Lielā augstuma HALE aerodinamika: zemi Reinoldsa skaitļi un retināts gaiss

HALE lidaparāta spārnu plētums var pārsniegt Boeing 747 spārnu plētumu, taču tas joprojām lido aerodinamiskajā režīmā, kas ir tuvāks lielam modeļa planierim, nevis reaktīvajam lainerim. Iemesls ir augstums, nevis izmērs: gaisa blīvums 20 km augstumā ir krietni mazāks par desmito daļu no blīvuma jūras līmenī, un Reinoldsa skaitlis mainās tieši proporcionāli blīvumam. Liels, lēns un plāns spārns stratosfēras malā nonāk tajā pašā zema Reinoldsa skaitļa fizikā kā mazs spārns jūras līmenī — tas vienkārši tur ir nonācis pa pilnīgi citu ceļu.

---

1. Lidaparāts, kas šo faktu padara uzskatāmu

NASA Helios prototips, ko izstrādājis AeroVironment NASA ERAST programmas ietvaros, ir spilgtākais reģistrētais piemērs. Tā oficiālās specifikācijas: 247 pēdu (75,3 m) spārnu plētums , 8 pēdu horda , spārna relatīvais pagarinājums 30,9 pret 1 , spārna biezums tikai 12% no hordas , un maksimālā spārna slodze tikai 0,81 mārciņa uz kvadrātpēdu . Kreisēšanas ātrums nelielā augstumā bija 19 līdz 27 jūdzes stundā (mph) — velosipēda ātrums. 2001. gada 13. augustā tas sasniedza 96 863 pēdu augstumu, kas ir pasaules rekords ilgstošam horizontālam lidojumam spārnotam lidaparātam, ar projektēto mērķi darboties līdz pat 100 000 pēdu augstumam.

Katrs no šiem skaitļiem — milzīgais relatīvais pagarinājums, papīra plānuma spārns, gandrīz nulles spārna slodze, velosipēda ātruma kreisēšana — ir tiešas sekas tam, ka dizains ir pielāgots ekstremālam augstumam, nevis ekstremālam ātrumam. Pat Helios propelleri tika īpaši izgatavoti: divu lāpstiņu, platas hordas, 79 collu diametra iekārtas ar laminārās plūsmas dizainu, kas īpaši paredzēts efektivitātei lielā augstumā .

---

2. Kas patiesībā notiek ar aerodinamisko profilu pie zema Reinoldsa skaitļa

Pie Reinoldsa skaitļiem, kas raksturīgi HALE propelleru un spārnu sekcijām — parasti minēti diapazonā no 10⁴ līdz 10⁶ —, robežslānis uzvedas fundamentāli atšķirīgi no augsta Re plūsmas, uz kuru balstās lielākā daļa intuīcijas par aerodinamiskajiem profiliem. Dokumentēti zema Reinoldsa skaitļa vēja tuneļa testi skaidri parāda šo mehānismu: laminārā plūsma atdalās no virsmas nelabvēlīga spiediena gradienta ietekmē, pirms tā var pāriet turbulenta plūsmā. Atdalītais bīdes slānis pēc tam pāriet gaisā, un, ja tas atkal pievienojas tālāk pa straumi, tas veido laminārās atdalīšanās burbuli (LSB) — recirkulējošas, lielākoties stagnējošas plūsmas reģionu, ko ierobežo atdalīšanās un atkārtotas pievienošanās līnijas, kas ir tieši redzamas virsmas eļļas plūsmas vizualizācijā.

Sekas nav nemanāmas: spiediena pretestība, kas rodas virs atdalīšanās burbuļa, ir galvenais cēlonis aerodinamiskās kvalitātes pasliktinājumam pie zemiem Reinoldsa skaitļiem, un tā var parādīties vai strauji pasliktināties, Reinoldsa skaitlim samazinoties — tieši tajā virzienā, kurā augstums virza HALE dizainu.

---

3. Kāpēc tam nepieciešams īpaša veida vēja tunelis

Tā kā zema Reinoldsa skaitļa aerodinamiskā profila uzvedību nosaka laminārais robežslānis, testa sekcijas turbulences intensitātei jābūt pietiekami zemai, lai tā pati neizraisītu agrīnu pāreju — pretējā gadījumā tunelis testē citu, mākslīgi "izraisītu" robežslāni, nevis to, ar kuru lidaparāts reāli saskarsies. Dokumentētā prakse iekārtās, kas īpaši būvētas šim režīmam, sasniedz turbulences intensitāti zem 0,1%, kas apstiprināta ar karstā stieples anemometriju, kopā ar plūsmas leņķa vienmērīgumu aptuveni ±0,1° robežās un dinamiskā spiediena vienmērīgumu ±0,5% robežās visā darba sekcijā.

Praktiskā nozīme HALE programmai: modelim jābūt mērogotam un tunelim jādarbojas tādā ātrumā, kas reproducē lidojuma Reinoldsa skaitli , nevis lidojuma ātrumu. Modelis, kas testēts "pārāk ātri" savam izmēram, atrodas pie augstāka Reinoldsa skaitļa, nekā reālais lidaparāts jebkad pieredzēs augstumā, un atdalīšanās burbulis — tieši tā īpašība, kuras raksturošanai tests ir paredzēts — pārvietojas vai pazūd.

