Ontwerp van een hellende windtunnel: Luchtstroming bij 30°-45°

Dertig jaar lang betekende indoor vliegen maar één ding: een verticale luchtkolom die een lichaam tegen de zwaartekracht in omhoog hield. Je kon prachtig vallen, maar je kon nergens heen.

De hellende windtunnel brengt daar verandering in. Kantel de stroming, en dezelfde aerodynamische truc die een lichaam in vrije val ondersteunt, reproduceert ook een voorwaartse glijvlucht — wat de essentie is van een wingsuit. Het is de jongste tak van de industrie, er zijn wereldwijd slechts een handvol faciliteiten en de meeste technische vraagstukken staan nog echt open.

Dit artikel gaat over die vraagstukken.

1. De fysica: één vector, twee taken

In een verticale windtunnel balanceert de luchtweerstand het gewicht en is de horizontale snelheid van de vlieger nul. Kantel de stroming onder een hoek en deze ontbindt zich in twee componenten die verschillend werk verrichten:

de verticale component draagt nog steeds het gewicht van de vlieger, precies zoals voorheen;
de horizontale component levert de relatieve wind voor de voorwaartse vlucht, zodat een wingsuit-piloot een glijvlucht kan aanhouden in plaats van alleen maar te vallen.

De vereiste kanteling is niet willekeurig — deze volgt uit de glijprestaties van de wingsuit. Een pak dat vliegt met een glijgetal van ruwweg 2:1 tot 3:1 heeft een stromingshelling nodig die overeenkomt met die verhouding, zodat de vlieger een stabiele, natuurlijke lichaamshouding kan aannemen. Dit betekent dat een hellende windtunnel geen "verticale windtunnel op een helling" is: de hoek is een ontwerpparameter die verbonden is aan de discipline die hij bedient, en ontwerpen met een instelbare hoek bestaan juist omdat verschillende pakken en vaardigheidsniveaus om verschillende omstandigheden vragen.

Ter referentie: de eerste hellende faciliteit ter wereld — Indoor Wingsuit Stockholm van Inclined Labs in Bromma — werkt met een vluchtkamer van 16,5 ft breed en 33 ft lang, waarbij vliegers doorgaans vliegen met 90–130 km/h, en waarbij zowel de snelheid als de hellingshoek instelbaar zijn. De eerste indoor wingsuit-vlucht vond daar plaats in april 2016 in een prototype vluchtkamer op ware grootte, en de faciliteit opende in september 2017 haar deuren voor klanten.

2. Waarom het complexer is dan een verticale windtunnel

De werkzone moet lang zijn. Een glijvlucht heeft ruimte nodig langs het vliegpad, niet alleen boven de vlieger. Die ene vereiste is bepalend voor het gebouw: de vluchtkamer wordt een lang, hellend volume in plaats van een compacte kolom, en elke meter ervan moet de stromingskwaliteit behouden.

Grenzlagen langs de wand groeien over die lengte. In een lang testvolume krimpt het effectieve doorstroomoppervlak naarmate de grenslaag dikker wordt, en de ongestoorde stroming versnelt als het kanaal prismatisch is. Om een uniforme snelheid van inlaat tot uitlaat te krijgen, moet de doorsnede langs de werkzone meestal bewust worden gevormd.

Geleideschoepen werken onder hoeken waarvoor ze nooit zijn getabelleerd. Verticale windtunnelcircuits zijn opgebouwd uit goed begrepen 90°-hoeken met cascade-geleideschoepen waarvan de verliescoëfficiënten bekend zijn. Kantel het circuit en de hoeken veranderen, de stroming bereikt de cascade anders, en de koorde, de tussenruimte en de welving van de schoepen moeten allemaal opnieuw worden berekend in plaats van gekopieerd. Doe je dit verkeerd, dan betaal je dubbel: in drukverlies, en dus permanent in ventilatorvermogen, en in een gebrek aan stromingsuniformiteit die de vlieger direct voelt.

Veiligheidssystemen bevinden zich in meer dan één vlak. In een verticale windtunnel bevindt het veiligheidsnet zich onderaan en is het faalscenario van de vlieger een gecontroleerde landing. In een hellende vluchtkamer beweegt een vlieger die lift verliest zich zowel langs de helling als naar beneden — dus opvangsystemen, netten en toegang moeten aan beide uiteinden van de werkzone én over de gehele lengte worden opgelost.

In- en uitstappen is een ontwerpprobleem, niet zomaar een deur. Een piloot in wingsuit-uitrusting in een bewegende, hellende stroming krijgen, en er weer uit, zonder de windtunnel voor elke vlieger te stoppen, bepaalt de commerciële doorvoercapaciteit van de hele faciliteit.

3. De beslissingen die het project vormgeven

Vaste of instelbare hellingshoek. Een instelbare geometrie vergroot de doelmarkt — verschillende pakken, condities voor beginners en experts, non-wingsuit disciplines — en voegt mechanische complexiteit, afdichtingsuitdagingen en kosten toe.
Doorsnede van de vluchtkamer. Bepaalt de maximale spanwijdte tijdens de vlucht, het aantal gelijktijdige vliegers en heeft direct invloed op het benodigde ventilatorvermogen.
Snelheidsbereik en stabiliteit. Het regelbare bereik is belangrijker dan de topsnelheid: coaching vindt plaats aan de onderkant van het bereik, en stapsgewijze veranderingen moeten soepel verlopen.
Circuitarchitectuur. Een gesloten circuit voor energie- en temperatuurregeling, met alle bovengenoemde vraagstukken rondom geleideschoepen; een open circuit is eenvoudiger en zelden rendabel bij deze draaiuren.
Koelsysteem. Ventilatorenergie wordt warmte in de lucht. De strategieën zijn hetzelfde als elders — passieve ventilatie waar het klimaat het toelaat, actieve warmtewisseling waar dat niet zo is — en de afwegingen staan in

[Article not found: upgrading-wind-tunnel-cooling-systems-extreme-climates]

Instrumentatie voor coaching. Cameradekking, telemetrie en videobeoordeling zijn hier geen extra's: in een discipline die zo jong is, vormt het instructieproduct een groot deel van de inkomsten.

