Μηχανική μιας Κεκλιμένης Αεροσήραγγας: Σχεδιασμός Ροής Αέρα στις 30°–45°
Πώς λειτουργεί μια κεκλιμένη αεροσήραγγα: ανάλυση ροής, μήκος ζώνης εργασίας, πτερύγια καθοδήγησης σε μη τυποποιημένες γωνίες, συστήματα ασφαλείας και τι καθορίζει το κόστος.
Για τριάντα χρόνια, η εσωτερική πτήση σήμαινε ένα πράγμα: μια κατακόρυφη στήλη αέρα που συγκρατεί ένα σώμα ενάντια στη βαρύτητα. Μπορούσες να πέφτεις όμορφα, αλλά δεν μπορούσες να πας πουθενά.
Η κεκλιμένη αεροσήραγγα το αλλάζει αυτό. Δώστε κλίση στη ροή, και το ίδιο αεροδυναμικό τέχνασμα που υποστηρίζει ένα σώμα σε ελεύθερη πτώση αναπαράγει επίσης την εμπρόσθια ολίσθηση — που είναι και το όλο νόημα μιας στολής wingsuit. Αποτελεί τον νεότερο κλάδο της βιομηχανίας, υπάρχουν μόνο ελάχιστες εγκαταστάσεις παγκοσμίως, και τα περισσότερα μηχανολογικά ερωτήματα παραμένουν πραγματικά ανοιχτά.
Αυτό το άρθρο αφορά ακριβώς αυτά τα ερωτήματα.
1. Η φυσική: ένα διάνυσμα, δύο λειτουργίες
Σε μια κατακόρυφη αεροσήραγγα, η οπισθέλκουσα εξισορροπεί το βάρος και η οριζόντια ταχύτητα του ατόμου που πετάει είναι μηδέν. Δώστε κλίση στη ροή υπό γωνία και αυτή αναλύεται σε δύο συνιστώσες που επιτελούν διαφορετικό έργο:
- η κατακόρυφη συνιστώσα εξακολουθεί να φέρει το βάρος του ατόμου, ακριβώς όπως πριν·
- η οριζόντια συνιστώσα παρέχει τον σχετικό άνεμο της εμπρόσθιας πτήσης, ώστε ένας πιλότος wingsuit να μπορεί να διατηρήσει την ολίσθηση αντί απλώς να πέφτει.
Η απαιτούμενη κλίση δεν είναι αυθαίρετη — προκύπτει από την απόδοση ολίσθησης της στολής wingsuit. Μια στολή που πετάει με λόγο ολίσθησης περίπου 2:1 έως 3:1 χρειάζεται μια κλίση ροής συνεπή με αυτόν τον λόγο, ώστε το άτομο να βρίσκεται σε μια σταθερή, φυσική στάση σώματος. Αυτό σημαίνει ότι μια κεκλιμένη αεροσήραγγα δεν είναι απλώς "μια κατακόρυφη αεροσήραγγα σε πλαγιά": η γωνία είναι μια σχεδιαστική παράμετρος συνδεδεμένη με το άθλημα που εξυπηρετεί, και οι σχεδιασμοί ρυθμιζόμενης γωνίας υπάρχουν ακριβώς επειδή διαφορετικές στολές και επίπεδα δεξιοτήτων απαιτούν διαφορετικές συνθήκες.
Ενδεικτικά, η πρώτη κεκλιμένη εγκατάσταση στον κόσμο — το Indoor Wingsuit Stockholm της Inclined Labs στην Bromma — λειτουργεί έναν θάλαμο πτήσης πλάτους 16,5 ft και μήκους 33 ft, με τους συμμετέχοντες να πετούν συνήθως στα 90–130 km/h, και με ρυθμιζόμενη τόσο την ταχύτητα όσο και την κλίση. Η πρώτη εσωτερική πτήση wingsuit εκεί πραγματοποιήθηκε τον Απρίλιο του 2016 σε έναν θάλαμο-πρότυπο πλήρους κλίμακας, και η εγκατάσταση άνοιξε για τους πελάτες τον Σεπτέμβριο του 2017.