---

4. Kas jāfiksē HALE atbilstošā testēšanas kampaņā

• Virsmas plūsmas vizualizācija , nevis tikai spēka dati. Eļļas plūsmas vai līdzvērtīga vizualizācija tieši parāda laminārās atdalīšanās, pārejas un atkārtotas pievienošanās līnijas, kas definē burbuli — datus, kurus aerodinamiskie svari vieni paši nevar nodrošināt.
• Patiesa zema Reinoldsa skaitļa skenēšana , kas veikta pie reālā augstumam ekvivalentā Reinoldsa skaitļa misijas profilam, nevis ekstrapolēta no augstāka Re datiem.
• Pretestība, kas mērīta ar aerodinamiskās ēnas izpēti, nevis tikai ar svariem , jo profila pretestība pie šiem Reinoldsa skaitļiem ir maza attiecībā pret cēlējspēku un labāk nosakāma, izmantojot impulsa deficīta metodes ēnā.
• Īpaša uzmanība atloku un vadības virsmu uzvedībai pie zema Re — novirzītas vadības virsmas uzrāda dramatiski palielinātu pretestību un samazinātu efektivitāti pie zemiem Reinoldsa skaitļiem salīdzinājumā ar to pašu ģeometriju pie augstāka Re, kas ir rezultāts, ko nevar precīzi ekstrapolēt no lielāka ātruma testēšanas.

---

5. Piecas kļūdas, kuras mēs redzam

• Modeļa mērogošana ērtības labad, nevis pēc mērķa Reinoldsa skaitļa. Modelis, kas izbūvēts "ērtā" mērogā, var pilnībā nonākt pie nepareiza Re, testējot citu plūsmas režīmu, nevis to, kas ir svarīgs.
• Tuneļa darbināšana ātrumā, kas ir piemērots svariem, nevis Reinoldsa skaitlim, kas nepieciešams misijai. Pie zema Re fizikai — nevis mērinstrumentu ērtībai — ir jānosaka testa punkts.
• Tuneļa turbulences intensitātes uztveršana kā noapaļošanas kļūda. Šajā Reinoldsa režīmā turbulence, kas ir par procenta daļu lielāka nekā nepieciešams, var priekšlaicīgi izraisīt robežslāņa pāreju un izdzēst atdalīšanās burbuli, kura raksturošanai tests bija paredzēts.
• Plūsmas vizualizācijas izlaišana, jo spēka dati "izskatās tīri." Tīra izskata polāra joprojām var slēpt atdalīšanās burbuli nepareizā vietā; vizualizācija ir veids, kā to uzzināt.
• Vadības virsmu datu ekstrapolēšana no augstāka Reinoldsa skaitļa testa. Atloku un augstuma stūres efektivitāte pie zema Re nemainās tāpat kā pie parastiem lidaparātu Reinoldsa skaitļiem.

---

6. Ko tas nozīmē jūsu programmai

Pastāstiet mums savu mērķa augstumu un misijas profilu , un mēs izveidosim modeli un iestatīsim testa Reinoldsa skaitli, kas reproducē reālo plūsmas režīmu, kādā lidos jūsu lidaparāts — nevis to, kas nejauši atbilst ērtam tuneļa ātrumam. Saistītā lasāmviela: mūsu galvenais raksts par

Liela darbības rādiusa bezpilota lidaparātu aerodinamiskie testi

un

Aeroelastība un reakcija uz vēja brāzmām ilgstoša lidojuma liela pagarinājuma spārniem

tai pašai lidaparātu klasei.

---

Avoti un piezīmes

• Helios prototipa specifikācijas (spārnu plētums 247 pēdas, horda 8 pēdas, relatīvais pagarinājums 30,9:1, spārna biezums 12% no hordas, maksimālā spārna slodze 0,81 lb/kv. pēdu, kreisēšanas ātrums 19–27 mph, augstuma rekords 96 863 pēdas 2001. gada 13. augustā, projektētais mērķis 100 000 pēdas, laminārās plūsmas propellera dizains augstkalnu efektivitātei): NASA Dryden Flight Research Center, "Helios Prototype: The forerunner of 21st century solar-powered 'atmospheric satellites'," FS-2002-08-068 DFRC.
• Laminārās atdalīšanās burbuļa mehānisms (laminārā atdalīšanās pirms pārejas, brīvā bīdes slāņa pāreja, turbulenta atkārtota pievienošanās, spiediena pretestība kā galvenais cēlonis aerodinamiskās kvalitātes pasliktinājumam pie zemiem Reinoldsa skaitļiem), virsmas eļļas plūsmas vizualizācijas metodoloģija un zema Reinoldsa skaitļa testa sekcijas plūsmas kvalitātes standarti (turbulences intensitāte zem 0,1%, plūsmas leņķis ±0,1° robežās, dinamiskā spiediena vienmērīgums ±0,5% robežās): 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, testēts Ilinoisas Universitātes Urbana-Champaign zemas turbulences zemskaņas vēja tunelī Reinoldsa skaitļu diapazonā no 40 000 līdz 500 000 un apstiprināts ar NASA Langley zemas turbulences spiediena tuneļa datiem.
• Samazināta atloku un vadības virsmu efektivitāte ar dramatiski palielinātu pretestību pie lielām novirzēm pie zema Reinoldsa skaitļa: tas pats avots, rezultāti AG455ct aerodinamiskajam profilam ar 30% hordas atloku.
• HALE propelleru un spārnu sekcijas, kas darbojas 10⁴–10⁶ Reinoldsa skaitļu diapazonā, un liela augstuma lidaparāti un propelleri kā pielietojuma joma zema Reinoldsa skaitļa aerodinamikai, kopumā atbilst zema Reinoldsa skaitļa aerodinamikas literatūrai, uz kuru iepriekš atsaucas Selig, Deters un Williamson.
• Modeļa mērogošanas un testa apstākļu vadlīnijas (pielāgojot lidojuma Reinoldsa skaitli, nevis lidojuma ātrumu) ir TunnelTech inženiertehniskā prakse, kas atbilst mūsu publicētajam rakstam par vēja tuneļa mērogošanu UAV testēšanai.