Aerodinámica HALE a gran altitud: bajos números de Reynolds y aire poco denso

Una aeronave HALE puede tener una envergadura mayor que la de un Boeing 747 y, aun así, volar en un régimen aerodinámico más cercano al de un planeador de aeromodelismo de gran tamaño que al de un avión comercial. El motivo es la altitud, no el tamaño: la densidad del aire a 20 km es muy inferior a una décima parte de la que hay a nivel del mar, y el número de Reynolds escala directamente con la densidad. Un ala grande, lenta y delgada en el límite de la estratosfera acaba sometida a la misma física de bajos números de Reynolds que un ala pequeña a nivel del mar; simplemente ha llegado allí por una vía completamente distinta.

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1. La aeronave que materializa este concepto

El prototipo Helios de la NASA, desarrollado por AeroVironment en el marco del programa ERAST de la NASA, es el ejemplo registrado más claro. Sus especificaciones oficiales: una envergadura de 247 ft (75,3 m) , una cuerda de 8 ft , un alargamiento de 30,9 a 1 , un ala con un espesor de solo el 12 % de la cuerda y una carga alar máxima de apenas 0,81 lb/sq ft . La velocidad de crucero a baja altitud era de 19 a 27 mph , la velocidad de una bicicleta. El 13 de agosto de 2001 alcanzó una altitud de 96 863 ft , un récord mundial de vuelo horizontal sostenido para una aeronave alada, con un objetivo de diseño de operar hasta los 100 000 ft.

Cada una de esas cifras (el enorme alargamiento, el ala fina como el papel, la carga alar casi nula, el crucero a velocidad de bicicleta) es una consecuencia directa de diseñar para una altitud extrema en lugar de para una velocidad extrema. Incluso las hélices del Helios se fabricaron a medida: unidades de dos palas, cuerda ancha y 79 pulgadas de diámetro con un diseño de flujo laminar específico para lograr eficiencia a gran altitud .

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2. Qué le ocurre realmente a un perfil aerodinámico con un número de Reynolds bajo

Con los números de Reynolds típicos de las secciones de las alas y hélices HALE (comúnmente citados en el rango de 10⁴ a 10⁶ ), la capa límite se comporta de forma fundamentalmente distinta al flujo de alto Re sobre el que se basa la mayor parte de la intuición sobre perfiles aerodinámicos. Los ensayos documentados en túnel de viento a bajos números de Reynolds muestran el mecanismo con claridad: el flujo laminar se separa de la superficie bajo un gradiente de presión adverso antes de que pueda transicionar a flujo turbulento. La capa de cizalladura separada transiciona entonces en el aire y, si se vuelve a adherir aguas abajo, forma una burbuja de separación laminar (LSB) : una región de flujo recirculante y en gran medida estancado, delimitada por líneas de separación y readherencia que son directamente visibles mediante la visualización del flujo de aceite en la superficie.

La consecuencia no es sutil: la resistencia de presión generada sobre la burbuja de separación es la causa principal de la degradación de la relación sustentación-resistencia a bajos números de Reynolds, y puede aparecer o empeorar bruscamente a medida que el número de Reynolds desciende (exactamente la dirección hacia la que la altitud empuja a un diseño HALE).

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3. Por qué esto exige un tipo específico de túnel de viento

Dado que el comportamiento del perfil aerodinámico a bajos números de Reynolds está regido por la capa límite laminar, la intensidad de turbulencia de la sección de ensayo debe ser lo suficientemente baja como para no desencadenar por sí misma una transición temprana ; de lo contrario, el túnel de viento estará ensayando una capa límite diferente, inducida artificialmente, y no la que la aeronave experimentará en la realidad. La práctica documentada en instalaciones construidas específicamente para este régimen logra una intensidad de turbulencia inferior al 0,1 %, validada con anemometría de hilo caliente, junto con una uniformidad del ángulo de flujo de aproximadamente ±0,1° y una uniformidad de la presión dinámica de ±0,5 % en toda la sección de trabajo.

La implicación práctica para un programa HALE: el modelo debe dimensionarse y el túnel de viento debe operar a la velocidad que reproduzca el número de Reynolds de vuelo , no la velocidad de vuelo. Un modelo ensayado "demasiado rápido" para su tamaño se sitúa en un número de Reynolds superior al que la aeronave real experimentará jamás en altitud, y la burbuja de separación (la característica exacta que el ensayo pretende caracterizar) se desplaza o desaparece.

