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

Uma aeronave HALE pode ter uma envergadura superior à de um Boeing 747 e, ainda assim, voar num regime aerodinâmico mais próximo do de um grande planador de aeromodelismo do que de um avião a jato. A razão é a altitude, não o tamanho: a densidade do ar a 20 km é muito inferior a um décimo daquela ao nível do mar, e o número de Reynolds varia diretamente com a densidade. Uma asa grande, lenta e fina no limite da estratosfera acaba por estar sujeita à mesma física de baixo número de Reynolds que uma asa pequena ao nível do mar — apenas chegou lá por uma via completamente diferente.

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1. A aeronave que concretiza o conceito

O Protótipo Helios da NASA, desenvolvido pela AeroVironment no âmbito do programa ERAST da NASA, é a ilustração mais clara de que há registo. As 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 uma espessura de apenas 12% da corda , e uma carga alar máxima de apenas 0,81 lb por pé quadrado . A velocidade de cruzeiro a baixa altitude era de 19 a 27 mph — a velocidade de uma bicicleta. A 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 aos 100.000 pés.

Cada um destes números — o enorme alongamento, a asa fina como papel, a carga alar quase nula, o cruzeiro à velocidade de uma bicicleta — é uma consequência direta de projetar para altitudes extremas em vez de velocidades extremas. Até as hélices do Helios foram construídas para o efeito: unidades de duas pás, corda larga e 79 polegadas de diâmetro com um design de escoamento laminar especificamente para eficiência a alta altitude .

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2. O que realmente acontece a um perfil aerodinâmico com um baixo número de Reynolds

Nos números de Reynolds típicos das secções de hélice e asa de aeronaves HALE — frequentemente citados na gama de 10⁴ a 10⁶ — a camada limite comporta-se de forma fundamentalmente diferente do escoamento de alto Re no qual se baseia a maior parte da intuição sobre perfis aerodinâmicos. Ensaios documentados em túnel de vento a baixos números de Reynolds mostram o mecanismo de forma clara: o escoamento laminar separa-se da superfície sob um gradiente de pressão adverso antes de poder transitar para escoamento turbulento. A camada de corte separada transita então em pleno ar e, se voltar a colar a jusante, forma uma bolha de separação laminar (LSB) — uma região de escoamento recirculante e maioritariamente estagnado, delimitada por linhas de separação e recolagem que são diretamente visíveis na visualização do escoamento de óleo à superfície.

A consequência não é subtil: o arrasto de pressão gerado sobre a bolha de separação é a principal causa da degradação da razão de sustentação/arrasto a baixos números de Reynolds, e pode surgir ou agravar-se acentuadamente à medida que o número de Reynolds diminui — exatamente a direção para a qual a altitude empurra um projeto HALE.

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3. Por que razão isto exige um tipo específico de túnel de vento

Como o comportamento do perfil aerodinâmico a baixos números de Reynolds é governado pela camada limite laminar, a intensidade de turbulência da secção de ensaio tem de ser suficientemente baixa para não desencadear, por si só, uma transição precoce — caso contrário, o túnel estará a testar uma camada limite diferente, artificialmente "tropeçada", em relação àquela que a aeronave irá realmente encontrar. A prática documentada em instalações construídas especificamente para este 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 uma uniformidade da pressão dinâmica de ±0,5% em toda a secção de trabalho.

A implicação prática para um programa HALE: o modelo tem de ser dimensionado e o túnel operado à velocidade que reproduz o número de Reynolds de voo , e não a velocidade de voo. Um modelo testado "demasiado rápido" para o seu tamanho encontra-se num número de Reynolds superior ao que a aeronave real alguma vez verá em altitude, e a bolha de separação — a característica exata que o ensaio visa caracterizar — move-se ou desaparece.

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4. O que uma campanha de ensaios relevante para HALE precisa de captar

• Visualização do escoamento à superfície , não apenas dados de força. A visualização com óleo ou equivalente mostra diretamente as linhas de separação laminar, transição e recolagem que definem a bolha — dados que uma balança, por si só, não consegue fornecer.
• Um varrimento genuíno a baixo número de Reynolds , executado no número de Reynolds real equivalente à altitude para o perfil da missão, e não extrapolado a partir de dados de Re mais elevados.
• Arrasto medido por pesquisa de esteira, não apenas por balança , uma vez que o arrasto de perfil nestes números de Reynolds é pequeno em relação à sustentação e é melhor resolvido através de métodos de défice de momento na esteira.
• Atenção ao comportamento dos flaps e superfícies de controlo especificamente a baixo Re — superfícies de controlo defletidas mostram um arrasto drasticamente aumentado e uma eficácia reduzida a baixos números de Reynolds em comparação com a mesma geometria a Re mais elevados, um resultado que não se extrapola de forma linear a partir de ensaios a velocidades mais elevadas.

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5. Cinco erros que observamos

• Dimensionar o modelo por conveniência em vez de pelo número de Reynolds alvo. Um modelo construído a uma escala "agradável" pode acabar num Re totalmente errado, testando um regime de escoamento diferente daquele que importa.
• Operar o túnel a uma velocidade adequada para a balança em vez do número de Reynolds que a missão exige. A baixo Re, é a física — e não a conveniência da instrumentação — que tem de definir o ponto de ensaio.
• Tratar a intensidade de turbulência do túnel como um erro de arredondamento. Neste regime de Reynolds, uma turbulência uma fração de percentagem acima do necessário pode fazer tropeçar a camada limite precocemente e apagar a bolha de separação que o ensaio pretendia caracterizar.
• Saltar a visualização do escoamento porque os dados de força "parecem limpos". Uma polar com aspeto limpo pode ainda esconder uma bolha de separação no local errado; a visualização é a forma de o descobrir.
• Extrapolar dados de superfícies de controlo a partir de um ensaio com um número de Reynolds mais elevado. A eficácia dos flaps e dos profundores a baixo Re não escala da mesma forma que nos números de Reynolds de aeronaves convencionais.

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6. O que isto significa para o seu programa

Diga-nos a sua altitude alvo e o perfil da missão , e dimensionaremos um modelo e definiremos um número de Reynolds de ensaio que reproduza o regime de escoamento real em que a sua aeronave irá voar — e não aquele que por acaso se adequa a uma velocidade conveniente do túnel. Leitura relacionada: o nosso artigo central sobre

Ensaios aerodinâmicos de UAVs de longo alcance

, e

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

para a mesma classe de aeronaves.

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Fontes e notas

• Especificações do Protótipo Helios (envergadura 247 pés, corda 8 pés, alongamento 30,9:1, espessura da asa 12% da corda, carga alar máxima 0,81 lb/pé quadrado, velocidade de cruzeiro 19–27 mph, recorde de altitude 96.863 pés a 13 de agosto de 2001, objetivo de projeto de 100.000 pés, design de hélice de escoamento laminar para eficiência a 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 corte livre, recolagem turbulenta, arrasto de pressão como a principal causa da degradação da razão de sustentação/arrasto a baixos números de Reynolds), metodologia de visualização do escoamento de óleo à superfície, e normas de qualidade do escoamento da secção de ensaio a baixos números de Reynolds (intensidade de turbulência inferior a 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 subsónico de baixa turbulência da University of Illinois at Urbana-Champaign em números de Reynolds de 40.000 a 500.000, e validado com dados do NASA Langley Low-Turbulence Pressure Tunnel.
• Eficácia reduzida dos flaps e superfícies de controlo com arrasto drasticamente aumentado em grandes deflexões a baixo número de Reynolds: mesma fonte, resultados no perfil aerodinâmico AG455ct com um flap de 30% da corda.
• Secções de hélice e asa HALE a operar na gama de números de Reynolds de 10⁴–10⁶, e aeronaves e hélices de alta altitude como área de aplicação para a aerodinâmica de baixos números de Reynolds, é amplamente consistente com a literatura de aerodinâmica de baixos números de Reynolds referenciada por Selig, Deters e Williamson acima.
• A orientação sobre o dimensionamento do modelo e as condições de ensaio (correspondendo ao número de Reynolds de voo em vez da velocidade de voo) é uma prática de engenharia da TunnelTech, consistente com o nosso artigo publicado sobre o dimensionamento de um túnel de vento para ensaios de UAV.