Բարձրադիր HALE աերոդինամիկա. Ռեյնոլդսի փոքր թվեր և նոսր օդ

HALE դասի օդանավը կարող է ունենալ Boeing 747-ից ավելի մեծ թևերի բացվածք, սակայն թռչել աերոդինամիկ ռեժիմում, որն ավելի մոտ է մեծ մոդելային պլաներին, քան ռեակտիվ ինքնաթիռին: Պատճառը բարձրությունն է, ոչ թե չափը. 20 կմ բարձրության վրա օդի խտությունը ծովի մակարդակի խտության մեկ տասներորդից էլ պակաս է, իսկ Ռեյնոլդսի թիվն ուղիղ համեմատական է խտությանը: Ստրատոսֆերայի եզրին գտնվող մեծ, դանդաղ և բարակ թևը հայտնվում է Ռեյնոլդսի փոքր թվերի նույն ֆիզիկական պայմաններում, ինչ ծովի մակարդակին գտնվող փոքր թևը. այն պարզապես հասել է այդ կետին միանգամայն այլ ճանապարհով:

---

1. Օդանավ, որը հստակեցնում է այս փաստը

NASA-ի ERAST ծրագրի շրջանակներում AeroVironment-ի կողմից մշակված NASA-ի Helios նախատիպը դրա ամենավառ օրինակն է պատմության մեջ: Դրա պաշտոնական բնութագրերն են՝ 247 ֆուտ (75,3 մ) թևերի բացվածք , 8 ֆուտ լար , 30,9 առ 1 երկարացման գործակից , թև, որի հաստությունը կազմում է լարի ընդամենը 12%-ը , և թևի առավելագույն ծանրաբեռնվածություն՝ ընդամենը 0,81 ֆունտ քառակուսի ֆուտի համար : Ցածր բարձրության վրա կրեյսերային արագությունը կազմում էր 19-ից 27 մղոն/ժամ ՝ հեծանիվի արագություն: 2001 թվականի օգոստոսի 13-ին այն հասավ 96 863 ֆուտ բարձրության՝ սահմանելով թևավոր օդանավերի կայուն հորիզոնական թռիչքի համաշխարհային ռեկորդ, ընդ որում նախագծային նպատակն էր շահագործել այն մինչև 100 000 ֆուտ բարձրության վրա:

Այս թվերից յուրաքանչյուրը՝ հսկայական երկարացման գործակիցը, թղթի պես բարակ թևը, գրեթե զրոյական ծանրաբեռնվածությունը, հեծանիվի արագությամբ կրեյսերային թռիչքը, ծայրահեղ բարձրության, այլ ոչ թե ծայրահեղ արագության համար նախագծման անմիջական հետևանքն է: Նույնիսկ Helios-ի պտուտակներն էին հատուկ նախագծված. երկթև, լայն լարով, 79 դյույմ տրամագծով ագրեգատներ՝ լամինար հոսքի դիզայնով, որը հատուկ նախատեսված էր մեծ բարձրությունների վրա արդյունավետության համար :

---

2. Ինչ է իրականում տեղի ունենում աերոդինամիկ պրոֆիլի հետ Ռեյնոլդսի փոքր թվերի դեպքում

Ռեյնոլդսի այն թվերի դեպքում, որոնք բնորոշ են HALE պտուտակների և թևերի պրոֆիլներին (սովորաբար նշվում է 10⁴-ից 10⁶ միջակայքը), սահմանային շերտը իրեն դրսևորում է հիմնովին այլ կերպ, քան բարձր Re հոսքի դեպքում, որի վրա հիմնված է աերոդինամիկ պրոֆիլների մասին պատկերացումների մեծ մասը: Ռեյնոլդսի փոքր թվերով աերոդինամիկ թունելներում փաստագրված փորձարկումները հստակ ցույց են տալիս մեխանիզմը. լամինար հոսքը հակառակ ճնշման գրադիենտի ազդեցության տակ անջատվում է մակերևույթից նախքան տուրբուլենտ հոսքի անցնելը: Անջատված սահքի շերտը այնուհետև անցում է կատարում օդում, և եթե այն նորից միանում է հոսանքն ի վար, ձևավորում է լամինար անջատման պղպջակ (LSB) ՝ ռեցիրկուլյացիոն, մեծամասամբ լճացած հոսքի շրջան, որը սահմանափակված է անջատման և վերամիացման գծերով, որոնք ուղղակիորեն տեսանելի են մակերևութային յուղային հոսքի վիզուալիզացիայի ժամանակ:

Հետևանքն ակնհայտ է. անջատման պղպջակի վրա առաջացած ճնշման դիմադրությունը Ռեյնոլդսի փոքր թվերի դեպքում աերոդինամիկ որակի վատթարացման հիմնական պատճառն է, և այն կարող է ի հայտ գալ կամ կտրուկ վատթարանալ Ռեյնոլդսի թվի նվազմանը զուգընթաց՝ ճիշտ այն ուղղությամբ, որով բարձրությունը մղում է HALE նախագծերին:

---

3. Ինչու է սա պահանջում հատուկ տեսակի աերոդինամիկ թունել

Քանի որ Ռեյնոլդսի փոքր թվերով աերոդինամիկ պրոֆիլի վարքագիծը պայմանավորված է լամինար սահմանային շերտով, փորձարկման հատվածում տուրբուլենտության ինտենսիվությունը պետք է լինի բավականաչափ ցածր, որպեսզի այն ինքնին չառաջացնի վաղաժամ անցում , հակառակ դեպքում թունելը կփորձարկի մեկ այլ, արհեստականորեն «խթանված» սահմանային շերտ, որը տարբերվում է նրանից, ինչին իրականում կբախվի օդանավը: Այս ռեժիմի համար հատուկ կառուցված հաստատություններում փաստագրված պրակտիկան ապահովում է 0,1%-ից ցածր տուրբուլենտության ինտենսիվություն, որը հաստատվում է ջերմաէլեկտրական անեմոմետրիայի միջոցով, ինչպես նաև հոսքի անկյան միատեսակություն մոտ ±0,1° սահմաններում և դինամիկ ճնշման միատեսակություն ±0,5% սահմաններում աշխատանքային հատվածի ողջ լայնքով:

HALE ծրագրի համար գործնական նշանակությունն այն է, որ մոդելը պետք է ունենա այնպիսի չափեր, իսկ թունելը աշխատի այնպիսի արագությամբ, որը վերարտադրում է թռիչքային Ռեյնոլդսի թիվը , այլ ոչ թե թռիչքի արագությունը: Իր չափերի համեմատ «չափազանց արագ» փորձարկվող մոդելը գտնվում է Ռեյնոլդսի ավելի մեծ թվի պայմաններում, քան իրական օդանավը երբևէ կտեսնի բարձրության վրա, և անջատման պղպջակը՝ հենց այն հատկանիշը, որը բնութագրելու համար անցկացվում է փորձարկումը, տեղաշարժվում է կամ անհետանում:

---

4. Ինչ պետք է արձանագրի HALE-ին համապատասխանող փորձարկումների արշավը

• Մակերևութային հոսքի վիզուալիզացիա , ոչ միայն ուժային տվյալներ: Յուղային հոսքի կամ համարժեք վիզուալիզացիան ուղղակիորեն ցույց է տալիս լամինար անջատման, անցման և վերամիացման գծերը, որոնք սահմանում են պղպջակը. տվյալներ, որոնք միայն կշեռքը չի կարող տրամադրել:
• Իրական Ռեյնոլդսի փոքր թվերի սկանավորում , որն իրականացվում է առաքելության պրոֆիլի համար իրական բարձրությանը համարժեք Ռեյնոլդսի թվով, այլ ոչ թե էքստրապոլացված ավելի բարձր Re տվյալներից:
• Դիմադրության չափում աերոդինամիկ հետքի հետազոտության միջոցով, ոչ միայն կշեռքով , քանի որ պրոֆիլային դիմադրությունը Ռեյնոլդսի այս թվերի դեպքում փոքր է ամբարձիչ ուժի համեմատ և ավելի լավ է որոշվում աերոդինամիկ հետքում իմպուլսի դեֆիցիտի մեթոդների միջոցով:
• Հատուկ ուշադրություն փեղկերի և ղեկավարման մակերևույթների վարքագծին ցածր Re-ի դեպքում — շեղված ղեկավարման մակերևույթները ցույց են տալիս դիմադրության կտրուկ աճ և արդյունավետության նվազում Ռեյնոլդսի փոքր թվերի դեպքում՝ համեմատած նույն երկրաչափության հետ ավելի բարձր Re-ի պայմաններում. արդյունք, որը հնարավոր չէ հստակորեն էքստրապոլացնել ավելի բարձր արագությամբ փորձարկումներից:

---

5. Հինգ սխալ, որոնք մենք տեսնում ենք

• Մոդելի չափերի ընտրություն ըստ հարմարության, այլ ոչ թե ըստ թիրախային Ռեյնոլդսի թվի: «Հարմար» մասշտաբով կառուցված մոդելը կարող է հայտնվել միանգամայն սխալ Re-ի պայմաններում՝ փորձարկելով հոսքի այլ ռեժիմ, որը տարբերվում է պահանջվողից:
• Աերոդինամիկ թունելի շահագործում այնպիսի արագությամբ, որը հարմար է կշեռքին, այլ ոչ թե այն Ռեյնոլդսի թվով, որն անհրաժեշտ է առաքելությանը: Ցածր Re-ի դեպքում ֆիզիկան, այլ ոչ թե սարքավորումների հարմարավետությունը, պետք է սահմանի փորձարկման կետը:
• Թունելի տուրբուլենտության ինտենսիվության դիտարկում որպես կլորացման սխալ: Ռեյնոլդսի այս ռեժիմում պահանջվածից նույնիսկ մեկ տոկոսի մի մասով բարձր տուրբուլենտությունը կարող է վաղաժամ խթանել սահմանային շերտը և վերացնել անջատման պղպջակը, որը փորձարկումը պետք է բնութագրեր:
• Հոսքի վիզուալիզացիայի բացթողում, քանի որ ուժային տվյալները «մաքուր են թվում»: Մաքուր թվացող բևեռային կորը դեռ կարող է թաքցնել անջատման պղպջակը սխալ տեղում. վիզուալիզացիան այն միջոցն է, որով դուք դա պարզում եք:
• Ղեկավարման մակերևույթի տվյալների էքստրապոլացիա Ռեյնոլդսի ավելի մեծ թվով փորձարկումից: Փեղկերի և բարձրության ղեկերի արդյունավետությունը ցածր Re-ի դեպքում չի փոխվում այնպես, ինչպես սովորական օդանավերի Ռեյնոլդսի թվերի դեպքում:

---

6. Ինչ է սա նշանակում ձեր ծրագրի համար

Ասեք մեզ ձեր թիրախային բարձրությունը և առաքելության պրոֆիլը , և մենք կընտրենք մոդելի չափերը ու կսահմանենք փորձարկման Ռեյնոլդսի թիվ, որը կվերարտադրի հոսքի իրական ռեժիմը, որով կթռչի ձեր օդանավը, այլ ոչ թե այն, որը պատահաբար համապատասխանում է թունելի հարմար արագությանը: Հարակից ընթերցանություն. մեր հիմնական հոդվածը

Մեծ հեռահարության ԱԹՍ-ների աերոդինամիկ փորձարկումներ. ինքնաթիռային տիպի MALE, HALE և VTOL

