„Didelio aukščio HALE aerodinamika: maži Reinoldso skaičiai ir retas oras“

HALE orlaivio sparnų mojis gali būti didesnis nei „Boeing 747“, tačiau jis vis tiek skrenda aerodinaminiu režimu, kuris yra artimesnis dideliam sklandytuvo modeliui nei reaktyviniam lėktuvui. Priežastis yra aukštis, o ne dydis: oro tankis 20 km aukštyje yra gerokai mažesnis nei dešimtadalis tankio jūros lygyje, o Reinoldso skaičius kinta tiesiogiai proporcingai tankiui. Didelis, lėtas ir plonas sparnas stratosferos pakraštyje atsiduria toje pačioje mažų Reinoldso skaičių fizikoje kaip ir mažas sparnas jūros lygyje – tiesiog jis ten patenka visiškai kitu keliu.

---

1. Orlaivis, kuris tai patvirtina praktiškai

NASA „Helios Prototype“, kurį pagal NASA ERAST programą sukūrė „AeroVironment“, yra aiškiausias to pavyzdys. Oficialios jo specifikacijos: 247 pėdų (75,3 m) sparnų mojis , 8 pėdų styga , 30,9:1 sparno proilgis , sparnas, kurio storis sudaro tik 12 % stygos , ir maksimali sparno apkrova, siekianti vos 0,81 svaro kvadratinei pėdai . Kreiserinis greitis nedideliame aukštyje buvo 19–27 mylios per valandą – dviračio greitis. 2001 m. rugpjūčio 13 d. jis pasiekė 96 863 pėdų aukštį – tai pasaulio rekordas, pasiektas sparnuoto orlaivio ilgalaikio horizontalaus skrydžio metu, o projektinis tikslas buvo skristi iki 100 000 pėdų aukštyje.

Kiekvienas iš šių skaičių – didžiulis proilgis, popieriaus plonumo sparnas, beveik nulinė sparno apkrova, dviračio greičio kreiserinis skrydis – yra tiesioginė projektavimo ekstremaliam aukščiui, o ne ekstremaliam greičiui, pasekmė. Net „Helios“ propeleriai buvo sukurti specialiai šiam tikslui: dviejų menčių, plačios stygos, 79 colių skersmens agregatai su laminarinio srauto konstrukcija, skirta būtent efektyvumui dideliame aukštyje .

---

2. Kas iš tikrųjų nutinka aerodinaminiam profiliui esant mažam Reinoldso skaičiui

Esant Reinoldso skaičiams, būdingiems HALE propelerių ir sparnų profiliams – paprastai nurodomiems nuo 10⁴ iki 10⁶ diapazone – ribinis sluoksnis elgiasi iš esmės kitaip nei didelio Re sraute, kuriuo grindžiama dauguma aerodinaminių profilių dėsningumų. Dokumentuoti mažo Reinoldso skaičiaus bandymai vėjo tunelyje aiškiai parodo šį mechanizmą: laminarinis srautas atsiskiria nuo paviršiaus esant nepalankiam slėgio gradientui, nespėjęs pereiti į turbulentinį srautą. Tada atsiskyręs šlyties sluoksnis pereina ore, ir jei jis vėl prisitvirtina pasroviui, susidaro laminarinio atsiskyrimo burbulas (LSB) – recirkuliuojančio, iš esmės stovinčio srauto sritis, apribota atsiskyrimo ir pakartotinio prisitvirtinimo linijų, kurios yra tiesiogiai matomos paviršiaus alyvos srauto vizualizacijoje.

Pasekmė nėra subtili: slėgio pasipriešinimas, susidarantis virš atsiskyrimo burbulo, yra pagrindinė aerodinaminės kokybės pablogėjimo priežastis esant mažiems Reinoldso skaičiams, ir jis gali atsirasti arba smarkiai pablogėti mažėjant Reinoldso skaičiui – būtent ta kryptimi, kuria aukštis stumia HALE konstrukciją.