4. De impact op het gebouw

Een hellende windtunnel is van de drie architecturen het meest veeleisend qua locatie, omdat deze zowel lengte als hoogte nodig heeft — de structurele diepte van een verticale windtunnel gecombineerd met het vloeroppervlak van een horizontale windtunnel. Hieruit volgen twee consequenties.

Ten eerste, locatiekeuze gaat vooraf aan het ontwerp . Plafondhoogte, overspanning, funderingscapaciteit en beschikbaar elektrisch vermogen beperken de haalbare vluchtkamer nog voordat er enig aerodynamisch werk begint.

Ten tweede, bestaande industriële gebouwen zijn een reële optie . De faciliteit in Stockholm is gehuisvest in een gebouw in Bromma dat oorspronkelijk in de jaren '30 en '40 werd gebouwd voor militair luchtvaartonderzoek — een herinnering dat grote oude hallen met royale hoogte en zware vloeren precies het soort vastgoed is dat deze industrie kan hergebruiken. Het retrofit-traject heeft zijn eigen afwegingen, die we behandelen in

[Article not found: modernizing-old-wind-tunnels-retrofit-vs-new-build]

5. Waar de kosten werkelijk in zitten

In grote lijnen zijn de kostenbepalende factoren hetzelfde als voor een grote verticale windtunnel — aandrijfvermogen, kanalen, constructie, veiligheidssystemen — met twee toevoegingen die specifiek zijn voor de hellende variant: de langere werkzone (meer kanalen, meer constructie, meer oppervlak om uniform te houden) en de engineering van de geleideschoepen en geometrie die niet kan worden overgenomen van een bestaande productlijn.

Wat dat commercieel betekent: hellende windtunnels belonen maatwerk-engineering en straffen catalogusdenken af. Er is geen standaardmodel om op of af te schalen, omdat er simpelweg nog geen standaard is. Dat is een risico voor een koper die op dag één een vaste prijs wil, en een voordeel voor iemand die een faciliteit wil die zich onderscheidt van elke andere attractie in de markt.

Voor de positionering van een hellende faciliteit ten opzichte van de andere architecturen, zie onze

[Article not found: horizontal-vertical-inclined-wind-tunnels-comparison]

6. Wat we vragen voordat we een offerte uitbrengen

Vijf inputvariabelen bepalen het concept: de beschikbare gebouwschil, het beoogde vliegersprofiel (beginners, sport-wingsuitpiloten, professionele of militaire training), of de hellingshoek instelbaar moet zijn, het aantal gelijktijdige vliegers en de beoogde dagelijkse doorvoercapaciteit. Al het andere — vermogen, afmetingen van de vluchtkamer, ontwerp van de geleideschoepen, koelstrategie — volgt daaruit.

Wij ontwerpen, produceren, installeren en verzorgen de inbedrijfstelling van op maat gemaakte windtunnelsystemen, inclusief hellende configuraties, met één centraal aanspreekpunt van concept tot oplevering. Stuur ons uw gebouw en uw vliegersprofiel en wij komen bij u terug met een conceptlay-out en een schatting van het vermogen. Gerelateerd leesvoer: onze artikelen over

[Article not found: inclined-wind-tunnel-building-requirements]

[Article not found: indoor-wingsuit-facility-economics]

Bronnen en opmerkingen

Gegevens referentiefaciliteit — vluchtkamer 16,5 ft breed × 33 ft lang, typische vliegsnelheden 90–130 km/h, instelbare snelheid en hellingshoek, eerste indoor wingsuit-vlucht april 2016, opening voor klanten september 2017, gebouw in Bromma oorspronkelijk gebouwd voor R&D in de militaire luchtvaart in de jaren '30 en '40: Indoor Wingsuit Flying Stockholm, Indoor Skydiving Source, Indoor Wingsuit Flying Just Became a Reality, Inclined Labs.
Wingsuit-glijgetallen van ruwweg 2:1 tot 3:1 vormen de algemeen genoemde prestatiebandbreedte voor moderne pakken en variëren sterk afhankelijk van het pak, de piloot en de techniek; beschouw dit als indicatief, niet als een ontwerpspecificatie.
De technische discussie (lengte van de werkzone, groei van de grenslaag, herontwerp van geleideschoepen bij niet-standaard hoeken, veiligheidssystemen in meerdere vlakken) is gebaseerd op de engineeringpraktijk van TunnelTech.
Eerdere interne concepten noemden een horizontale component van 100–160 km/h en werkzonelengtes van 8–15 m. De gepubliceerde referentiefaciliteit werkt met 90–130 km/h in een vluchtkamer van 10 m; gebruik de geverifieerde cijfers.

Engineering van een hellende windtunnel: Luchtstroming ontwerpen onder 30°–45°