Өндрийн HALE аэродинамик: Рейнольдсын бага тоо ба сийрэг агаар

HALE (Өндөрт удаан нисэх) нисэх онгоцны далавчийн дэлгэц нь Boeing 747-ийнхоос урт байж болох ч тийрэлтэт онгоцноос илүүтэйгээр том загварын планертой төстэй аэродинамик горимд нисдэг. Үүний шалтгаан нь хэмжээ биш, харин өндөр юм: 20 км-ийн өндөр дэх агаарын нягт нь далайн түвшнийхээс аравны нэгээс ч бага байдаг бөгөөд Рейнольдсын тоо нь нягттай шууд хамааралтайгаар өөрчлөгддөг. Стратосферын зааг дээрх том, удаан, нимгэн далавч нь далайн түвшинд байгаа жижиг далавчтай ижил Рейнольдсын бага тооны физик хуульд захирагддаг — зүгээр л тэнд тэс өөр замаар хүрсэн хэрэг юм.

---

1. Энэхүү ойлголтыг бодитоор харуулах нисэх онгоц

NASA-ийн ERAST хөтөлбөрийн хүрээнд AeroVironment компанийн хөгжүүлсэн NASA-ийн Helios Prototype нь үүний хамгийн тод жишээ юм. Түүний албан ёсны үзүүлэлтүүд: 247 фут (75,3 м) далавчийн дэлгэц , 8 футын хөвч , 30,9:1 харьцаатай сунгалт , хөвчийнхөө ердөө 12%-тай тэнцэх зузаантай далавч, мөн далавчийн хамгийн их ачаалал нь ердөө 0,81 фунт/кв.фут . Бага өндөр дэх аяллын хурд нь 19-27 миль/цаг буюу унадаг дугуйн хурдтай ижил байв. 2001 оны 8-р сарын 13-нд уг онгоц 96 863 фут өндөрт хүрсэн нь далавчит нисэх онгоцны тогтвортой хэвтээ нислэгийн дэлхийн дээд амжилт болсон бөгөөд 100 000 фут хүртэл өндөрт ажиллах зорилготойгоор бүтээгдсэн байна.

Асар том сунгалт, цаас шиг нимгэн далавч, тэгтэй тэнцэх шахам далавчийн ачаалал, унадаг дугуйн хурдтай аялал зэрэг эдгээр тоон үзүүлэлт бүр нь хэт өндөр хурд гэхээсээ илүүтэйгээр хэт өндөрт зориулан зохион бүтээсний шууд үр дагавар юм. Helios-ийн сэнснүүд хүртэл тусгай зориулалттай байсан: хоёр иртэй, өргөн хөвчтэй, 79 инчийн диаметртэй, өндөрт ажиллах үр ашгийг нэмэгдүүлэх зорилгоор тусгайлан зохион бүтээсэн ламинар урсгалын дизайнтай байв.

---

2. Рейнольдсын бага тоонд аэродинамик профильд юу тохиолддог вэ

HALE-ийн сэнс болон далавчийн хэсгүүдэд нийтлэг тохиолддог Рейнольдсын тоонд (ихэвчлэн 10⁴-аас 10⁶ хооронд) хил давхарга нь аэродинамик профилийн талаарх бидний ерөнхий ойлголтын үндэс болсон өндөр Re-ийн урсгалаас үндсээрээ өөрөөр ажилладаг. Рейнольдсын бага тоонд хийсэн салхин хонгилын баримтжуулсан туршилтууд энэхүү механизмыг тодорхой харуулдаг: ламинар урсгал нь турбулент урсгалд шилжихээсээ өмнө сөрөг даралтын градиентийн нөлөөгөөр гадаргуугаас салдаг. Салсан шилжилтийн давхарга нь агаарт шилжилт хийж, хэрэв урсгалын дагуу дахин наалдвал ламинар салалтын бөмбөлөг (LSB) үүсгэдэг. Энэ нь гадаргуугийн тосон урсгалын дүрслэлд шууд харагддаг салалт болон дахин наалдалтын шугамаар хязгаарлагдсан, эргэлдэх хөдөлгөөнтэй, ихэвчлэн зогсонги урсгалтай бүс юм.

Үүний үр дагавар нь маш тодорхой: салалтын бөмбөлөг дээгүүр үүсэх даралтын эсэргүүцэл нь Рейнольдсын бага тоонд аэродинамик чанар (өргөх-эсэргүүцлийн харьцаа) буурах гол шалтгаан болдог бөгөөд Рейнольдсын тоо буурах тусам энэ нь огцом илэрч эсвэл дорддог — энэ нь HALE-ийн дизайныг өндөр рүү түлхэж буй яг тэр чиглэл юм.