---

3. Kodėl tam reikia specifinio vėjo tunelio

Kadangi mažo Reinoldso skaičiaus aerodinaminio profilio elgseną lemia laminarinis ribinis sluoksnis, bandymo sekcijos turbulencijos intensyvumas turi būti pakankamai mažas, kad pats nesukeltų ankstyvo perėjimo – priešingu atveju vėjo tunelyje bandomas kitoks, dirbtinai „išprovokuotas“ ribinis sluoksnis nei tas, su kuriuo orlaivis iš tikrųjų susidurs. Dokumentuota praktika specialiai šiam režimui pastatytuose objektuose pasiekia mažesnį nei 0,1 % turbulencijos intensyvumą, patvirtintą termoanemometrija, kartu su srauto kampo tolygumu maždaug ±0,1° ribose ir dinaminio slėgio tolygumu ±0,5 % ribose visoje darbinėje sekcijoje.

Praktinė reikšmė HALE programai: modelio dydis turi būti parinktas, o vėjo tunelis turi veikti tokiu greičiu, kuris atkuria skrydžio Reinoldso skaičių , o ne skrydžio greitį. Modelis, bandomas „per greitai“ jo dydžiui, atsiduria esant didesniam Reinoldso skaičiui, nei realus orlaivis kada nors patirs aukštyje, o atsiskyrimo burbulas – būtent ta savybė, kurią bandymas turi apibūdinti – pasislenka arba išnyksta.

---

4. Ką turi užfiksuoti HALE aktuali bandymų kampanija

• Paviršiaus srauto vizualizacija , o ne tik jėgos duomenys. Alyvos srauto ar lygiavertė vizualizacija tiesiogiai parodo laminarinio atsiskyrimo, perėjimo ir pakartotinio prisitvirtinimo linijas, kurios apibrėžia burbulą – duomenis, kurių vien tik aerodinaminės svarstyklės negali pateikti.
• Tikras mažų Reinoldso skaičių diapazono tyrimas , atliekamas esant faktiniam aukščio ekvivalentiniam Reinoldso skaičiui pagal misijos profilį, o ne ekstrapoliuojamas iš didesnio Re duomenų.
• Pasipriešinimas matuojamas tiriant aerodinaminį pėdsaką, o ne vien svarstyklėmis , kadangi profilio pasipriešinimas esant šiems Reinoldso skaičiams yra mažas, palyginti su keliamąja galia, ir geriau nustatomas naudojant impulso deficito metodus pėdsake.
• Ypatingas dėmesys užsparnių ir valdymo plokštumų elgsenai esant mažam Re – nukreiptos valdymo plokštumos rodo smarkiai padidėjusį pasipriešinimą ir sumažėjusį efektyvumą esant mažiems Reinoldso skaičiams, palyginti su ta pačia geometrija esant didesniam Re, o šio rezultato negalima tiksliai ekstrapoliuoti iš didesnio greičio bandymų.

---

5. Penkios klaidos, kurias pastebime

• Modelio dydžio parinkimas pagal patogumą, o ne pagal tikslinį Reinoldso skaičių. Modelis, sukurtas pagal „gražų“ mastelį, gali atsidurti visiškai netinkamame Re, išbandant kitokį srauto režimą nei tas, kuris yra svarbus.
• Vėjo tunelio eksploatavimas greičiu, kuris tinka svarstyklėms, o ne Reinoldso skaičiumi, kurio reikia misijai. Esant mažam Re, bandymo tašką turi nustatyti fizika, o ne matavimo įrangos patogumas.
• Vėjo tunelio turbulencijos intensyvumo traktavimas kaip apvalinimo klaidos. Šiame Reinoldso režime turbulencija, vos dalimi procento viršijanti reikiamą, gali per anksti išprovokuoti ribinį sluoksnį ir panaikinti atsiskyrimo burbulą, kurį bandymas turėjo apibūdinti.
• Srauto vizualizacijos praleidimas, nes jėgos duomenys „atrodo švarūs“. Švariai atrodanti poliarė vis tiek gali slėpti atsiskyrimo burbulą netinkamoje vietoje; vizualizacija yra būdas tai sužinoti.
• Valdymo plokštumų duomenų ekstrapoliavimas iš didesnio Reinoldso skaičiaus bandymo. Užsparnių ir aukščio vairo efektyvumas esant mažam Re nekinta taip, kaip esant įprastiems orlaivių Reinoldso skaičiams.

