Inżynieria pochyłego tunelu aerodynamicznego: Projektowanie przepływu powietrza pod kątem 30°–45°
Jak działa pochyły tunel aerodynamiczny: rozkład strumienia, długość strefy roboczej, łopatki kierujące pod niestandardowymi kątami, systemy bezpieczeństwa i koszty.
Przez trzydzieści lat loty w pomieszczeniach oznaczały jedno: pionową kolumnę powietrza utrzymującą ciało wbrew grawitacji. Można było pięknie spadać, ale nie można było nigdzie polecieć.
Pochyły tunel aerodynamiczny to zmienia. Pochylenie strumienia sprawia, że ten sam trik aerodynamiczny, który unosi ciało w swobodnym spadaniu, odtwarza również lot ślizgowy do przodu — co jest przecież głównym celem latania w wingsuicie. To najmłodsza gałąź tej branży, na całym świecie istnieje zaledwie kilka takich obiektów, a większość kwestii inżynieryjnych wciąż pozostaje otwarta.
Ten artykuł poświęcony jest właśnie tym kwestiom.
1. Fizyka: jeden wektor, dwa zadania
W pionowym tunelu opór aerodynamiczny równoważy ciężar, a prędkość pozioma osoby latającej wynosi zero. Po pochyleniu strumienia pod pewnym kątem, rozkłada się on na dwie składowe, które wykonują różną pracę:
- składowa pionowa nadal unosi ciężar osoby latającej, dokładnie tak jak wcześniej;
- składowa pozioma zapewnia wiatr względny dla lotu do przodu, dzięki czemu pilot wingsuita może utrzymać lot ślizgowy zamiast po prostu spadać.
Wymagane pochylenie nie jest przypadkowe — wynika z doskonałości aerodynamicznej wingsuita. Kombinezon lecący z doskonałością rzędu 2:1 do 3:1 wymaga pochylenia strumienia zgodnego z tym stosunkiem, aby osoba latająca mogła przyjąć stabilną, naturalną sylwetkę. Oznacza to, że pochyły tunel to nie jest po prostu „pionowy tunel na zboczu”: kąt jest parametrem projektowym powiązanym z dyscypliną, której służy, a konstrukcje o regulowanym kącie istnieją właśnie dlatego, że różne kombinezony i poziomy umiejętności wymagają różnych warunków.
Dla porównania, pierwszy na świecie obiekt tego typu — Indoor Wingsuit Stockholm firmy Inclined Labs w Bromma — posiada komorę lotu o szerokości 16,5 stopy i długości 33 stóp, w której lata się zazwyczaj przy prędkości 90–130 km/h, z możliwością regulacji zarówno prędkości, jak i kąta nachylenia. Pierwszy lot w wingsuicie w obiekcie zamkniętym odbył się tam w kwietniu 2016 roku w pełnowymiarowej komorze prototypowej, a obiekt został udostępniony klientom we wrześniu 2017 roku.
2. Dlaczego jest to trudniejsze niż w przypadku pionowego tunelu
Strefa robocza musi być długa. Lot ślizgowy wymaga przestrzeni wzdłuż toru lotu, a nie tylko nad osobą latającą. Ten jeden wymóg determinuje konstrukcję budynku: komora lotu staje się długą, pochyłą przestrzenią, a nie zwartą kolumną, i każdy jej metr musi utrzymywać odpowiednią jakość przepływu.
Warstwa przyścienna rośnie na całej tej długości. W długiej przestrzeni testowej efektywny przekrój przepływu kurczy się w miarę grubienia warstwy przyściennej, a strumień swobodny przyspiesza, jeśli kanał ma kształt pryzmatyczny. Uzyskanie jednolitej prędkości od wlotu do wylotu zazwyczaj oznacza celowe kształtowanie przekroju wzdłuż strefy roboczej.