---

3. Яагаад үүнд тусгай төрлийн салхин хонгил шаардлагатай вэ

Рейнольдсын бага тоон дахь аэродинамик профилийн төлөв байдал нь ламинар хил давхаргаар тодорхойлогддог тул туршилтын хэсгийн турбулентын эрчим нь эрт шилжилтийг өдөөхөөргүй хангалттай бага байх ёстой . Эс бөгөөс салхин хонгил нь нисэх онгоцны бодит байдал дээр тулгарах хил давхаргаас өөр, зохиомлоор "өдөөгдсөн" хил давхаргыг туршиж байна гэсэн үг юм. Энэхүү горимд зориулан тусгайлан барьсан байгууламжуудын баримтжуулсан туршлагаас үзэхэд турбулентын эрчмийг 0,1%-иас бага түвшинд хүргэж, халуун утаст анемометрээр баталгаажуулдаг бөгөөд үүний зэрэгцээ ажлын хэсэг даяар урсгалын өнцгийн жигд байдлыг ойролцоогоор ±0,1°, динамик даралтын жигд байдлыг ±0,5% дотор барьдаг.

HALE хөтөлбөрийн хувьд үүний практик ач холбогдол нь: загварын хэмжээг тодорхойлж, салхин хонгилыг нислэгийн хурдаар биш, харин нислэгийн Рейнольдсын тоог хуулбарлах хурдаар ажиллуулах ёстой. Хэмжээндээ харьцуулахад "хэт хурдан" туршигдсан загвар нь бодит нисэх онгоцны өндөрт хэзээ ч хүрэхгүй өндөр Рейнольдсын тоонд ордог бөгөөд туршилтаар тодорхойлох ёстой гол шинж чанар болох салалтын бөмбөлөг нь шилжих эсвэл алга болдог.

---

4. HALE-д хамааралтай туршилтын кампанит ажил юуг хамрах шаардлагатай вэ

• Зөвхөн хүчний өгөгдөл бус, гадаргуугийн урсгалын дүрслэл . Тосон урсгал эсвэл түүнтэй тэнцэх дүрслэл нь бөмбөлгийг тодорхойлдог ламинар салалт, шилжилт болон дахин наалдалтын шугамуудыг шууд харуулдаг бөгөөд энэ нь зөвхөн аэродинамик жингээр гаргаж авах боломжгүй өгөгдөл юм.
• Өндөр Re-ийн өгөгдлөөс экстраполяци хийсэн биш, харин нислэгийн профайлын бодит өндөртэй тэнцэх Рейнольдсын тоонд гүйцэтгэсэн жинхэнэ Рейнольдсын бага тооны хэмжилтүүд .
• Эдгээр Рейнольдсын тоон дахь профилийн эсэргүүцэл нь өргөх хүчтэй харьцуулахад бага байдаг бөгөөд арын урсгал дахь импульсийн дутагдлын аргаар илүү сайн тодорхойлогддог тул эсэргүүцлийг зөвхөн жингээр бус, арын урсгалын судалгаагаар хэмжих .
• Ялангуяа бага Re үеийн хаалт болон удирдлагын гадаргуугийн төлөв байдалд анхаарал хандуулах — хазайсан удирдлагын гадаргуу нь өндөр Re дахь ижил геометртэй харьцуулахад Рейнольдсын бага тоонд эсэргүүцэл эрс нэмэгдэж, үр ашиг нь буурдаг бөгөөд энэ үр дүнг өндөр хурдны туршилтаас шууд экстраполяци хийх боломжгүй юм.

---

5. Бидний ажигладаг таван алдаа

• Загварын хэмжээг зорилтот Рейнольдсын тоогоор бус, харин тохиромжтой байдлаар сонгох. "Сайхан" масштабтайгаар бүтээгдсэн загвар нь бүхэлдээ буруу Re-д хүрч, шаардлагатайгаас тэс өөр урсгалын горимыг туршихад хүргэж болзошгүй.
• Салхин хонгилыг нислэгийн даалгаварт шаардлагатай Рейнольдсын тоогоор бус, харин хэмжих төхөөрөмжид тохиромжтой хурдаар ажиллуулах. Бага Re-ийн үед туршилтын цэгийг хэмжих хэрэгслийн тав тух биш, харин физик хуулиуд тодорхойлох ёстой.
• Салхин хонгилын турбулентын эрчмийг тоймлох алдаа мэт үзэх. Энэхүү Рейнольдсын горимд шаардлагатай хэмжээнээс нэг хувийн бутархайгаар илүү турбулент байх нь хил давхаргыг эрт өдөөж, туршилтаар тодорхойлох ёстой байсан салалтын бөмбөлгийг устгаж чадна.
• Хүчний өгөгдөл "цэвэр харагдаж байна" гээд урсгалын дүрслэлийг алгасах. Цэвэр харагдах поляра нь буруу газарт байгаа салалтын бөмбөлгийг нууж чаддаг; үүнийг зөвхөн дүрслэлийн тусламжтайгаар л олж мэдэх боломжтой.
• Удирдлагын гадаргуугийн өгөгдлийг өндөр Рейнольдсын тоотой туршилтаас экстраполяци хийх. Бага Re дахь хаалт болон өндрийн жолооны үр ашиг нь ердийн нисэх онгоцны Рейнольдсын тоотой ижил байдлаар масштабчлагддаггүй.