2. Γιατί είναι πιο δύσκολο από μια κατακόρυφη αεροσήραγγα
Η ζώνη εργασίας πρέπει να έχει μεγάλο μήκος. Μια ολίσθηση χρειάζεται χώρο κατά μήκος της διαδρομής πτήσης, όχι μόνο πάνω από το άτομο. Αυτή η μοναδική απαίτηση καθορίζει το κτίριο: ο θάλαμος γίνεται ένας μακρύς κεκλιμένος όγκος αντί για μια συμπαγής στήλη, και κάθε μέτρο του πρέπει να διατηρεί την ποιότητα της ροής.
Τα οριακά στρώματα των τοιχωμάτων αναπτύσσονται κατά μήκος αυτής της απόστασης. Σε έναν μακρύ όγκο δοκιμών, η ενεργή περιοχή ροής συρρικνώνεται καθώς τα οριακά στρώματα παχαίνουν, και η ελεύθερη ροή επιταχύνεται εάν ο αγωγός είναι πρισματικός. Η επίτευξη ομοιόμορφης ταχύτητας από την είσοδο έως την έξοδο συνήθως σημαίνει σκόπιμη διαμόρφωση της διατομής κατά μήκος της ζώνης εργασίας.
Τα πτερύγια καθοδήγησης λειτουργούν σε γωνίες για τις οποίες δεν είχαν ποτέ υπολογιστεί. Τα κυκλώματα των κατακόρυφων αεροσήραγγων κατασκευάζονται από καλά μελετημένες γωνίες 90° με πτερύγια καθοδήγησης σε διάταξη πλέγματος, των οποίων οι συντελεστές απωλειών είναι γνωστοί. Δώστε κλίση στο κύκλωμα και οι γωνίες αλλάζουν, η ροή φτάνει στο πλέγμα διαφορετικά, και η χορδή, η απόσταση και η καμπυλότητα των πτερυγίων πρέπει να υπολογιστούν εκ νέου αντί να αντιγραφούν. Αν γίνει λάθος, το πληρώνετε διπλά: σε απώλεια πίεσης, άρα σε ισχύ ανεμιστήρα για πάντα, και σε ανομοιομορφία ροής που το άτομο που πετάει αισθάνεται άμεσα.
Τα συστήματα ασφαλείας υπάρχουν σε περισσότερα από ένα επίπεδα. Σε μια κατακόρυφη αεροσήραγγα, το δίχτυ ασφαλείας βρίσκεται από κάτω και η περίπτωση αστοχίας του ατόμου είναι μια ελεγχόμενη προσγείωση. Σε έναν κεκλιμένο θάλαμο, ένα άτομο που χάνει την άντωση κινείται κατά μήκος της κλίσης καθώς και προς τα κάτω — επομένως τα συστήματα συγκράτησης, τα δίχτυα και η πρόσβαση πρέπει να επιλυθούν και στα δύο άκρα της ζώνης εργασίας και κατά μήκος της.
Η είσοδος και η έξοδος είναι ένα σχεδιαστικό πρόβλημα, όχι απλώς μια πόρτα. Η εισαγωγή ενός πιλότου με εξοπλισμό wingsuit σε μια κινούμενη κεκλιμένη ροή, και η έξοδός του, χωρίς να σταματά η αεροσήραγγα για κάθε άτομο, καθορίζει την εμπορική απόδοση ολόκληρης της εγκατάστασης.
3. Οι αποφάσεις που διαμορφώνουν το έργο
- Σταθερή ή ρυθμιζόμενη κλίση. Η ρυθμιζόμενη γεωμετρία διευρύνει την απευθυνόμενη αγορά — διαφορετικές στολές, συνθήκες για αρχάριους και ειδικούς, αθλήματα εκτός wingsuit — και προσθέτει μηχανική πολυπλοκότητα, προκλήσεις στεγανοποίησης και κόστος.
- Διατομή του θαλάμου. Καθορίζει το μέγιστο άνοιγμα φτερών κατά την πτήση, τον αριθμό των ταυτόχρονων ατόμων, και επηρεάζει άμεσα την ισχύ του ανεμιστήρα.
