሚክስ፣ ለሲቪል እና ስትራክቸራል ስራዎች፣ ለድሮን (UAV) ልማት እንዲሁም ለአውሮፕላን መነሳት እና ማረፍ ጥናቶች የሚያገለግል ነው።

በተጨማሪም የምህንድስና ጥረቱ ከፍጥነት ይልቅ በጥራት ላይ የሚያተኩርበት ነው፡ የተርቡለንስ ጥንካሬ፣ የፍሰት ወጥነት፣ የሙቀት መረጋጋት እና ተደጋጋሚነት። አንደኛ-ደረጃ የሆነ የዝቅተኛ-ፍጥነት ቱናል ማለት ቀስ የሚል የሱፐርሶኒክ ቱናል ማለት አይደለም —

ስለ ፍሰት ጥራት ባዘጋጀነው ጽሑፋችን

ላይ እንደተብራራው፣ የተለዩ የመለኪያ መስፈርቶች ያሉት የተለየ መሳሪያ ነው።

3. ከፍተኛ-ከድምፅ-በታች (High subsonic)፡ የአየር መታመቅ (compressibility) ይከሰታል

በማክ 0.3 እና 0.8 መካከል፣ የዴንሲቲ ልዩነቶች ጉልህ እየሆኑ ይመጣሉ እናም ውጤቶቹ በማክ ቁጥር እንዲሁም በሬይኖልድስ ቁጥር (Reynolds number) ላይ መመስረት ይጀምራሉ። ይህ እርከን የላቁ ከድምፅ-በታች ለሆኑ አውሮፕላኖች፣ የፕሮፐልሽን (propulsion) ጥናቶች እና የአየር መታመቅ ተጽዕኖዎች ይበልጥ አግባብነት ላላቸው የአይሮዳይናሚክስ ልማቶች የሚያገለግል ነው።

ሁለት ተግባራዊ ውጤቶች ይታያሉ፡ የአሽከርካሪ ኃይል (drive power) በከፍተኛ ሁኔታ ይጨምራል፣ እና በሞዴል ልኬት ላይ ማክን እና የሬይኖልድስ ቁጥርን ሁለቱንም ማጣጣም እውነተኛ የንድፍ ፈተና ይሆናል — ይህ ደግሞ የታመቀ (pressurised) እና ክራዮጀኒክ (cryogenic) የቱናል ጽንሰ-ሀሳቦች መነሻ ነው።

4. ትራንሶኒክ (Transonic)፡ አስቸጋሪው እርከን

በማክ 0.8 እና 1.2 መካከል፣ ከድምፅ-በታች እና ከድምፅ-በላይ የሆኑ ክልሎች በአንድ ሞዴል ላይ አብረው ይኖራሉ፣ ሾኮች (shocks) ይፈጠራሉ እንዲሁም ይንቀሳቀሳሉ፣ እና በሁኔታዎች ላይ የሚደረጉ አነስተኛ ለውጦች በሎዲንግ (loading) ላይ ትልቅ ለውጦችን ያመጣሉ። ይህ በትክክል ለማባዛት በጣም ፈታኝ የሆነው ሬጂም (regime) ነው፣ እና አብዛኛዎቹ የትራንስፖርት አውሮፕላኖች የሚበሩትም ልክ በዚህ ሬጂም ውስጥ ነው።

ለዚህ የተለመደው የምህንድስና መፍትሄ አየር-የሚገባበት የሙከራ ክፍል (ventilated test section) ነው — ክፍተት ያላቸው (slotted) ወይም የተበሱ ግድግዳዎች — ይህ ፍሰቱ ራሱን ነጻ እንዲያወጣ የሚያደርግ ሲሆን መረጃውን ዋጋ-ቢስ ሊያደርጉ የሚችሉትን የቾኪንግ (choking) እና የግድግዳ-ጣልቃ-ገብነት ተጽዕኖዎችን ይቆጣጠራል። የትራንሶኒክ ፋሲሊቲዎች እስካሁን ከተገነቡት ከድምፅ-በታች-አጎራባች ቱናሎች ውስጥ በጣም ውስብስብ የሆኑት ናቸው፣ እና የእነሱ መለኪያ መሳሪያዎች (ኢንስትሩመንቴሽን) እና የማስተካከያ ዘዴ ልክ እንደ አይሮዳይናሚክሳቸው እኩል አስፈላጊ ናቸው።

