Thiết kế Hầm gió Nghiêng: Luồng gió ở Góc 30°-45°

Trong ba mươi năm qua, bay trong nhà (indoor flight) chỉ có một ý nghĩa: một cột không khí thẳng đứng giữ cơ thể chống lại trọng lực. Bạn có thể rơi một cách đẹp mắt, nhưng bạn không thể đi đến bất cứ đâu.

Hầm gió nghiêng làm thay đổi điều đó. Nghiêng luồng gió, và cùng một thủ thuật khí động học giúp nâng đỡ cơ thể rơi tự do cũng tái tạo lại lực lướt tới phía trước — đó chính là toàn bộ mục đích của bộ đồ bay wingsuit. Đây là nhánh non trẻ nhất của ngành công nghiệp này, chỉ có một vài cơ sở trên toàn thế giới, và hầu hết các câu hỏi về kỹ thuật vẫn đang thực sự bị bỏ ngỏ.

Bài viết này sẽ bàn về những câu hỏi đó.

1. Vật lý học: một vectơ, hai nhiệm vụ

Trong một hầm gió thẳng đứng, lực cản cân bằng với trọng lượng và vận tốc ngang của người bay bằng không. Khi nghiêng luồng gió theo một góc, nó sẽ phân tách thành hai thành phần thực hiện các nhiệm vụ khác nhau:

thành phần thẳng đứng vẫn nâng đỡ trọng lượng của người bay, chính xác như trước đây;
thành phần nằm ngang cung cấp luồng gió tương đối của chuyến bay hướng tới, nhờ đó phi công mặc wingsuit có thể duy trì trạng thái lướt thay vì chỉ đơn thuần là rơi xuống.

Độ nghiêng yêu cầu không phải là tùy ý — nó phụ thuộc vào hiệu suất lướt của bộ đồ wingsuit. Một bộ đồ bay với tỷ lệ lướt khoảng 2:1 đến 3:1 cần một độ nghiêng luồng gió phù hợp với tỷ lệ đó để người bay có thể giữ tư thế cơ thể ổn định và tự nhiên. Điều này có nghĩa là một hầm gió nghiêng không phải là "một hầm gió thẳng đứng đặt trên một mặt dốc": góc nghiêng là một thông số thiết kế gắn liền với bộ môn mà nó phục vụ, và các thiết kế có thể điều chỉnh góc nghiêng tồn tại chính xác là vì các bộ đồ bay và cấp độ kỹ năng khác nhau đòi hỏi các điều kiện khác nhau.

Để tham khảo, cơ sở hầm gió nghiêng đầu tiên trên thế giới — Indoor Wingsuit Stockholm của Inclined Labs tại Bromma — vận hành một buồng bay rộng 16,5 ft và dài 33 ft, với người bay thường hoạt động ở tốc độ 90–130 km/h, và có thể điều chỉnh cả tốc độ lẫn độ nghiêng. Chuyến bay wingsuit trong nhà đầu tiên tại đây diễn ra vào tháng 4 năm 2016 trong một buồng bay nguyên mẫu kích thước thực, và cơ sở này đã mở cửa đón khách vào tháng 9 năm 2017.

2. Tại sao nó lại khó hơn một hầm gió thẳng đứng

Vùng hoạt động phải đủ dài. Một cú lướt cần không gian dọc theo đường bay, chứ không chỉ ở phía trên người bay. Yêu cầu duy nhất đó định hình toàn bộ công trình: buồng bay trở thành một khối không gian nghiêng dài thay vì một cột nhỏ gọn, và mỗi mét của nó đều phải duy trì chất lượng luồng gió.

Lớp biên trên tường phát triển dọc theo chiều dài đó. Trong một vùng thử nghiệm dài, diện tích dòng chảy hiệu dụng bị thu hẹp khi các lớp biên dày lên, và dòng tự do sẽ tăng tốc nếu ống dẫn có dạng lăng trụ. Để đạt được tốc độ đồng đều từ cửa vào đến cửa ra thường đòi hỏi phải chủ ý tạo hình mặt cắt dọc theo vùng hoạt động.

Cánh hướng dòng hoạt động ở các góc chưa từng được lập bảng tính toán. Các mạch hầm gió thẳng đứng được xây dựng từ các góc 90° đã được hiểu rõ với các cánh hướng dòng dạng tầng mà hệ số tổn thất cục bộ đã được biết. Khi làm nghiêng mạch, các góc cua sẽ thay đổi, luồng gió đi đến các tầng cánh theo cách khác, và dây cung cánh, khoảng cách cũng như độ cong đều phải được tính toán lại thay vì sao chép. Nếu làm sai, bạn sẽ phải trả giá gấp đôi: tổn thất áp suất, dẫn đến tiêu hao công suất quạt vĩnh viễn, và sự không đồng đều của luồng gió mà người bay sẽ cảm nhận trực tiếp.

Hệ thống an toàn tồn tại trên nhiều mặt phẳng. Trong một hầm gió thẳng đứng, lưới an toàn nằm ở bên dưới và tình huống rủi ro của người bay là một cú tiếp đất có kiểm soát. Trong một buồng bay nghiêng, người bay bị mất lực nâng sẽ di chuyển dọc theo độ nghiêng cũng như rơi xuống — do đó, hệ thống đỡ, lưới an toàn và lối tiếp cận phải được giải quyết ở cả hai đầu của vùng hoạt động và dọc theo chiều dài của nó.

Lối vào và lối ra là một bài toán thiết kế, không chỉ là một cánh cửa. Việc đưa một phi công mặc đồ wingsuit vào một luồng gió nghiêng đang di chuyển, và đưa ra ngoài trở lại, mà không phải dừng hầm gió cho mỗi người bay, quyết định năng suất thương mại của toàn bộ cơ sở.

3. Những quyết định định hình dự án

Độ nghiêng cố định hay có thể điều chỉnh. Hình học có thể điều chỉnh mở rộng thị trường mục tiêu — các bộ đồ bay khác nhau, điều kiện cho người mới bắt đầu và chuyên gia, các bộ môn không dùng wingsuit — đồng thời làm tăng độ phức tạp cơ học, thách thức về làm kín và chi phí.
Mặt cắt ngang buồng bay. Quyết định sải cánh tối đa khi bay, số lượng người bay đồng thời, và ảnh hưởng trực tiếp đến công suất quạt.
Dải tốc độ và độ ổn định. Dải tốc độ được kiểm soát quan trọng hơn con số tối đa: việc huấn luyện diễn ra ở mức tốc độ thấp, và các bước thay đổi tốc độ phải diễn ra mượt mà.
Kiến trúc mạch. Mạch kín (tuần hoàn) giúp kiểm soát năng lượng và nhiệt độ, đi kèm với tất cả các vấn đề về cánh hướng dòng ở trên; mạch hở (open-flow) thì đơn giản hơn nhưng hiếm khi mang lại hiệu quả kinh tế với số giờ vận hành như thế này.
Hệ thống làm mát. Năng lượng của quạt chuyển hóa thành nhiệt trong không khí. Các chiến lược cũng giống như ở những nơi khác — thông gió thụ động ở nơi khí hậu cho phép, trao đổi nhiệt chủ động ở nơi không cho phép — và các yếu tố đánh đổi nằm ở

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

Thiết bị phục vụ huấn luyện. Độ phủ của camera, đo lường từ xa và xem lại video không phải là những thứ phụ trợ ở đây: trong một bộ môn còn non trẻ như thế này, sản phẩm hướng dẫn chiếm một phần lớn doanh thu.

4. Tác động đến công trình xây dựng

Hầm gió nghiêng là kiến trúc đòi hỏi khắt khe nhất về mặt bằng trong số ba loại kiến trúc, vì nó cần cả chiều dài lẫn chiều cao — kết hợp chiều sâu kết cấu của một hầm gió thẳng đứng với diện tích mặt bằng của một hầm gió ngang. Điều này dẫn đến hai hệ quả.

Thứ nhất, việc chọn địa điểm phải đi trước thiết kế . Chiều cao trần, nhịp, sức chịu tải của nền móng và nguồn điện khả dụng sẽ giới hạn kích thước buồng bay có thể đạt được trước khi bất kỳ công việc khí động học nào bắt đầu.