- Εύρος ταχύτητας και σταθερότητα. Το ελεγχόμενο εύρος έχει μεγαλύτερη σημασία από τον μέγιστο αριθμό: το coaching γίνεται στο χαμηλότερο άκρο, και οι βαθμιδωτές αλλαγές πρέπει να είναι ομαλές.
- Αρχιτεκτονική κυκλώματος. Κλειστό κύκλωμα για έλεγχο ενέργειας και θερμοκρασίας, με όλα τα παραπάνω ζητήματα για τα πτερύγια καθοδήγησης· το ανοικτό κύκλωμα είναι πιο απλό και σπάνια οικονομικό σε αυτές τις ώρες λειτουργίας.
- Σύστημα ψύξης. Η ενέργεια του ανεμιστήρα μετατρέπεται σε θερμότητα στον αέρα. Οι στρατηγικές είναι οι ίδιες όπως και αλλού — παθητικός εξαερισμός όπου το επιτρέπει το κλίμα, ενεργή ανταλλαγή θερμότητας όπου δεν το επιτρέπει — και οι συμβιβασμοί βρίσκονται στο
.
- Οργανολογία για coaching. Η κάλυψη με κάμερες, η τηλεμετρία και η ανασκόπηση βίντεο δεν είναι προαιρετικά εδώ: σε ένα τόσο νέο άθλημα, το προϊόν της εκπαίδευσης αποτελεί μεγάλο μέρος των εσόδων.
4. Πώς επηρεάζει το κτίριο
Μια κεκλιμένη αεροσήραγγα είναι η πιο απαιτητική από τις τρεις αρχιτεκτονικές όσον αφορά τη χωροθέτηση, επειδή χρειάζεται τόσο μήκος όσο και ύψος — το δομικό βάθος μιας κατακόρυφης αεροσήραγγας σε συνδυασμό με το αποτύπωμα μιας οριζόντιας αεροσήραγγας. Ακολουθούν δύο συνέπειες.
Πρώτον, η επιλογή της τοποθεσίας προηγείται του σχεδιασμού . Το ύψος της οροφής, το άνοιγμα, η φέρουσα ικανότητα της θεμελίωσης και η διαθέσιμη ηλεκτρική ισχύς περιορίζουν τον εφικτό θάλαμο πριν ξεκινήσει οποιαδήποτε αεροδυναμική εργασία.
Δεύτερον, τα υφιστάμενα βιομηχανικά κτίρια αποτελούν μια πραγματική επιλογή . Η εγκατάσταση της Στοκχόλμης στεγάζεται σε μια κατασκευή στην Bromma που χτίστηκε αρχικά για έρευνα στρατιωτικής αεροπορίας τις δεκαετίες 1930-1940 — μια υπενθύμιση ότι οι μεγάλες παλιές αίθουσες με γενναιόδωρο ύψος και βαριά δάπεδα είναι ακριβώς το απόθεμα που μπορεί να επαναχρησιμοποιήσει αυτή η βιομηχανία. Η οδός του retrofit έχει τους δικούς της συμβιβασμούς, τους οποίους καλύπτουμε στο
[Article not found: modernizing-old-wind-tunnels-retrofit-vs-new-build].
5. Πού εντοπίζεται πραγματικά το κόστος
Σε γενικές γραμμές, οι παράγοντες κόστους είναι οι ίδιοι με αυτούς μιας μεγάλης κατακόρυφης αεροσήραγγας — ισχύς κίνησης, αγωγοί, δομή, συστήματα ασφαλείας — με δύο προσθήκες ειδικές για την κεκλιμένη περίπτωση: τη μεγαλύτερη ζώνη εργασίας (περισσότεροι αγωγοί, περισσότερη δομή, μεγαλύτερη επιφάνεια για διατήρηση της ομοιομορφίας) και τη μηχανική των πτερυγίων και της γεωμετρίας που δεν μπορεί να κληρονομηθεί από μια υπάρχουσα σειρά προϊόντων.