5. ሱፐርሶኒክ (Supersonic)፡ ኖዝሉ ስራውን ይሰራል

ከማክ 1.2 በላይ፣ ፍሰቱ በኮንቨርጀንት-ዳይቨርጀንት (de Laval) ኖዝል ይፋጠናል፡ ጉሮሮው በማክ 1 ላይ ቾክ (choke) ያደርጋል እና ዳይቨርጅ የሚያደርገው ክፍል ፍሰቱን ወደተፈለገው የማክ ቁጥር ያፋጥነዋል። እያንዳንዱ የማክ ቁጥር ከአንድ የኖዝል ጂኦሜትሪ ጋር ይዛመዳል፣ ስለዚህ ፋሲሊቲዎች ሊለዋወጡ የሚችሉ የኖዝል ብሎኮችን ወይም ተጣጣፊ-ግድግዳ (flexible-wall) ኖዝልን ይጠቀማሉ።

ሁለት የአሰራር እውነታዎች የሱፐርሶኒክ ቱናሎችን ከእነሱ በታች ካሉት ሁሉ ይለያሉ፡

አየር ደረቅ መሆን አለበት። መስፋፋት (Expansion) ፍሰቱን በከፍተኛ ሁኔታ ያቀዘቅዘዋል፤ ማንኛውም እርጥበት ወደ ፈሳሽነት ከተቀየረ ሙከራውን ያበላሸዋል። የአየር ማድረቂያዎች እና ማከማቻዎች የፋሲሊቲው አካል እንጂ ተጨማሪ መለዋወጫዎች አይደሉም።
የሩጫ ጊዜ (Run time) የተገደበ ይሆናል። ብዙ የሱፐርሶኒክ ቱናሎች የብሎውዳውን (blowdown) ፋሲሊቲዎች ናቸው፡ አየር በግፊት ተከማችቶ በአንድ ጊዜ ለሰከንዶች ይለቀቃል። ንድፉ ከቋሚ-ሁኔታ ኃይል (steady-state power) ወደ ተከማቸ ኃይል፣ የቫልቭ ቁጥጥር እና ፈጣን የመረጃ አሰባሰብ (data acquisition) ይሸጋገራል።

6. ሃይፐርሶኒክ እና ሃይፐርቬሎሲቲ፡ ቴርሞዳይናሚክስ ቦታውን ይይዛል

ከማክ 5 በላይ፣ ዋነኛው ፊዚክስ ከእንግዲህ ግፊት አይደለም — ሙቀት ነው። የሙከራ ሚዲየሙ ወደ ፈሳሽነት እንዳይቀየር ከመስፋፋቱ በፊት አብዛኛውን ጊዜ በከፍተኛ ሁኔታ መሞቅ አለበት፣ ይህ ደግሞ እንደ አርክ-ጄት (arc-jet) እና ፒስተን-ድሪቨን (piston-driven) ፋሲሊቲዎች ወዳሉ የከፍተኛ-ኢንታልፒ (high-enthalpy) ጽንሰ-ሀሳቦች ይመራል። የሙከራ ጊዜያት ከሰከንዶች ወደ ሚሊሰከንዶች ያጥራሉ፣ እና የመለኪያ መሳሪያዎች (ኢንስትሩመንቴሽን) ችግር ልክ እንደ ፍሰት ማመንጨት ችግር ከባድ ይሆናል።

ከማክ 15 በላይ — የሃይፐርቬሎሲቲ ክልል — ፋሲሊቲዎች ከሪ-ኤንትሪ (re-entry)፣ የጠፈር መዳረሻ እና የላቁ የመከላከያ አፕሊኬሽኖች ጋር ተያያዥነት ባላቸው እጅግ በጣም አስቸጋሪ የአይሮዳይናሚክስ እና የሙቀት አካባቢዎች ውስጥ ከፍተኛ ልዩ ለሆኑ ምርምሮች ያገለግላሉ።

ለገዢ፣ አስፈላጊው መዋቅራዊ እውነታ ወጪ እና ውስብስብነት ከማክ ቁጥር ጋር በቀጥታ (linearly) አያድጉም። በደረጃ (step) ነው የሚያድጉት። እያንዳንዱ የእርከን ለውጥ አዲስ የሃርድዌር ክፍል፣ አዲስ የአሰራር ሞዴል እና አዲስ የደህንነት ጉዳይ ያመጣል።

7. አላስፈላጊ ወጪ ሳያወጡ (over-buying) እንዴት መምረጥ ይቻላል

ሊያስቡት ከሚችሉት ከፍተኛ ቁጥር ሳይሆን፣ ማባዛት (reproduce) ካለብዎት የበረራ ሁኔታ ይጀምሩ። 95% ዕድሜውን በማክ 0.2 የሚያሳልፍ ፋሲሊቲ የትራንሶኒክ ክፍል አያስፈልገውም።

ምን መጣጣም እንዳለበት ይጠይቁ። ማክ ብቻ፣ ማክ እና ሬይኖልድስ፣ ወይም ማክ፣ ሬይኖልድስ እና ኢንታልፒ — እያንዳንዱ ተጨማሪ መስፈርት የፋሲሊቲውን ደረጃ ይቀይረዋል።