Łopatki kierujące pracują pod kątami, dla których nigdy nie były stabelaryzowane. Obiegi pionowych tuneli budowane są z dobrze poznanych naroży 90° z palisadami łopatek kierujących, których współczynniki strat są znane. Po pochyleniu obiegu kąty naroży ulegają zmianie, przepływ dociera do palisady inaczej, a cięciwa, rozstaw i krzywizna łopatek muszą zostać obliczone na nowo, a nie po prostu skopiowane. Błąd w tym miejscu kosztuje podwójnie: w stratach ciśnienia, co oznacza wyższe zużycie mocy wentylatorów już na zawsze, oraz w niejednorodności przepływu, którą osoba latająca odczuje bezpośrednio.
Systemy bezpieczeństwa działają w więcej niż jednej płaszczyźnie. W pionowym tunelu siatka bezpieczeństwa znajduje się na dole, a w przypadku błędu osoba latająca wykonuje kontrolowane lądowanie. W pochyłej komorze lotu osoba tracąca siłę nośną przemieszcza się wzdłuż pochylni, a także w dół — dlatego systemy asekuracyjne, siatki i dostęp muszą zostać rozwiązane na obu końcach strefy roboczej oraz wzdłuż jej długości.
Wejście i wyjście to problem projektowy, a nie tylko kwestia drzwi. Wprowadzenie pilota w sprzęcie wingsuit do poruszającego się, pochyłego strumienia i jego bezpieczne wyprowadzenie, bez konieczności zatrzymywania tunelu dla każdej osoby, definiuje komercyjną przepustowość całego obiektu.
3. Decyzje kształtujące projekt
- Stałe lub regulowane pochylenie. Regulowana geometria poszerza rynek docelowy — różne kombinezony, warunki dla początkujących i ekspertów, dyscypliny inne niż wingsuit — ale zwiększa złożoność mechaniczną, wyzwania związane z uszczelnieniem oraz koszty.
- Przekrój poprzeczny komory. Określa maksymalną rozpiętość skrzydeł w locie, liczbę osób latających jednocześnie i bezpośrednio wpływa na wymaganą moc wentylatorów.
- Zakres prędkości i stabilność. Kontrolowany zakres ma większe znaczenie niż prędkość maksymalna: sesje coachingowe odbywają się przy niższych prędkościach, a zmiany skokowe muszą być płynne.
- Architektura obiegu. Obieg zamknięty (recyrkulacyjny) zapewnia kontrolę nad energią i temperaturą, wiążąc się ze wszystkimi opisanymi wyżej kwestiami dotyczącymi łopatek; obieg otwarty jest prostszy, ale rzadko opłacalny przy takiej liczbie godzin pracy.
- Chłodzenie. Energia wentylatorów zamienia się w ciepło w powietrzu. Strategie są takie same jak w innych przypadkach — pasywna wentylacja tam, gdzie pozwala na to klimat, lub aktywna wymiana ciepła tam, gdzie nie jest to możliwe — a kompromisy z tym związane opisano w
.
- Aparatura pomiarowa i sprzęt do coachingu. Zasięg kamer, telemetria i analiza wideo nie są tu dodatkami: w tak młodej dyscyplinie produkt szkoleniowy stanowi dużą część przychodów.
4. Wpływ na budynek
Pochyły tunel aerodynamiczny jest najbardziej wymagającą pod względem lokalizacji z trzech architektur, ponieważ potrzebuje zarówno długości, jak i wysokości — głębokości konstrukcyjnej pionowego tunelu połączonej z powierzchnią zabudowy tunelu poziomego. Wynikają z tego dwie konsekwencje.
Po pierwsze, wybór lokalizacji poprzedza projektowanie . Wysokość sufitu, rozpiętość, nośność fundamentów i dostępna moc elektryczna ograniczają możliwe do uzyskania wymiary komory lotu jeszcze przed rozpoczęciem jakichkolwiek prac aerodynamicznych.
Po drugie, istniejące budynki przemysłowe stanowią realną opcję . Obiekt w Sztokholmie mieści się w konstrukcji w Bromma, pierwotnie zbudowanej do badań nad lotnictwem wojskowym w latach 30. i 40. XX wieku — co przypomina, że duże, stare hale o znacznej wysokości i wytrzymałych posadzkach to dokładnie te zasoby, które nasza branża może ponownie wykorzystać. Ścieżka retrofitu ma swoje własne kompromisy, które omawiamy w
[Article not found: modernizing-old-wind-tunnels-retrofit-vs-new-build].
