Aerodinamica HALE ad alta quota: bassi numeri di Reynolds e aria rarefatta

Un velivolo HALE può avere un'apertura alare superiore a quella di un Boeing 747 e volare comunque in un regime aerodinamico più simile a quello di un grande aliante radiocomandato che a quello di un aereo di linea. Il motivo è la quota, non le dimensioni: la densità dell'aria a 20 km è ben al di sotto di un decimo di quella a livello del mare, e il numero di Reynolds scala in modo direttamente proporzionale alla densità. Un'ala grande, lenta e sottile ai margini della stratosfera finisce per essere soggetta alla stessa fisica dei bassi numeri di Reynolds di un'ala piccola a livello del mare: ci è solo arrivata attraverso un percorso completamente diverso.

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1. Il velivolo che rende l'idea in modo concreto

L'Helios Prototype della NASA, sviluppato da AeroVironment nell'ambito del programma ERAST della NASA, ne è l'esempio più chiaro mai registrato. Le sue specifiche ufficiali: un'apertura alare di 247 piedi (75,3 m) , una corda di 8 piedi , un allungamento alare di 30,9 a 1 , un'ala con uno spessore pari a solo il 12% della corda e un carico alare massimo di appena 0,81 libbre per piede quadrato . La velocità di crociera a bassa quota era compresa tra 19 e 27 mph (la velocità di una bicicletta). Il 13 agosto 2001 ha raggiunto un'altitudine di 96.863 piedi , un record mondiale per il volo orizzontale sostenuto da parte di un velivolo alato, con un obiettivo di progetto di operare fino a 100.000 piedi.

Ognuno di questi numeri (l'enorme allungamento alare, l'ala sottile come carta, il carico alare quasi nullo, la velocità di crociera da bicicletta) è una conseguenza diretta di una progettazione mirata ad altitudini estreme piuttosto che a velocità estreme. Anche le eliche dell'Helios erano costruite su misura: unità a due pale a corda larga, con un diametro di 79 pollici e un design a flusso laminare concepito specificamente per l'efficienza ad alta quota .

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2. Cosa succede realmente a un profilo alare a bassi numeri di Reynolds

Ai numeri di Reynolds tipici delle sezioni delle eliche e delle ali dei velivoli HALE (comunemente citati nell'intervallo tra 10⁴ e 10⁶ ), lo strato limite si comporta in modo fondamentalmente diverso rispetto al flusso ad alto Re su cui si basa la maggior parte dell'intuizione sui profili alari. I test documentati in galleria del vento a bassi numeri di Reynolds mostrano chiaramente il meccanismo: il flusso laminare si separa dalla superficie sotto un gradiente di pressione avverso prima di poter transitare a flusso turbolento. Lo strato di taglio separato subisce quindi la transizione lontano dalla parete e, se si riattacca a valle, forma una bolla di separazione laminare (LSB) : una regione di flusso ricircolante e in gran parte stagnante, delimitata da linee di separazione e riattacco che sono direttamente visibili nella visualizzazione del flusso superficiale con olio.

La conseguenza non è trascurabile: la resistenza di pressione generata sopra la bolla di separazione è la causa principale del degrado dell'efficienza aerodinamica a bassi numeri di Reynolds, e può comparire o peggiorare bruscamente al diminuire del numero di Reynolds, esattamente la direzione in cui l'altitudine spinge un progetto HALE.

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3. Perché questo richiede un tipo specifico di galleria del vento

Poiché il comportamento del profilo alare a bassi numeri di Reynolds è governato dallo strato limite laminare, l'intensità di turbolenza della sezione di prova deve essere sufficientemente bassa da non innescare essa stessa una transizione anticipata ; altrimenti, la galleria testerebbe uno strato limite diverso, "innescato" artificialmente, rispetto a quello che il velivolo incontrerà realmente. La pratica documentata presso le strutture costruite appositamente per questo regime raggiunge un'intensità di turbolenza inferiore allo 0,1%, convalidata con anemometria a filo caldo, insieme a un'uniformità dell'angolo di flusso entro circa ±0,1° e un'uniformità della pressione dinamica entro ±0,5% attraverso la sezione di lavoro.

L'implicazione pratica per un programma HALE: il modello deve essere dimensionato e la galleria deve funzionare alla velocità che riproduce il numero di Reynolds di volo , non la velocità di volo. Un modello testato "troppo velocemente" per le sue dimensioni si trova a un numero di Reynolds superiore a quello che il velivolo reale vedrà mai in quota, e la bolla di separazione (l'esatta caratteristica che il test deve analizzare) si sposta o scompare.

