تست محموله و حسگر در جریان هوا: دوربین‌ها، لایدارها و آنتن‌ها تحت بار
۸ آبان ۱۴۰۵
آزمایش پهپاد و UAV۱۶ شهریور ۱۴۰۵7 دقیقه مطالعه
آیرودینامیک هواگردهای HALE در ارتفاع بالا: اعداد رینولدز پایین و هوای رقیق
چرا هواگردهای HALE با وجود اندازه‌شان در رژیم عدد رینولدز پایین پرواز می‌کنند، این موضوع چه تأثیری بر ایرفویل می‌گذارد، و یک تونل باد برای آزمایش صحیح آن به چه چیزی نیاز دارد.
یک هواگرد HALE می‌تواند طول بالی بیشتر از یک بوئینگ ۷۴۷ داشته باشد، اما همچنان در رژیمی آیرودینامیکی پرواز کند که بیشتر شبیه به یک گلایدر مدل بزرگ است تا یک هواپیمای مسافربری جت. دلیل این امر ارتفاع است، نه اندازه: چگالی هوا در ارتفاع ۲۰ کیلومتری بسیار کمتر از یک‌دهم چگالی آن در سطح دریاست و عدد رینولدز رابطه مستقیمی با چگالی دارد. یک بال بزرگ، کند و نازک در لبه استراتوسفر، در نهایت با همان فیزیک عدد رینولدز پایین مواجه می‌شود که یک بال کوچک در سطح دریا تجربه می‌کند — فقط از مسیری کاملاً متفاوت به آن شرایط رسیده است.
۱. هواگردی که این موضوع را به طور ملموس نشان می‌دهد
نمونه اولیه هلیوس (Helios) ناسا که توسط AeroVironment تحت برنامه ERAST ناسا توسعه یافته است، واضح‌ترین نمونه ثبت‌شده در این زمینه است. مشخصات رسمی آن: طول بال ۲۴۷ فوت (۷۵.۳ متر) ، وتر ۸ فوت ، ضریب منظر ۳۰.۹ به ۱ ، بالی با ضخامت تنها ۱۲٪ وتر ، و حداکثر بارگذاری بال تنها ۰.۸۱ پوند بر فوت مربع . سرعت کروز در ارتفاع پایین ۱۹ تا ۲۷ mph بود — یعنی سرعت یک دوچرخه. در ۱۳ اوت ۲۰۰۱، این هواگرد به ارتفاع ۹۶,۸۶۳ فوت رسید که یک رکورد جهانی برای پرواز افقی پایدار توسط یک هواگرد بال‌دار محسوب می‌شود، در حالی که هدف طراحی آن عملیات تا ارتفاع ۱۰۰,۰۰۰ فوت بود.
تک‌تک این اعداد — ضریب منظر عظیم، بالی به نازکی کاغذ، بارگذاری بال نزدیک به صفر، و سرعت کروز در حد دوچرخه — پیامد مستقیم طراحی برای ارتفاع بسیار بالا به جای سرعت بسیار بالاست. حتی ملخ‌های هلیوس نیز برای همین منظور ساخته شده بودند: واحدهای دوپره با وتر عریض و قطر ۷۹ اینچ با طراحی جریان لایه‌ای که مشخصاً برای بهره‌وری در ارتفاع بالا بهینه‌سازی شده بودند .
۲. در عدد رینولدز پایین واقعاً چه اتفاقی برای ایرفویل می‌افتد
در اعداد رینولدز معمول برای مقاطع بال و ملخ HALE — که معمولاً در محدوده ۱۰⁴ تا ۱۰⁶ ذکر می‌شوند — رفتار لایه مرزی به طور بنیادین با جریان‌های دارای Re بالا که بیشتر درک ما از ایرفویل‌ها بر اساس آن‌ها شکل گرفته، متفاوت است. آزمایش‌های مستند در تونل باد با عدد رینولدز پایین، این مکانیزم را به وضوح نشان می‌دهند: جریان لایه‌ای تحت یک گرادیان فشار معکوس، پیش از آنکه بتواند به جریان آشفته گذار کند، از سطح جدا می‌شود. سپس لایه برشی جداشده در میانه هوا گذار می‌کند و اگر در پایین‌دست دوباره به سطح بچسبد، یک حباب جدایش لایه‌ای (LSB) تشکیل می‌دهد — ناحیه‌ای از جریان بازچرخشی و عمدتاً راکد که توسط خطوط جدایش و اتصال مجدد محصور شده و مستقیماً در مصورسازی جریان روغن روی سطح قابل مشاهده است.