---

6. Ką tai reiškia jūsų programai

Nurodykite mums savo tikslinį aukštį ir misijos profilį , ir mes parinksime modelio dydį bei nustatysime bandomąjį Reinoldso skaičių, kuris atkurs faktinį srauto režimą, kuriame skris jūsų orlaivis – o ne tą, kuris atsitiktinai tinka patogiam vėjo tunelio greičiui. Susijusi literatūra: mūsų pagrindinis straipsnis apie

Tolimojo nuotolio bepiločių orlaivių aerodinaminiai bandymai

ir

Aeroelastingumas ir reakcija į vėjo gūsius ilgo skrydžio, didelio proilgio sparnams

tai pačiai orlaivių klasei.

---

Šaltiniai ir pastabos

• „Helios Prototype“ specifikacijos (sparnų mojis 247 pėdos, styga 8 pėdos, proilgis 30,9:1, sparno storis 12 % stygos, maksimali sparno apkrova 0,81 svaro/kv. pėdai, kreiserinis greitis 19–27 mylios/val., aukščio rekordas 96 863 pėdos 2001 m. rugpjūčio 13 d., projektinis tikslas 100 000 pėdų, laminarinio srauto propelerio konstrukcija efektyvumui dideliame aukštyje): NASA Dryden Flight Research Center, „Helios Prototype: The forerunner of 21st century solar-powered 'atmospheric satellites',“ FS-2002-08-068 DFRC.
• Laminarinio atsiskyrimo burbulo mechanizmas (laminarinis atsiskyrimas prieš perėjimą, laisvojo šlyties sluoksnio perėjimas, turbulentinis pakartotinis prisitvirtinimas, slėgio pasipriešinimas kaip pagrindinė aerodinaminės kokybės pablogėjimo priežastis esant mažiems Reinoldso skaičiams), paviršiaus alyvos srauto vizualizacijos metodika ir mažo Reinoldso skaičiaus bandymo sekcijos srauto kokybės standartai (turbulencijos intensyvumas mažesnis nei 0,1 %, srauto kampas ±0,1° ribose, dinaminio slėgio tolygumas ±0,5 % ribose): 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, išbandyta Ilinojaus universiteto Urbana-Champaign mažos turbulencijos ikigarsiniame vėjo tunelyje esant Reinoldso skaičiams nuo 40 000 iki 500 000 ir patvirtinta pagal NASA Langley mažos turbulencijos slėgio tunelio duomenis.
• Sumažėjęs užsparnių ir valdymo plokštumų efektyvumas su smarkiai padidėjusiu pasipriešinimu esant dideliems nukrypimams ir mažam Reinoldso skaičiui: tas pats šaltinis, rezultatai su AG455ct aerodinaminiu profiliu ir 30 % stygos užsparniu.
• HALE propelerių ir sparnų profiliai, veikiantys 10⁴–10⁶ Reinoldso skaičių diapazone, bei didelio aukščio orlaiviai ir propeleriai kaip mažo Reinoldso skaičiaus aerodinamikos taikymo sritis, iš esmės atitinka mažo Reinoldso skaičiaus aerodinamikos literatūrą, kurią aukščiau nurodė Selig, Deters ir Williamson.
• Modelio dydžio parinkimo ir bandymo sąlygų gairės (atitinkančios skrydžio Reinoldso skaičių, o ne skrydžio greitį) yra „TunnelTech“ inžinerinė praktika, atitinkanti mūsų paskelbtą straipsnį apie vėjo tunelio dydžio parinkimą UAV bandymams.