ቀጣይነት ያለው (continuous) ወይስ ብሎውዳውን (blowdown) የሚለውን ቀድመው ይወስኑ። ይህ የኤሌክትሪክ መሠረተ ልማትን፣ የኮምፕሬሰር እና የማከማቻ ፕላንትን፣ የሕንፃውን መጠን እና በአንድ ሩጫ ያለውን የሥራ ማስኬጃ ወጪ ይወስናል።

መለኪያ መሳሪያዎችን (ኢንስትሩመንቴሽን) ከፍሰቱ ጋር አብረው ያቅዱ። የአጭር-ጊዜ ፋሲሊቲዎች ጥራት የሚለካው በመረጃ አሰባሰባቸው (data acquisition) ልክ ነው።

በደረጃ ማከናወንን (staging) ያስቡበት። ብዙ ተቋማት በመጀመሪያ እጅግ በጣም ጥሩ የሆነ የዝቅተኛ-ፍጥነት ወይም ከድምፅ-በታች ፋሲሊቲ ይገነባሉ፣ ከዚያም የምርምር ፕሮግራሙ እና የገንዘብ ድጋፉ ከተረጋገጠ በኋላ ልዩ የሆነ የከፍተኛ-ፍጥነት አቅምን ይጨምራሉ።

8. የምርምር ፋሲሊቲን ወሰን መወሰን (Scoping)

ከዝቅተኛ-ፍጥነት የላቦራቶሪ ፋሲሊቲዎች እስከ የላቁ የትራንሶኒክ፣ ሱፐርሶኒክ እና ሃይፐርሶኒክ የሙከራ መሠረተ ልማቶች ድረስ፣ እያንዳንዱን ስርዓት በሚፈለገው የማክ ክልል፣ የፍሰት ጥራት፣ መለኪያ መሳሪያዎች (ኢንስትሩመንቴሽን) እና የተልዕኮ ፕሮፋይል ዙሪያ በመንደፍ በሙሉ የአይሮዳይናሚክስ የፍጥነት ስፔክትረም ላይ የምርምር የንፋስ ቱናል መፍትሄዎችን እናለማለን።

የወሰን መወሰን (scoping) ውይይቱ አጭር ነው፡ ምን መሞከር አለበት፣ በስንት ማክ እና ሬይኖልድስ ቁጥር፣ በአንድ ሩጫ ለምን ያህል ጊዜ፣ በምን ዓይነት መለኪያዎች፣ በየትኛው ሕንፃ ውስጥ። ተዛማጅ ንባብ፡

የንፋስ ቱናል ዓይነቶች ንጽጽር

እና

ብጁ የቱናል ፕሮጀክት እንዴት እንደሚቀርብ

።

የታለሙትን ሁኔታዎች ይላኩልን እና እኛም ጽንሰ-ሀሳብ እና ተጨባጭ የሆነ የወጪ ደረጃ እንመልስልዎታለን።

ምንጮች እና ማስታወሻዎች

የማክ እርከን ትርጓሜዎች እና የእያንዳንዱ ሬጂም መግለጫ — ዝቅተኛ-ፍጥነት (M < 0.3)፣ ከፍተኛ-ከድምፅ-በታች (0.3 ≤ M < 0.8)፣ ትራንሶኒክ (0.8 ≤ M < 1.2)፣ ሱፐርሶኒክ (1.2 ≤ M < 5.0)፣ ሃይፐርሶኒክ (5.0 ≤ M < 15.0)፣ ሃይፐርቬሎሲቲ (M > 15.0)፣ አየር-የሚገባባቸው እና ክፍተት ያላቸው (slotted) የትራንሶኒክ ግድግዳዎችን፣ ኮንቨርጀንት-ዳይቨርጀንት ኖዝሎችን እና የአርክ-ጄት ወይም ፒስተን-ድሪቨን የከፍተኛ-ኢንታልፒ ጽንሰ-ሀሳቦችን ጨምሮ — በባለሀብት እና አቅም መግለጫ ጽሑፎቻችን ላይ እንደታተመው የTunnelTech የምርምር የንፋስ ቱናል ፖርትፎሊዮ ትርጓሜዎችን ይከተላሉ።
ተግባራዊ የአሰራር ማስታወሻዎች (አየር ማድረቅ፣ ብሎውዳውን ከቀጣይነት ያለው አሰራር አንጻር፣ የአጭር-ጊዜ መለኪያ መሳሪያዎች) መደበኛ የከፍተኛ-ፍጥነት ፋሲሊቲ አሰራሮች ናቸው።
ምንም የተለየ የፋሲሊቲ አፈጻጸም አሃዞች አልተጠቀሱም፤ እያንዳንዱ ፕሮጀክት ለሚፈለገው የማክ ክልል እና የተልዕኮ ፕሮፋይል ተነድፎ የተሰራ ነው።