-ի վերաբերյալ, և

Աերոառաձգականությունը և քամու պոռթկումներին արձագանքը մեծ տևողությամբ թռիչքների և մեծ երկարացմամբ թևերի համար

՝ նույն դասի օդանավերի համար:

---

Աղբյուրներ և նշումներ

• Helios նախատիպի բնութագրերը (թևերի բացվածքը՝ 247 ֆուտ, լարը՝ 8 ֆուտ, երկարացման գործակիցը՝ 30,9:1, թևի հաստությունը՝ լարի 12%-ը, թևի առավելագույն ծանրաբեռնվածությունը՝ 0,81 ֆունտ/քառ. ֆուտ, կրեյսերային արագությունը՝ 19–27 մղոն/ժամ, բարձրության ռեկորդը՝ 96 863 ֆուտ 2001 թ. օգոստոսի 13-ին, նախագծային նպատակը՝ 100 000 ֆուտ, լամինար հոսքով պտուտակի դիզայն՝ մեծ բարձրությունների վրա արդյունավետության համար). NASA Dryden Flight Research Center, "Helios Prototype: The forerunner of 21st century solar-powered 'atmospheric satellites'," FS-2002-08-068 DFRC:
• Լամինար անջատման պղպջակի մեխանիզմը (լամինար անջատում նախքան անցումը, ազատ սահքի շերտի անցում, տուրբուլենտ վերամիացում, ճնշման դիմադրությունը որպես Ռեյնոլդսի փոքր թվերի դեպքում աերոդինամիկ որակի վատթարացման հիմնական պատճառ), մակերևութային յուղային հոսքի վիզուալիզացիայի մեթոդաբանությունը և Ռեյնոլդսի փոքր թվերով փորձարկման հատվածի հոսքի որակի ստանդարտները (տուրբուլենտության ինտենսիվությունը 0,1%-ից ցածր, հոսքի անկյունը ±0,1° սահմաններում, դինամիկ ճնշման միատեսակությունը ±0,5% սահմաններում). 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, փորձարկվել է Ուրբանա-Շամպեյնի Իլինոյսի համալսարանի ցածր տուրբուլենտությամբ մինչձայնային աերոդինամիկ թունելում 40 000-ից 500 000 Ռեյնոլդսի թվերի պայմաններում և վավերացվել NASA Langley Low-Turbulence Pressure Tunnel-ի տվյալների հիման վրա:
• Փեղկերի և ղեկավարման մակերևույթների արդյունավետության նվազում՝ մեծ շեղումների դեպքում դիմադրության կտրուկ աճով Ռեյնոլդսի փոքր թվերի պայմաններում. նույն աղբյուրը, արդյունքները AG455ct աերոդինամիկ պրոֆիլի վրա՝ 30% լարով փեղկով:
• HALE պտուտակների և թևերի պրոֆիլները, որոնք աշխատում են 10⁴–10⁶ Ռեյնոլդսի թվերի միջակայքում, ինչպես նաև բարձրադիր օդանավերն ու պտուտակները որպես Ռեյնոլդսի փոքր թվերի աերոդինամիկայի կիրառման ոլորտ, լայնորեն համապատասխանում են վերևում նշված Selig-ի, Deters-ի և Williamson-ի կողմից հղված Ռեյնոլդսի փոքր թվերի աերոդինամիկայի գրականությանը:
• Մոդելի չափերի ընտրության և փորձարկման պայմանների ուղեցույցը (համապատասխանեցում թռիչքային Ռեյնոլդսի թվին, այլ ոչ թե թռիչքի արագությանը) հանդիսանում է TunnelTech-ի ինժեներական պրակտիկան, ինչը համահունչ է ԱԹՍ-ների փորձարկման համար աերոդինամիկ թունելի չափերի ընտրության վերաբերյալ մեր հրապարակած հոդվածին: