Aerodinâmica HALE de Alta Altitude: Baixos Números de Reynolds e Ar Rarefeito

Uma aeronave HALE pode ter uma envergadura maior que a de um Boeing 747 e, ainda assim, voar em um regime aerodinâmico mais próximo ao de um grande planador de aeromodelismo do que ao de um jato comercial. O motivo é a altitude, não o tamanho: a densidade do ar a 20 km é bem inferior a um décimo do que é ao nível do mar, e o número de Reynolds é diretamente proporcional à densidade. Uma asa grande, lenta e fina no limite da estratosfera acaba sujeita à mesma física de baixo número de Reynolds de uma asa pequena ao nível do mar — ela apenas chegou lá por um caminho completamente diferente.

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1. A aeronave que torna o ponto concreto

O Protótipo Helios da NASA, desenvolvido pela AeroVironment no âmbito do programa ERAST da NASA, é a ilustração mais clara já registrada. Suas especificações oficiais: uma envergadura de 247 pés (75,3 m) , uma corda de 8 pés , um alongamento de 30,9 para 1 , uma asa com espessura de apenas 12% da corda e uma carga alar máxima de apenas 0,81 lb por pé quadrado . A velocidade de cruzeiro em baixa altitude era de 19 a 27 mph — a velocidade de uma bicicleta. Em 13 de agosto de 2001, atingiu uma altitude de 96.863 pés , um recorde mundial de voo horizontal sustentado por uma aeronave com asas, com um objetivo de projeto de operar até 100.000 pés.

Cada um desses números — o enorme alongamento, a asa fina como papel, a carga alar quase zero, o cruzeiro na velocidade de uma bicicleta — é uma consequência direta de projetar para altitudes extremas em vez de velocidades extremas. Até mesmo as hélices do Helios foram construídas para esse fim: unidades de duas pás, corda larga e 79 polegadas de diâmetro, com um projeto de fluxo laminar especificamente para eficiência em alta altitude .

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2. O que realmente acontece com um aerofólio em baixo número de Reynolds

Nos números de Reynolds típicos de seções de asas e hélices HALE — comumente citados na faixa de 10⁴ a 10⁶ —, a camada limite se comporta de maneira fundamentalmente diferente do escoamento de alto Re sobre o qual a maior parte da intuição sobre aerofólios é construída. Testes documentados em túnel de vento de baixo número de Reynolds mostram o mecanismo claramente: o escoamento laminar se separa da superfície sob um gradiente de pressão adverso antes que possa transitar para o escoamento turbulento. A camada de cisalhamento separada então transita em pleno ar e, se for reanexada a jusante, forma uma bolha de separação laminar (LSB) — uma região de escoamento recirculante e amplamente estagnado, delimitada por linhas de separação e reanexação que são diretamente visíveis na visualização do escoamento de óleo na superfície.

A consequência não é sutil: o arrasto de pressão gerado sobre a bolha de separação é a principal causa da degradação da razão de sustentação-arrasto em baixos números de Reynolds, e pode aparecer ou piorar drasticamente à medida que o número de Reynolds cai — exatamente a direção para a qual a altitude empurra um projeto HALE.

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3. Por que isso exige um tipo específico de túnel de vento

Como o comportamento do aerofólio em baixo número de Reynolds é governado pela camada limite laminar, a intensidade de turbulência da seção de testes deve ser baixa o suficiente para não desencadear, por si só, uma transição precoce — caso contrário, o túnel de vento estará testando uma camada limite diferente, artificialmente "induzida", daquela que a aeronave realmente encontrará. A prática documentada em instalações construídas especificamente para esse regime atinge uma intensidade de turbulência inferior a 0,1%, validada com anemometria de fio quente, juntamente com uma uniformidade do ângulo de escoamento de cerca de ±0,1° e uniformidade da pressão dinâmica de ±0,5% em toda a seção de testes.

A implicação prática para um programa HALE: o modelo deve ser dimensionado e o túnel operado na velocidade que reproduz o número de Reynolds de voo , não a velocidade de voo. Um modelo testado "rápido demais" para o seu tamanho fica em um número de Reynolds mais alto do que a aeronave real jamais verá em altitude, e a bolha de separação — a característica exata que o teste visa caracterizar — se move ou desaparece.