Τι σημαίνει αυτό εμπορικά: οι κεκλιμένες αεροσήραγγες επιβραβεύουν την εξατομικευμένη μηχανική και τιμωρούν τη λογική του καταλόγου. Δεν υπάρχει τυποποιημένο μοντέλο για κλιμάκωση προς τα πάνω ή προς τα κάτω, επειδή δεν υπάρχει ακόμη πρότυπο. Αυτό αποτελεί ρίσκο για έναν αγοραστή που θέλει μια σταθερή τιμή από την πρώτη μέρα, και πλεονέκτημα για κάποιον που θέλει μια εγκατάσταση διαφοροποιημένη από κάθε άλλη ατραξιόν στην αγορά.
Για το πού τοποθετείται μια κεκλιμένη εγκατάσταση σε σχέση με τις άλλες αρχιτεκτονικές, δείτε το
[Article not found: horizontal-vertical-inclined-wind-tunnels-comparison]μας.
6. Τι ρωτάμε πριν δώσουμε προσφορά
Πέντε δεδομένα καθορίζουν το concept: το διαθέσιμο κέλυφος του κτιρίου, το προφίλ του κοινού-στόχου (αρχάριοι, αθλητικοί πιλότοι wingsuit, επαγγελματική ή στρατιωτική εκπαίδευση), εάν η κλίση πρέπει να είναι ρυθμιζόμενη, ο αριθμός των ταυτόχρονων ατόμων, και η στοχευόμενη ημερήσια απόδοση. Όλα τα υπόλοιπα — ισχύς, διαστάσεις του θαλάμου πτήσης, σχεδιασμός πτερυγίων καθοδήγησης, στρατηγική συστήματος ψύξης — προκύπτουν από αυτά.
Σχεδιάζουμε, κατασκευάζουμε, εγκαθιστούμε και θέτουμε σε λειτουργία (commissioning) εξατομικευμένα συστήματα αεροσήραγγας, συμπεριλαμβανομένων των κεκλιμένων διαμορφώσεων, με αποκλειστική ευθύνη από τον αρχικό σχεδιασμό (concept) έως την παράδοση. Στείλτε μας το κτίριό σας και το προφίλ των πελατών σας και θα επανέλθουμε με μια εννοιολογική διάταξη και μια εκτίμηση ισχύος. Σχετική ανάγνωση: τα άρθρα μας σχετικά με τα
[Article not found: inclined-wind-tunnel-building-requirements]και
[Article not found: indoor-wingsuit-facility-economics].
Πηγές και σημειώσεις
- Δεδομένα εγκατάστασης αναφοράς — θάλαμος πλάτους 16,5 ft × μήκους 33 ft, τυπικές ταχύτητες πτήσης 90–130 km/h, ρυθμιζόμενη ταχύτητα και κλίση, πρώτη εσωτερική πτήση wingsuit τον Απρίλιο του 2016, άνοιγμα για τους πελάτες τον Σεπτέμβριο του 2017, κτίριο στην Bromma που κατασκευάστηκε αρχικά για Έρευνα & Ανάπτυξη (R&D) στρατιωτικής αεροπορίας τις δεκαετίες 1930-1940: Indoor Wingsuit Flying Stockholm, Indoor Skydiving Source, Indoor Wingsuit Flying Just Became a Reality, Inclined Labs.
- Οι λόγοι ολίσθησης wingsuit περίπου 2:1 έως 3:1 αποτελούν το συνήθως αναφερόμενο εύρος απόδοσης για τις σύγχρονες στολές και ποικίλλουν ευρέως ανάλογα με τη στολή, τον πιλότο και την τεχνική· θεωρήστε τα ως ενδεικτικά, όχι ως προδιαγραφή σχεδιασμού.
- Η μηχανολογική συζήτηση (μήκος ζώνης εργασίας, ανάπτυξη οριακού στρώματος, επανασχεδιασμός πτερυγίων καθοδήγησης σε μη τυποποιημένες γωνίες, συστήματα ασφαλείας πολλαπλών επιπέδων) αποτελεί μηχανολογική πρακτική της TunnelTech.
- Παλαιότερα εσωτερικά προσχέδια ανέφεραν μια οριζόντια συνιστώσα 100–160 km/h και μήκη ζώνης εργασίας 8–15 m. Η δημοσιευμένη εγκατάσταση αναφοράς λειτουργεί στα 90–130 km/h σε έναν θάλαμο 10 m· χρησιμοποιήστε τα επαληθευμένα στοιχεία.