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4. Qué debe capturar una campaña de ensayos relevante para HALE

• Visualización del flujo superficial , no solo datos de fuerza. La visualización con flujo de aceite o equivalente muestra directamente las líneas de separación laminar, transición y readherencia que definen la burbuja (datos que una balanza por sí sola no puede proporcionar).
• Un barrido genuino a bajo número de Reynolds , ejecutado al número de Reynolds real equivalente a la altitud para el perfil de la misión, no extrapolado a partir de datos de alto Re.
• Resistencia medida mediante el estudio de la estela, no solo con balanza , ya que la resistencia de perfil a estos números de Reynolds es pequeña en relación con la sustentación y se resuelve mejor mediante métodos de déficit de cantidad de movimiento en la estela.
• Atención específica al comportamiento de los flaps y las superficies de control a bajo Re : las superficies de control desviadas muestran un aumento drástico de la resistencia y una reducción de la eficacia a bajos números de Reynolds en comparación con la misma geometría a un Re mayor, un resultado que no se extrapola de forma clara a partir de ensayos a mayor velocidad.

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5. Cinco errores que observamos

• Dimensionar el modelo por conveniencia en lugar de por el número de Reynolds objetivo. Un modelo construido a una escala "cómoda" puede acabar en un Re totalmente equivocado, ensayando un régimen de flujo distinto al que realmente importa.
• Operar el túnel de viento a una velocidad adecuada para la balanza en lugar de al número de Reynolds que requiere la misión. A bajo Re, la física (y no la comodidad de la instrumentación) debe establecer el punto de ensayo.
• Tratar la intensidad de turbulencia del túnel como un error de redondeo. En este régimen de Reynolds, una turbulencia apenas una fracción de porcentaje por encima de lo necesario puede provocar prematuramente la transición de la capa límite y borrar la burbuja de separación que el ensayo pretendía caracterizar.
• Omitir la visualización del flujo porque los datos de fuerza "parecen limpios". Una polar de aspecto limpio puede ocultar una burbuja de separación en el lugar equivocado; la visualización es la forma de descubrirlo.
• Extrapolar datos de superficies de control a partir de un ensayo con un número de Reynolds mayor. La eficacia de los flaps y del timón de profundidad a bajo Re no escala de la misma manera que en los números de Reynolds de las aeronaves convencionales.

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6. Qué significa esto para su programa

Indíquenos su altitud objetivo y el perfil de su misión , y dimensionaremos un modelo y estableceremos un número de Reynolds de ensayo que reproduzca el régimen de flujo real en el que volará su aeronave, no el que casualmente se adapte a una velocidad conveniente del túnel. Lecturas relacionadas: nuestro artículo principal sobre

Ensayos aerodinámicos de UAV de largo alcance

, y

Aeroelasticidad y respuesta a ráfagas en alas de gran alargamiento y gran autonomía

para la misma clase de aeronave.

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Fuentes y notas

• Especificaciones del prototipo Helios (envergadura de 247 ft, cuerda de 8 ft, alargamiento de 30,9:1, espesor del ala del 12 % de la cuerda, carga alar máxima de 0,81 lb/sq ft, velocidad de crucero de 19–27 mph, récord de altitud de 96 863 ft el 13 de agosto de 2001, objetivo de diseño de 100 000 ft, diseño de hélice de flujo laminar para lograr eficiencia a gran altitud): NASA Dryden Flight Research Center, "Helios Prototype: The forerunner of 21st century solar-powered 'atmospheric satellites'," FS-2002-08-068 DFRC.
• Mecanismo de la burbuja de separación laminar (separación laminar antes de la transición, transición de la capa de cizalladura libre, readherencia turbulenta, resistencia de presión como causa principal de la degradación de la relación sustentación-resistencia a bajos números de Reynolds), metodología de visualización del flujo de aceite en la superficie y estándares de calidad del flujo de la sección de ensayo a bajos números de Reynolds (intensidad de turbulencia inferior al 0,1 %, ángulo de flujo dentro de ±0,1°, uniformidad de la presión dinámica dentro de ±0,5 %): 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, ensayado en el túnel de viento subsónico de baja turbulencia de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign en números de Reynolds de 40 000 a 500 000, y validado con datos del túnel de presión de baja turbulencia de NASA Langley.
• Reducción de la eficacia de los flaps y las superficies de control con un aumento drástico de la resistencia en grandes deflexiones a bajo número de Reynolds: misma fuente, resultados en el perfil aerodinámico AG455ct con un flap del 30 % de la cuerda.
• Las secciones de alas y hélices HALE que operan en el rango de números de Reynolds de 10⁴–10⁶, y las aeronaves y hélices de gran altitud como área de aplicación para la aerodinámica de bajos números de Reynolds, concuerdan en gran medida con la bibliografía sobre aerodinámica de bajos números de Reynolds referenciada por Selig, Deters y Williamson anteriormente.
• Las directrices sobre el dimensionamiento del modelo y las condiciones de ensayo (igualar el número de Reynolds de vuelo en lugar de la velocidad de vuelo) son una práctica de ingeniería de TunnelTech, coherente con nuestro artículo publicado sobre el dimensionamiento de un túnel de viento para el ensayo de UAV.