پیامد این امر اصلاً نامحسوس نیست: پسای فشاری ایجادشده روی حباب جدایش، عامل اصلی افت نسبت برآ به پسا در اعداد رینولدز پایین است و با کاهش عدد رینولدز می‌تواند به شدت ظاهر شده یا وخیم‌تر شود — دقیقاً همان سمتی که ارتفاع، طراحی HALE را به سوی آن سوق می‌دهد.
۳. چرا این شرایط نیازمند نوع خاصی از تونل باد است
از آنجا که رفتار ایرفویل در عدد رینولدز پایین توسط لایه مرزی لایه‌ای کنترل می‌شود، شدت آشفتگی در بخش تست باید به قدری پایین باشد که خود باعث گذار زودهنگام نشود — در غیر این صورت، تونل در حال آزمایش یک لایه مرزی متفاوت و به طور مصنوعی "تحریک‌شده" است که با آنچه هواگرد در واقعیت تجربه خواهد کرد، تفاوت دارد. رویه‌های مستند در تأسیساتی که مشخصاً برای این رژیم ساخته شده‌اند، به شدت آشفتگی زیر ۰.۱٪ دست می‌یابند که با بادسنجی سیم‌داغ اعتبارسنجی شده است، و این امر همراه با یکنواختی زاویه جریان در حدود ۰.۱°± و یکنواختی فشار دینامیکی در محدوده ۰.۵٪± در سراسر بخش کاری محقق می‌شود.
پیامد عملی برای یک برنامه HALE این است: ابعاد مدل باید به گونه‌ای تعیین شود و تونل با سرعتی کار کند که عدد رینولدز پرواز را بازتولید کند، نه سرعت پرواز را. مدلی که نسبت به اندازه‌اش "بسیار سریع" آزمایش شود، در عدد رینولدزی قرار می‌گیرد که هواگرد واقعی هرگز در ارتفاع آن را تجربه نخواهد کرد، و حباب جدایش — یعنی دقیقاً همان ویژگی‌ای که آزمایش برای مشخص کردن آن انجام می‌شود — جابه‌جا شده یا ناپدید می‌گردد.
۴. یک کمپین تست مرتبط با HALE چه چیزهایی را باید ثبت کند
- مصورسازی جریان روی سطح ، نه فقط داده‌های نیرو. مصورسازی با روغن یا روش‌های مشابه، مستقیماً خطوط جدایش لایه‌ای، گذار و اتصال مجدد را که حباب را تعریف می‌کنند، نشان می‌دهد — داده‌هایی که یک بالانس به تنهایی قادر به ارائه آن‌ها نیست.
- یک جاروب (sweep) واقعی در عدد رینولدز پایین ، که در عدد رینولدز معادل ارتفاع واقعی برای پروفایل مأموریت اجرا شود، نه اینکه از داده‌های دارای Re بالاتر برون‌یابی گردد.
- اندازه‌گیری پسا از طریق پیمایش دنباله (wake survey)، نه فقط با بالانس ، زیرا پسای پروفیل در این اعداد رینولدز نسبت به برآ کوچک است و از طریق روش‌های نقص تکانه در دنباله بهتر تفکیک می‌شود.
- توجه ویژه به رفتار فلپ و سطح کنترل در Re پایین — سطوح کنترل منحرف‌شده در اعداد رینولدز پایین، در مقایسه با همان هندسه در Re بالاتر، افزایش چشمگیر پسا و کاهش اثربخشی را نشان می‌دهند؛ نتیجه‌ای که نمی‌توان آن را به سادگی از آزمایش‌های با سرعت بالاتر برون‌یابی کرد.
۵. پنج اشتباهی که ما مشاهده می‌کنیم
- تعیین ابعاد مدل بر اساس راحتی کار به جای عدد رینولدز هدف. مدلی که با یک مقیاس "رُند و راحت" ساخته شود، ممکن است کاملاً در Re اشتباهی قرار گیرد و رژیم جریانی متفاوتی را نسبت به آنچه اهمیت دارد، آزمایش کند.
- راه‌اندازی تونل با سرعتی که برای بالانس مناسب است به جای عدد رینولدزی که مأموریت نیاز دارد. در Re پایین، این فیزیک است که باید نقطه تست را تعیین کند، نه راحتی ابزار دقیق.
- در نظر گرفتن شدت آشفتگی تونل به عنوان یک خطای گرد کردن. در این رژیم رینولدز، آشفتگی‌ای که تنها کسری از درصد بالاتر از حد نیاز باشد، می‌تواند لایه مرزی را زودتر تحریک کرده و حباب جدایشی را که آزمایش برای بررسی آن طراحی شده بود، از بین ببرد.
