Аеродинамика HALE летелица на великим висинама: Ниски Рејнолдсови бројеви и редак ваздух
Зашто HALE летелице лете у режиму ниских Рејнолдсових бројева упркос својој величини, како то утиче на аеропрофил и шта је потребно аеродинамичком тунелу да би то правилно испитао.
HALE летелица може имати распон крила већи од Боинга 747, а ипак летети у аеродинамичком режиму који је ближи великом моделу једрилице него путничком млазњаку. Разлог је висина, а не величина: густина ваздуха на 20 km је знатно испод десетине оне на нивоу мора, а Рејнолдсов број је директно пропорционалан густини. Велико, споро, танко крило на ивици стратосфере завршава у истој физици ниских Рејнолдсових бројева као и мало крило на нивоу мора — само је до тога дошло потпуно другачијим путем.
1. Летелица која ово конкретно доказује
NASA-ин прототип Helios, који је развила компанија AeroVironment у оквиру NASA-иног ERAST програма, представља најјаснију забележену илустрацију. Његове званичне спецификације: распон крила од 247 стопа (75,3 m) , тетива од 8 стопа , виткост крила од 30,9 према 1 , крило дебљине само 12% тетиве , и максимално оптерећење крила од само 0,81 фунту по квадратној стопи . Брзина крстарења на малим висинама била је 19 до 27 mph — брзина бицикла. Дана 13. августа 2001. године достигао је висину од 96.863 стопе , што је светски рекорд за континуирани хоризонтални лет летелице са крилима, са пројектним циљем да оперише на висинама до 100.000 стопа.
Сваки од ових бројева — огромна виткост, крило танко као папир, оптерећење крила близу нуле, крстарење брзином бицикла — директна је последица пројектовања за екстремне висине, а не за екстремне брзине. Чак су и пропелери Helios-а били наменски направљени: јединице са две лопатице, широком тетивом, пречником од 79 инча и дизајном ламинарног струјања специфично за ефикасност на великим висинама .
2. Шта се заправо дешава са аеропрофилом при ниском Рејнолдсовом броју
При Рејнолдсовим бројевима типичним за пропелере и секције крила HALE летелица — који се обично наводе у опсегу од 10⁴ до 10⁶ — гранични слој се понаша фундаментално другачије у односу на струјање са високим Re бројем на којем се заснива већина интуиције о аеропрофилима. Документована испитивања у аеродинамичком тунелу при ниским Рејнолдсовим бројевима јасно показују овај механизам: ламинарно струјање се одваја од површине под утицајем неповољног градијента притиска пре него што пређе у турбулентн о струјање. Одвојени смичући слој затим прелази у турбулентни у слободном струјању, и ако се поново веже низводно, формира ламинарни мехур одвајања (LSB) — област рециркулишућег, углавном стагнатног струјања оивиченог линијама одвајања и поновног везивања које су директно видљиве при визуелизацији струјања помоћу уља на површини.
Последица није занемарљива: отпор притиска који се ствара преко мехура одвајања је главни узрок деградираног односа узгона и отпора при ниским Рејнолдсовим бројевима, и може се појавити или нагло погоршати са падом Рејнолдсовог броја — што је управо правац у којем висина гура HALE дизајн.
3. Зашто ово захтева специфичну врсту аеродинамичког тунела
Пошто је понашање аеропрофила при ниским Рејнолдсовим бројевима одређено ламинарним граничним слојем, интензитет турбуленције у испитној секцији мора бити довољно низак да сам не изазове рани прелаз — у супротном, тунел испитује другачији, вештачки „окинут “ гранични слој у односу на онај са којим ће се летелица стварно сусрести. Документована пракса у постројењима наменски изграђеним за овај режим постиже интензитет турбуленције испод 0,1%, потврђен анемометријом са врућом жицом, заједно са уједначеношћу угла струјања унутар око ±0,1° и уједначеношћу динамичког притиска унутар ±0,5% широм радне секције.
Практична импликација за HALE програм: модел мора бити димензионисан, а тунел мора радити при брзини која репродукује Рејнолдсов број лета , а не брзину лета. Модел који се испитује „пребрзо“ за своју величину налази се на вишем Рејнолдсовом броју него што ће стварна летелица икада доживети на висини, а мехур одвајања — управо она карактеристика због које се испитивање и спроводи — се помера или нестаје.
4. Шта релевантна HALE кампања испитивања треба да обухвати
- Визуелизација струјања на површини , а не само подаци о силама. Визуелизација помоћу уља или еквивалентна метода директно приказује линије ламинарног одвајања, прелаза и поновног везивања које дефинишу мехур — податке које сама аеровага не може пружити.