5. Gdzie faktycznie leżą koszty
Ogólnie rzecz biorąc, czynniki generujące koszty są takie same jak w przypadku dużego pionowego tunelu aerodynamicznego — moc napędowa, kanały, konstrukcja, systemy bezpieczeństwa — z dwoma dodatkami specyficznymi dla wariantu pochyłego: dłuższą strefą roboczą (więcej kanałów, więcej konstrukcji, większa powierzchnia do utrzymania jednorodności przepływu) oraz inżynierią łopatek kierujących i geometrii, której nie można odziedziczyć po istniejącej linii produktów.
Z komercyjnego punktu widzenia oznacza to, że: pochyłe tunele nagradzają niestandardową inżynierię i karzą za myślenie katalogowe. Nie ma standardowego modelu, który można by po prostu powiększyć lub pomniejszyć, ponieważ standard jeszcze nie istnieje. Stanowi to ryzyko dla nabywcy, który oczekuje stałej ceny od pierwszego dnia, ale jest zaletą dla kogoś, kto pragnie obiektu wyróżniającego się na tle wszystkich innych atrakcji na rynku.
Aby dowiedzieć się, jak obiekt pochyły wypada na tle innych architektur, zobacz nasze
[Article not found: horizontal-vertical-inclined-wind-tunnels-comparison].
6. O co pytamy przed przygotowaniem wyceny
O koncepcji decyduje pięć czynników: dostępna kubatura budynku, docelowy profil osoby latającej (początkujący, sportowi piloci wingsuit, szkolenia profesjonalne lub wojskowe), to, czy pochylenie musi być regulowane, liczba osób latających jednocześnie oraz docelowa przepustowość dzienna. Wszystko inne — moc, wymiary komory lotu, konstrukcja łopatek kierujących, strategia chłodzenia — wynika z tych założeń.
Projektujemy, produkujemy, instalujemy i uruchamiamy niestandardowe systemy tuneli aerodynamicznych, w tym konfiguracje pochyłe, biorąc na siebie pełną odpowiedzialność od koncepcji po przekazanie obiektu. Prześlij nam plany swojego budynku oraz profil docelowych użytkowników , a my wrócimy z koncepcyjnym układem i szacunkowym zapotrzebowaniem na moc. Powiązane lektury: nasze artykuły o
[Article not found: inclined-wind-tunnel-building-requirements]i
[Article not found: indoor-wingsuit-facility-economics].
Źródła i uwagi
- Dane obiektu referencyjnego — komora lotu o szerokości 16,5 stopy × długości 33 stóp, typowe prędkości lotu 90–130 km/h, regulowana prędkość i pochylenie, pierwszy lot w wingsuicie w obiekcie zamkniętym w kwietniu 2016 r., otwarcie dla klientów we wrześniu 2017 r., budynek w Bromma pierwotnie zbudowany do celów badawczo-rozwojowych lotnictwa wojskowego w latach 30. i 40. XX wieku: Indoor Wingsuit Flying Stockholm, Indoor Skydiving Source, Indoor Wingsuit Flying Just Became a Reality, Inclined Labs.
- Doskonałość aerodynamiczna wingsuita rzędu 2:1 do 3:1 to powszechnie podawany zakres osiągów dla nowoczesnych kombinezonów, który znacznie różni się w zależności od kombinezonu, pilota i techniki; należy traktować to jako wartość orientacyjną, a nie specyfikację projektową.
- Dyskusja inżynieryjna (długość strefy roboczej, przyrost warstwy przyściennej, przeprojektowanie łopatek kierujących dla niestandardowych kątów naroży, wielopłaszczyznowe systemy bezpieczeństwa) opiera się na praktyce inżynieryjnej TunnelTech.
- Wcześniejsze wewnętrzne szkice podawały składową poziomą na poziomie 100–160 km/h i długości strefy roboczej rzędu 8–15 m. Opublikowany obiekt referencyjny działa przy prędkości 90–130 km/h w 10-metrowej komorze lotu; należy korzystać ze zweryfikowanych danych.