Kõrgustes lendavate HALE-õhusõidukite aerodünaamika: väikesed Reynoldsi arvud ja hõre õhk

HALE-õhusõiduki tiivaulatus võib olla suurem kui Boeing 747-l, kuid see lendab siiski aerodünaamilises režiimis, mis sarnaneb pigem suure mudelpurilennuki kui reaktiivlennuki omaga. Põhjus peitub lennukõrguses, mitte suuruses: õhu tihedus 20 km kõrgusel on tunduvalt alla kümnendiku merepinna tasemest ning Reynoldsi arv on tihedusega otseses seoses. Suur, aeglane ja õhuke tiib stratosfääri piiril satub samasse väikese Reynoldsi arvu füüsikasse nagu väike tiib merepinnal – see on sinna jõudnud lihtsalt täiesti teist kaudu.

---

1. Õhusõiduk, mis teeb asja selgeks

NASA Heliose prototüüp, mille töötas välja AeroVironment NASA ERAST-programmi raames, on selle kõige ilmekam näide. Selle ametlikud tehnilised andmed: 247 ft (75,3 m) tiivaulatus , 8 ft kõõl , külgsuhe 30,9:1 , tiiva paksus vaid 12% kõõlust ja maksimaalne tiivakoormus kõigest 0,81 lb ruutjala kohta . Reisikiirus madalal kõrgusel oli 19 kuni 27 mph – jalgratta kiirus. 13. augustil 2001 saavutas see kõrguse 96 863 ft , mis on tiibadega õhusõidukite püsiva horisontaallennu maailmarekord, kusjuures projekteerimise eesmärk oli lennata kuni 100 000 ft kõrgusel.

Kõik need näitajad – tohutu külgsuhe, paberõhuke tiib, peaaegu olematu tiivakoormus, jalgrattakiirusel lendamine – on otsene tagajärg sellele, et lennuk on projekteeritud äärmuslike kõrguste, mitte äärmuslike kiiruste jaoks. Isegi Heliose propellerid olid eriotstarbelised: kahe labaga, laia kõõluga, 79-tollise läbimõõduga seadmed, mille laminaarse voolu disain oli loodud spetsiaalselt suurel kõrgusel saavutatava tõhususe jaoks .

---

2. Mis juhtub tiivaprofiiliga väikese Reynoldsi arvu korral

HALE-propellerite ja tiivaprofiilide tüüpiliste Reynoldsi arvude juures – mida sageli nimetatakse vahemikus 10⁴ kuni 10⁶ – käitub piirkiht põhimõtteliselt teisiti kui suure Reynoldsi arvuga voolu puhul, millele tugineb enamik tiivaprofiilide alaseid teadmisi. Dokumenteeritud väikese Reynoldsi arvuga tuuletunneli katsed näitavad seda mehhanismi selgelt: laminaarne vool eraldub pinnalt ebasoodsa rõhugradiendi all enne, kui see jõuab üle minna turbulentseks vooluks. Eraldunud nihkekiht läheb seejärel õhus üle turbulentseks ning kui see allavoolu uuesti kinnitub, moodustab see laminaarse eraldumismulli (LSB) – see on retsirkuleeriva, suures osas seisva voolu piirkond, mis on piiritletud eraldumis- ja taasühinemisjoontega, mis on pinna õlivoolu visualiseerimisel otseselt nähtavad.

Tagajärg ei ole märkamatu: eraldumismulli kohal tekkiv rõhutakistus on peamine põhjus, miks tõste- ja takistusjõu suhe väikeste Reynoldsi arvude juures halveneb, ning see võib tekkida või järsult süveneda Reynoldsi arvu langedes – just selles suunas, kuhu lennukõrgus HALE-disaini surub.

---

3. Miks see nõuab spetsiifilist tuuletunnelit

Kuna väikese Reynoldsi arvuga tiivaprofiili käitumist juhib laminaarne piirkiht, peab katseosa turbulentsi intensiivsus olema piisavalt madal, et see ei põhjustaks ise varajast üleminekut – vastasel juhul testib tunnel teistsugust, kunstlikult "häiritud" piirkihti kui see, mida õhusõiduk tegelikkuses kogeb. Dokumenteeritud praktika spetsiaalselt selle režiimi jaoks ehitatud rajatistes saavutab turbulentsi intensiivsuse alla 0,1%, mis on kinnitatud kuumtraatanemomeetriaga, koos voolunurga ühtlusega umbes ±0,1° ja dünaamilise rõhu ühtlusega ±0,5% piires kogu töösektsiooni ulatuses.

Praktiline tähendus HALE-programmi jaoks: mudel tuleb dimensioneerida ja tunnelit käitada kiirusel, mis taastoodab lennu Reynoldsi arvu , mitte lennukiirust. Oma suuruse kohta "liiga kiiresti" testitud mudel asub suurema Reynoldsi arvu juures, kui tegelik õhusõiduk kunagi kõrgustes kogeb, ning eraldumismull – just see nähtus, mida testiga soovitakse iseloomustada – nihkub või kaob.