- صرف‌نظر کردن از مصورسازی جریان به دلیل اینکه داده‌های نیرو "تمیز به نظر می‌رسند." یک نمودار قطبی که تمیز به نظر می‌رسد، همچنان می‌تواند یک حباب جدایش را در مکان اشتباهی پنهان کند؛ مصورسازی راهی است که از طریق آن به این موضوع پی می‌برید.
- برون‌یابی داده‌های سطح کنترل از یک آزمایش با عدد رینولدز بالاتر. اثربخشی فلپ و الواتور در Re پایین، به همان شکلی که در اعداد رینولدز هواگردهای معمولی مقیاس‌بندی می‌شود، عمل نمی‌کند.
۶. این موضوع برای برنامه شما چه معنایی دارد
ارتفاع هدف و پروفایل مأموریت خود را به ما بگویید ، و ما ابعاد مدل را تعیین کرده و عدد رینولدز تستی را تنظیم می‌کنیم که رژیم جریان واقعی پرواز هواگرد شما را بازتولید کند — نه رژیمی که صرفاً با یک سرعت راحت و در دسترس تونل مطابقت داشته باشد. مطالعه مرتبط: مقاله جامع ما با عنوان
تست‌های آیرودینامیکی پهپادهای دوربردو مقاله
آیروالاستیسیته و پاسخ به تندباد در بال‌های با مداومت پروازی و ضریب منظر بالابرای همین کلاس از هواگردها.
منابع و یادداشت‌ها
- مشخصات نمونه اولیه هلیوس (طول بال ۲۴۷ فوت، وتر ۸ فوت، ضریب منظر ۳۰.۹:۱، ضخامت بال ۱۲٪ وتر، حداکثر بارگذاری بال ۰.۸۱ پوند بر فوت مربع، سرعت کروز ۱۹–۲۷ mph، رکورد ارتفاع ۹۶,۸۶۳ فوت در ۱۳ اوت ۲۰۰۱، هدف طراحی ۱۰۰,۰۰۰ فوت، طراحی ملخ با جریان لایه‌ای برای بهره‌وری در ارتفاع بالا): مرکز تحقیقات پرواز درایدن ناسا، "نمونه اولیه هلیوس: پیشگام 'ماهواره‌های جوی' خورشیدی قرن بیست و یکم،" FS-2002-08-068 DFRC.
- مکانیزم حباب جدایش لایه‌ای (جدایش لایه‌ای پیش از گذار، گذار لایه برشی آزاد، اتصال مجدد آشفته، پسای فشاری به عنوان عامل اصلی افت نسبت برآ به پسا در اعداد رینولدز پایین)، متدولوژی مصورسازی جریان روغن روی سطح، و استانداردهای کیفیت جریان در بخش تست با عدد رینولدز پایین (شدت آشفتگی زیر ۰.۱٪، زاویه جریان در محدوده ۰.۱°±، یکنواختی فشار دینامیکی در محدوده ۰.۵٪±): سلیگ، ام.اس.، دترز، آر.دبلیو.، ویلیامسون، جی.ای.، "آزمایش تونل باد ایرفویل‌ها در اعداد رینولدز پایین،" AIAA 2011-875، چهل و نهمین نشست علوم هوافضای AIAA، ۲۰۱۱، آزمایش‌شده در تونل باد مادون صوت با آشفتگی پایین دانشگاه ایلینوی در اربانا-شمپین در محدوده اعداد رینولدز ۴۰,۰۰۰ تا ۵۰۰,۰۰۰، و اعتبارسنجی‌شده با داده‌های تونل فشار با آشفتگی پایین لنگلی ناسا.
- کاهش اثربخشی فلپ و سطح کنترل همراه با افزایش چشمگیر پسا در انحراف‌های بزرگ در عدد رینولدز پایین: همان منبع، نتایج روی ایرفویل AG455ct با فلپ ۳۰٪ وتر.
- مقاطع بال و ملخ HALE که در محدوده عدد رینولدز ۱۰⁴–۱۰⁶ کار می‌کنند، و هواگردها و ملخ‌های ارتفاع بالا به عنوان حوزه کاربردی برای آیرودینامیک عدد رینولدز پایین، به طور کلی با ادبیات آیرودینامیک عدد رینولدز پایین که توسط سلیگ، دترز و ویلیامسون در بالا به آن ارجاع داده شده، سازگار است.
- راهنمای تعیین ابعاد مدل و شرایط تست (تطبیق عدد رینولدز پرواز به جای سرعت پرواز) رویه مهندسی TunnelTech است که با مقاله منتشرشده ما در مورد تعیین ابعاد تونل باد برای آزمایش پهپاد مطابقت دارد.