---

6. Энэ нь таны хөтөлбөрт ямар утгатай вэ

Бидэнд зорилтот өндөр болон нислэгийн профайлаа хэлээрэй , бид таны нисэх онгоцны нисэх бодит урсгалын горимыг хуулбарлах загварын хэмжээ болон туршилтын Рейнольдсын тоог тохируулж өгөх болно — энэ нь салхин хонгилын тохиромжтой хурдад тааруулсан зүйл биш байх болно. Холбоотой унших материал:

Холын зайн ННТ-ийн аэродинамикийн туршилт

дээрх бидний төв нийтлэл, мөн ижил ангиллын нисэх онгоцонд зориулсан

Удаан хугацааны нислэгийн, өндөр суналттай далавчны аэроэластик байдал ба салхины огцом үлээлтийн хариу үйлдэл

.

---

Эх сурвалж ба тэмдэглэл

• Helios Prototype-ийн үзүүлэлтүүд (далавчийн дэлгэц 247 фут, хөвч 8 фут, сунгалт 30,9:1, далавчийн зузаан хөвчийн 12%, далавчийн хамгийн их ачаалал 0,81 фунт/кв.фут, аяллын хурд 19–27 миль/цаг, 2001 оны 8-р сарын 13-нд тогтоосон өндрийн дээд амжилт 96 863 фут, 100 000 фут хүртэл ажиллах дизайны зорилт, өндөрт ажиллах үр ашигт зориулсан ламинар урсгалтай сэнсний дизайн): NASA Dryden Flight Research Center, "Helios Prototype: The forerunner of 21st century solar-powered 'atmospheric satellites'," FS-2002-08-068 DFRC.
• Ламинар салалтын бөмбөлгийн механизм (шилжилтээс өмнөх ламинар салалт, чөлөөт шилжилтийн давхаргын шилжилт, турбулент дахин наалдалт, Рейнольдсын бага тоонд аэродинамик чанар буурах гол шалтгаан болох даралтын эсэргүүцэл), гадаргуугийн тосон урсгалын дүрслэлийн арга зүй, болон Рейнольдсын бага тооны туршилтын хэсгийн урсгалын чанарын стандартууд (турбулентын эрчим 0,1%-иас бага, урсгалын өнцөг ±0,1° дотор, динамик даралтын жигд байдал ±0,5% дотор): 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, Иллинойсын Их Сургуулийн Урбана-Шампейн дахь бага турбуленттай дуунаас бага хурдны салхин хонгилд 40 000-аас 500 000 хүртэлх Рейнольдсын тоонд туршиж, NASA Langley-ийн Бага турбуленттай даралтын хонгилын өгөгдлөөр баталгаажуулсан.
• Рейнольдсын бага тоонд их хэмжээгээр хазайх үед эсэргүүцэл эрс нэмэгдэж, хаалт болон удирдлагын гадаргуугийн үр ашиг буурах: ижил эх сурвалж, 30%-ийн хөвчтэй хаалт бүхий AG455ct аэродинамик профиль дээрх үр дүн.
• 10⁴–10⁶ Рейнольдсын тооны хязгаарт ажилладаг HALE-ийн сэнс болон далавчийн хэсгүүд, мөн Рейнольдсын бага тооны аэродинамикийн хэрэглээний салбар болох өндрийн нисэх онгоц болон сэнснүүд нь дээр дурдсан Selig, Deters, Williamson нарын иш татсан Рейнольдсын бага тооны аэродинамикийн ном зохиолтой ерөнхийдөө нийцэж байна.
• Загварын хэмжээг тодорхойлох болон туршилтын нөхцөлийн удирдамж (нислэгийн хурдтай бус, нислэгийн Рейнольдсын тоотой тохируулах) нь TunnelTech-ийн инженерийн туршлага бөгөөд UAV туршилтад зориулан салхин хонгилын хэмжээг тодорхойлох талаар бидний нийтэлсэн өгүүлэлтэй нийцэж байгаа болно.