---

4. Mida peab HALE-spetsiifiline testikampaania hõlmama

• Pinnavoolu visualiseerimine , mitte ainult jõuandmed. Õlivoolu või samaväärne visualiseerimine näitab otseselt laminaarse eraldumise, ülemineku ja taasühinemise jooni, mis defineerivad mulli – andmeid, mida ainuüksi kaalud ei suuda pakkuda.
• Tõeline väikese Reynoldsi arvu skaneerimine , mis viiakse läbi missiooniprofiili tegeliku kõrgusega samaväärse Reynoldsi arvu juures, mitte ei ekstrapoleerita suurema Re-arvuga andmetest.
• Takistuse mõõtmine järelvoolu uuringuga, mitte ainult kaaludega , kuna profiilitakistus on nende Reynoldsi arvude juures tõstejõuga võrreldes väike ja seda on parem lahendada järelvoolu impulsi defitsiidi meetoditega.
• Tähelepanu pööramine tagatiiva ja juhtpinna käitumisele spetsiifiliselt väikese Re-arvu juures – kallutatud juhtpinnad näitavad väikeste Reynoldsi arvude juures drastiliselt suurenenud takistust ja vähenenud efektiivsust võrreldes sama geomeetriaga suurema Re-arvu juures, mis on tulemus, mida ei saa puhtalt suurema kiirusega testidest ekstrapoleerida.

---

5. Viis viga, mida me näeme

• Mudeli dimensioneerimine mugavuse, mitte siht-Reynoldsi arvu järgi. "Kena" mõõtkava järgi ehitatud mudel võib sattuda täiesti valesse Re-vahemikku, testides teistsugust voolurežiimi kui see, mis on oluline.
• Tunneli käitamine kiirusel, mis sobib kaaludele, mitte Reynoldsi arvul, mida missioon nõuab. Väikese Re-arvu juures peab testpunkti määrama füüsika, mitte mõõteseadmete mugavus.
• Tunneli turbulentsi intensiivsuse käsitlemine ümardamisveana. Selles Reynoldsi režiimis võib vajalikust vaid murdosa protsendi võrra suurem turbulents piirkihi varakult häirida ja kustutada eraldumismulli, mida test pidi iseloomustama.
• Voolu visualiseerimise vahelejätmine, sest jõuandmed "näevad puhtad välja". Puhtana näiv polaar võib siiski varjata eraldumismulli vales kohas; visualiseerimine on viis, kuidas seda teada saada.
• Juhtpinna andmete ekstrapoleerimine suurema Reynoldsi arvuga testist. Tagatiiva ja kõrgustüüri efektiivsus väikese Re-arvu juures ei skaleeru samamoodi nagu tavaliste õhusõidukite Reynoldsi arvude puhul.

---

6. Mida see teie programmi jaoks tähendab

Öelge meile oma sihtkõrgus ja missiooniprofiil ning me dimensioneerime mudeli ja määrame testi Reynoldsi arvu, mis taastoodab tegeliku voolurežiimi, milles teie õhusõiduk lendama hakkab – mitte selle, mis juhtub sobima mugava tunnelikiirusega. Seotud lugemine: meie koondartikkel teemal

Pikamaa mehitamata õhusõidukite (UAV) aerodünaamilised katsetused

ja

Aeroelastsus ja puhangureaktsioon pika lennuajaga ja suure külgsuhtega tiibade puhul

sama õhusõidukiklassi kohta.

---

Allikad ja märkused

• Heliose prototüübi tehnilised andmed (tiivaulatus 247 ft, kõõl 8 ft, külgsuhe 30,9:1, tiiva paksus 12% kõõlust, maksimaalne tiivakoormus 0,81 lb/sq ft, reisikiirus 19–27 mph, kõrgusrekord 96 863 ft 13. augustil 2001, projekteerimise eesmärk 100 000 ft, laminaarse vooluga propelleri disain suurel kõrgusel saavutatava tõhususe jaoks): NASA Dryden Flight Research Center, "Helios Prototype: The forerunner of 21st century solar-powered 'atmospheric satellites'," FS-2002-08-068 DFRC.
• Laminaarse eraldumismulli mehhanism (laminaarne eraldumine enne üleminekut, vaba nihkekihi üleminek, turbulentne taasühinemine, rõhutakistus kui peamine põhjus tõste- ja takistusjõu suhte halvenemisel väikeste Reynoldsi arvude juures), pinna õlivoolu visualiseerimise metoodika ja väikese Reynoldsi arvuga katseosa voolukvaliteedi standardid (turbulentsi intensiivsus alla 0,1%, voolunurk ±0,1° piires, dünaamilise rõhu ühtlus ±0,5% piires): 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, testitud Illinoisi Ülikoolis Urbana-Champaignis madala turbulentsiga alahelikiirusega tuuletunnelis Reynoldsi arvude vahemikus 40 000 kuni 500 000 ning valideeritud NASA Langley Low-Turbulence Pressure Tunnel andmetega.
• Tagatiiva ja juhtpinna vähenenud efektiivsus koos drastiliselt suurenenud takistusega suurte kõrvalekallete korral väikese Reynoldsi arvu juures: sama allikas, tulemused AG455ct tiivaprofiilil 30% kõõluga tagatiivaga.
• HALE-propellerite ja tiivaprofiilide töötamine Reynoldsi arvude vahemikus 10⁴–10⁶ ning kõrgustes lendavad õhusõidukid ja propellerid kui väikese Reynoldsi arvuga aerodünaamika rakendusvaldkond on laias laastus kooskõlas väikese Reynoldsi arvuga aerodünaamika kirjandusega, millele viitavad eespool Selig, Deters ja Williamson.
• Mudeli dimensioneerimise ja testitingimuste juhised (lennu Reynoldsi arvu, mitte lennukiiruse sobitamine) on TunnelTechi inseneripraktika, mis on kooskõlas meie avaldatud artikliga UAV-testimiseks mõeldud tuuletunneli dimensioneerimise kohta.