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4. O que uma campanha de testes relevante para HALE precisa capturar

• Visualização do escoamento na superfície , não apenas dados de força. A visualização com óleo ou equivalente mostra diretamente as linhas de separação laminar, transição e reanexação que definem a bolha — dados que uma balança sozinha não pode fornecer.
• Uma varredura genuína de baixo número de Reynolds , executada no número de Reynolds real equivalente à altitude para o perfil da missão, e não extrapolada a partir de dados de alto Re.
• Arrasto medido por análise de esteira, não apenas por balança , uma vez que o arrasto de perfil nesses números de Reynolds é pequeno em relação à sustentação e é melhor resolvido por meio de métodos de déficit de momento na esteira.
• Atenção específica ao comportamento do flap e da superfície de controle em baixo Re — superfícies de controle defletidas mostram um arrasto drasticamente aumentado e eficácia reduzida em baixos números de Reynolds em comparação com a mesma geometria em Re mais alto, um resultado que não se extrapola de forma limpa a partir de testes em velocidades mais altas.

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5. Cinco erros que observamos

• Dimensionar o modelo por conveniência em vez do número de Reynolds alvo. Um modelo construído em uma escala "agradável" pode acabar em um Re totalmente errado, testando um regime de escoamento diferente daquele que importa.
• Operar o túnel em uma velocidade que a balança prefere, em vez do número de Reynolds que a missão exige. Em baixo Re, a física — não o conforto da instrumentação — deve definir o ponto de teste.
• Tratar a intensidade de turbulência do túnel como um erro de arredondamento. Neste regime de Reynolds, uma turbulência uma fração de porcentagem acima do necessário pode induzir a camada limite precocemente e apagar a bolha de separação que o teste pretendia caracterizar.
• Pular a visualização do escoamento porque os dados de força "parecem limpos". Uma polar de aparência limpa ainda pode esconder uma bolha de separação no lugar errado; a visualização é como você descobre isso.
• Extrapolar dados de superfície de controle a partir de um teste de número de Reynolds mais alto. A eficácia do flap e do profundor em baixo Re não escala da mesma forma que nos números de Reynolds de aeronaves convencionais.

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6. O que isso significa para o seu programa

Informe-nos sua altitude alvo e perfil de missão , e nós dimensionaremos um modelo e definiremos um número de Reynolds de teste que reproduza o regime de escoamento real no qual sua aeronave voará — não aquele que por acaso se adapta a uma velocidade conveniente do túnel. Leitura relacionada: nosso artigo principal sobre

Ensaios aerodinâmicos de VANTs de longo alcance

e

Aeroelasticidade e Resposta a Rajadas para Asas de Grande Alongamento e Longa Autonomia

para a mesma classe de aeronaves.

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Fontes e notas

• Especificações do Protótipo Helios (envergadura de 247 pés, corda de 8 pés, alongamento de 30,9:1, espessura da asa de 12% da corda, carga alar máxima de 0,81 lb/pé², velocidade de cruzeiro de 19–27 mph, recorde de altitude de 96.863 pés em 13 de agosto de 2001, objetivo de projeto de 100.000 pés, projeto de hélice de fluxo laminar para eficiência em alta altitude): NASA Dryden Flight Research Center, "Helios Prototype: The forerunner of 21st century solar-powered 'atmospheric satellites'," FS-2002-08-068 DFRC.
• Mecanismo da bolha de separação laminar (separação laminar antes da transição, transição da camada de cisalhamento livre, reanexação turbulenta, arrasto de pressão como a principal causa da degradação da razão de sustentação-arrasto em baixos números de Reynolds), metodologia de visualização do escoamento de óleo na superfície e padrões de qualidade do escoamento da seção de testes de baixo número de Reynolds (intensidade de turbulência abaixo de 0,1%, ângulo de escoamento dentro de ±0,1°, uniformidade da pressão dinâmica dentro de ±0,5%): 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, testado no túnel de vento subsônico de baixa turbulência da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign em números de Reynolds de 40.000 a 500.000, e validado com dados do Túnel de Pressão de Baixa Turbulência da NASA Langley.
• Eficácia reduzida do flap e da superfície de controle com arrasto drasticamente aumentado em grandes deflexões em baixo número de Reynolds: mesma fonte, resultados no aerofólio AG455ct com um flap de 30% da corda.
• Seções de asas e hélices HALE operando na faixa de número de Reynolds de 10⁴–10⁶, e aeronaves e hélices de alta altitude como uma área de aplicação para aerodinâmica de baixo número de Reynolds, são amplamente consistentes com a literatura de aerodinâmica de baixo número de Reynolds referenciada por Selig, Deters e Williamson acima.
• A orientação sobre o dimensionamento do modelo e as condições de teste (correspondendo ao número de Reynolds de voo em vez da velocidade de voo) é uma prática de engenharia da TunnelTech, consistente com nosso artigo publicado sobre o dimensionamento de um túnel de vento para testes de VANTs.