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4. Cosa deve rilevare una campagna di test rilevante per i velivoli HALE

• Visualizzazione del flusso superficiale , non solo dati sulle forze. La visualizzazione con olio o metodi equivalenti mostra direttamente le linee di separazione laminare, transizione e riattacco che definiscono la bolla: dati che una bilancia da sola non può fornire.
• Una vera e propria scansione a bassi numeri di Reynolds , eseguita al numero di Reynolds effettivo equivalente all'altitudine per il profilo di missione, non estrapolata da dati a Re più elevati.
• Resistenza misurata tramite rilievo di scia, non solo con la bilancia , poiché la resistenza di profilo a questi numeri di Reynolds è piccola rispetto alla portanza ed è meglio risolta attraverso metodi di deficit di quantità di moto nella scia.
• Attenzione specifica al comportamento dei flap e delle superfici di controllo a bassi Re : le superfici di controllo deflesse mostrano un drastico aumento della resistenza e una ridotta efficacia a bassi numeri di Reynolds rispetto alla stessa geometria a Re più elevati, un risultato che non si può estrapolare in modo affidabile dai test a velocità più elevate.

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5. Cinque errori che riscontriamo

• Dimensionare il modello per comodità piuttosto che in base al numero di Reynolds target. Un modello costruito su una scala "comoda" può finire per operare a un Re completamente sbagliato, testando un regime di flusso diverso da quello che conta.
• Far funzionare la galleria a una velocità ottimale per la bilancia piuttosto che al numero di Reynolds richiesto dalla missione. A bassi Re, è la fisica (non la comodità della strumentazione) a dover stabilire il punto di test.
• Trattare l'intensità di turbolenza della galleria come un errore di arrotondamento. In questo regime di Reynolds, una turbolenza di una frazione di punto percentuale superiore al necessario può innescare anticipatamente lo strato limite e cancellare la bolla di separazione che il test intendeva caratterizzare.
• Saltare la visualizzazione del flusso perché i dati sulle forze "sembrano puliti". Una polare dall'aspetto pulito può comunque nascondere una bolla di separazione nel posto sbagliato; la visualizzazione è il modo per scoprirlo.
• Estrapolare i dati delle superfici di controllo da un test a numeri di Reynolds più elevati. L'efficacia di flap ed equilibratori a bassi Re non scala allo stesso modo in cui avviene ai numeri di Reynolds dei velivoli convenzionali.

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6. Cosa significa questo per il vostro programma

Comunicateci la vostra altitudine target e il profilo di missione , e dimensioneremo un modello e imposteremo un numero di Reynolds di test che riproduca il regime di flusso effettivo in cui volerà il vostro velivolo, non quello che si adatta casualmente a una comoda velocità della galleria. Letture correlate: il nostro articolo principale su

Test aerodinamici per UAV a lungo raggio

e l'articolo

Aeroelasticità e risposta alla raffica per ali ad alto allungamento e lunga autonomia

per la stessa classe di velivoli.

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Fonti e note

• Specifiche dell'Helios Prototype (apertura alare 247 piedi, corda 8 piedi, allungamento alare 30,9:1, spessore dell'ala 12% della corda, carico alare massimo 0,81 lb/sq ft, velocità di crociera 19–27 mph, record di altitudine 96.863 piedi il 13 agosto 2001, obiettivo di progetto di 100.000 piedi, design dell'elica a flusso laminare per l'efficienza ad alta quota): NASA Dryden Flight Research Center, "Helios Prototype: The forerunner of 21st century solar-powered 'atmospheric satellites'," FS-2002-08-068 DFRC.
• Meccanismo della bolla di separazione laminare (separazione laminare prima della transizione, transizione dello strato di taglio libero, riattacco turbolento, resistenza di pressione come causa principale del degrado dell'efficienza aerodinamica a bassi numeri di Reynolds), metodologia di visualizzazione del flusso superficiale con olio e standard di qualità del flusso della sezione di prova a bassi numeri di Reynolds (intensità di turbolenza inferiore allo 0,1%, angolo di flusso entro ±0,1°, uniformità della pressione dinamica entro ±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, testato nella galleria del vento subsonica a bassa turbolenza dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign a numeri di Reynolds compresi tra 40.000 e 500.000, e convalidato rispetto ai dati del Low-Turbulence Pressure Tunnel della NASA Langley.
• Ridotta efficacia dei flap e delle superfici di controllo con un drastico aumento della resistenza ad ampie deflessioni a bassi numeri di Reynolds: stessa fonte, risultati sul profilo alare AG455ct con un flap al 30% della corda.
• Le sezioni delle eliche e delle ali HALE che operano nell'intervallo del numero di Reynolds 10⁴–10⁶, e i velivoli e le eliche ad alta quota come area di applicazione per l'aerodinamica a bassi numeri di Reynolds, sono ampiamente coerenti con la letteratura sull'aerodinamica a bassi numeri di Reynolds citata da Selig, Deters e Williamson in precedenza.
• Le linee guida sul dimensionamento del modello e sulle condizioni di test (far corrispondere il numero di Reynolds di volo piuttosto che la velocità di volo) rappresentano la pratica ingegneristica di TunnelTech, coerentemente con il nostro articolo pubblicato sul dimensionamento di una galleria del vento per i test sugli UAV.