- Истинско испитивање при ниским Рејнолдсовим бројевима , спроведено при стварном Рејнолдсовом броју еквивалентном висини за профил мисије, а не екстраполирано из података са вишим Re бројевима.
- Мерење отпора испитивањем трага (wake survey), а не само аеровагом , пошто је отпор профила при овим Рејнолдсовим бројевима мали у односу на узгон и боље се одређује методама дефицита импулса у трагу.
- Посебна пажња на понашање закрилаца и командних површина при ниским Re бројевима — отклоњене командне површине показују драматично повећан отпор и смањену ефикасност при ниским Рејнолдсовим бројевима у поређењу са истом геометријом при вишим Re бројевима, што је резултат који се не може једноставно екстраполирати из испитивања при већим брзинама.
5. Пет грешака које виђамо
- Димензионисање модела према практичности, а не према циљном Рејнолдсовом броју. Модел направљен у „лепој“ размери може у потпуности завршити на погрешном Re броју, испитујући другачији режим струјања од оног који је битан.
- Рад тунела при брзини која одговара аероваги, а не при Рејнолдсовом броју који мисија захтева. При ниским Re бројевима, физика — а не комфор инструментације — мора да одреди тачку испитивања.
- Третирање интензитета турбуленције у тунелу као грешке заокруживања. У овом Рејнолдсовом режиму, турбуленција која је само делић процента изнад потребне може прерано окинути гранични слој и избрисати мехур одвајања који је испитивање требало да карактерише.
- Прескакање визуелизације струјања јер подаци о силама „изгледају чисто“. Полара која изгледа чисто и даље може сакрити мехур одвајања на погрешном месту; визуелизација је начин да то сазнате.
- Екстраполација података о командним површинама из испитивања са вишим Рејнолдсовим бројем. Ефикасност закрилаца и крмила висине при ниским Re бројевима не скалира се на исти начин као при Рејнолдсовим бројевима конвенционалних летелица.
6. Шта ово значи за ваш програм
Реците нам своју циљну висину и профил мисије , а ми ћемо димензионисати модел и поставити испитни Рејнолдсов број који репродукује стварни режим струјања у којем ће ваша летелица летети — а не онај који случајно одговара практичној брзини тунела. Повезано читање: наш главни чланак о
[Article not found: long-range-fixed-wing-uas-wind-tunnel-testing], и
[Article not found: hale-aeroelasticity-gust-response-wind-tunnel-testing]за исту класу летелица.
Извори и напомене
- Спецификације прототипа Helios (распон крила 247 ft, тетива 8 ft, виткост 30,9:1, дебљина крила 12% тетиве, максимално оптерећење крила 0,81 lb/sq ft, брзина крстарења 19–27 mph, висински рекорд 96.863 ft постигнут 13. августа 2001, пројектни циљ од 100.000 ft, дизајн пропелера са ламинарним струјањем за ефикасност на великим висинама): NASA Dryden Flight Research Center, "Helios Prototype: The forerunner of 21st century solar-powered 'atmospheric satellites'," FS-2002-08-068 DFRC.
- Механизам ламинарног мехура одвајања (ламинарно одвајање пре прелаза, прелаз слободног смичућег слоја, турбулентно поновно везивање, отпор притиска као главни узрок деградираног односа узгона и отпора при ниским Рејнолдсовим бројевима), методологија визуелизације струјања помоћу уља на површини, и стандарди квалитета струјања у испитној секцији при ниским Рејнолдсовим бројевима (интензитет турбуленције испод 0,1%, угао струјања унутар ±0,1°, уједначеност динамичког притиска унутар ±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, испитивано у субсоничном аеродинамичком тунелу ниске турбуленције на Универзитету Илиноис у Урбана-Шампејну при Рејнолдсовим бројевима од 40.000 до 500.000, и валидирано у односу на податке из NASA Langley Low-Turbulence Pressure Tunnel.
- Смањена ефикасност закрилаца и командних површина уз драматично повећан отпор при великим отклонима на ниском Рејнолдсовом броју: исти извор, резултати на аеропрофилу AG455ct са закрилцем од 30% тетиве.
- Пропелери и секције крила HALE летелица који раде у опсегу Рејнолдсових бројева од 10⁴ до 10⁶, као и висинске летелице и пропелери као област примене аеродинамике ниских Рејнолдсових бројева, у великој мери су у складу са литературом о аеродинамици ниских Рејнолдсових бројева коју наводе Selig, Deters и Williamson изнад.
- Смернице за димензионисање модела и услове испитивања (подударање са Рејнолдсовим бројем лета уместо са брзином лета) представљају инжењерску праксу компаније TunnelTech, што је у складу са нашим објављеним чланком о димензионисању аеродинамичког тунела за испитивање беспилотних летелица (UAV).