Thứ hai, các tòa nhà công nghiệp hiện hữu là một lựa chọn thực tế . Cơ sở tại Stockholm được đặt trong một cấu trúc ở Bromma ban đầu được xây dựng cho nghiên cứu hàng không quân sự vào những năm 1930-1940 — một minh chứng cho thấy các hội trường cũ rộng lớn với chiều cao trần thoáng đãng và sàn chịu tải nặng chính xác là những cơ sở vật chất mà ngành công nghiệp này có thể tái sử dụng. Hướng đi cải tạo lắp thêm (retrofit) có những yếu tố đánh đổi riêng, mà chúng tôi sẽ đề cập trong

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

5. Chi phí thực sự nằm ở đâu

Nhìn chung, các yếu tố thúc đẩy chi phí cũng giống như đối với một hầm gió thẳng đứng cỡ lớn — công suất truyền động, hệ thống ống gió, kết cấu, hệ thống an toàn — với hai điểm bổ sung đặc thù cho trường hợp hầm gió nghiêng: vùng hoạt động dài hơn (nhiều ống gió hơn, kết cấu lớn hơn, diện tích cần giữ đồng đều nhiều hơn) và kỹ thuật thiết kế hình học cùng cánh hướng dòng không thể kế thừa từ một dòng sản phẩm hiện có.

Về mặt thương mại, điều đó có nghĩa là: các hầm gió nghiêng mang lại giá trị cho kỹ thuật thiết kế tùy chỉnh và trừng phạt tư duy rập khuôn theo catalogue. Không có mô hình tiêu chuẩn nào để mở rộng hay thu nhỏ, bởi vì vẫn chưa có một tiêu chuẩn nào cả. Đó là rủi ro đối với một người mua muốn có mức giá cố định ngay từ ngày đầu tiên, nhưng lại là lợi thế cho những ai muốn có một cơ sở khác biệt so với mọi điểm thu hút khác trên thị trường.

Để biết vị trí của một cơ sở hầm gió nghiêng so với các kiến trúc khác, hãy xem

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

của chúng tôi.

6. Những gì chúng tôi yêu cầu trước khi báo giá

Năm yếu tố đầu vào sẽ quyết định ý tưởng thiết kế: không gian tòa nhà khả dụng, hồ sơ người bay mục tiêu (người mới bắt đầu, phi công wingsuit thể thao, huấn luyện chuyên nghiệp hoặc quân sự), độ nghiêng có cần điều chỉnh hay không, số lượng người bay đồng thời, và năng suất mục tiêu mỗi ngày. Mọi thứ khác — công suất, kích thước buồng bay, thiết kế cánh hướng dòng, chiến lược làm mát — đều tuân theo những yếu tố đó.

Chúng tôi thiết kế, sản xuất, lắp đặt và chạy thử, hiệu chỉnh & nghiệm thu các hệ thống hầm gió tùy chỉnh, bao gồm cả cấu hình nghiêng, với trách nhiệm đầu mối duy nhất từ khâu lên ý tưởng đến khi bàn giao. Hãy gửi cho chúng tôi thông tin tòa nhà và hồ sơ người bay của bạn và chúng tôi sẽ phản hồi bằng một bản vẽ bố trí ý tưởng cùng ước tính công suất. Bài viết liên quan: các bài viết của chúng tôi về

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

và

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

Nguồn và ghi chú

Dữ liệu cơ sở tham khảo — buồng bay rộng 16,5 ft × dài 33 ft, tốc độ bay điển hình 90–130 km/h, tốc độ và độ nghiêng có thể điều chỉnh, chuyến bay wingsuit trong nhà đầu tiên vào tháng 4 năm 2016, mở cửa cho khách hàng vào tháng 9 năm 2017, tòa nhà Bromma ban đầu được xây dựng cho R&D hàng không quân sự vào những năm 1930-1940: Indoor Wingsuit Flying Stockholm, Indoor Skydiving Source, Indoor Wingsuit Flying Just Became a Reality, Inclined Labs.
Tỷ lệ lướt của wingsuit khoảng 2:1 đến 3:1 là dải hiệu suất thường được trích dẫn cho các bộ đồ bay hiện đại và thay đổi rất nhiều tùy thuộc vào bộ đồ, phi công và kỹ thuật; hãy xem đây là thông số mang tính tham khảo, không phải là thông số kỹ thuật thiết kế.
Thảo luận về kỹ thuật (chiều dài vùng hoạt động, sự phát triển của lớp biên, thiết kế lại cánh hướng dòng ở các góc cua không tiêu chuẩn, hệ thống an toàn đa mặt phẳng) là thực tiễn kỹ thuật của TunnelTech.
Các bản nháp nội bộ trước đây đã trích dẫn thành phần nằm ngang là 100–160 km/h và chiều dài vùng hoạt động là 8–15 m. Cơ sở tham khảo được công bố hoạt động ở tốc độ 90–130 km/h trong buồng bay dài 10 m; hãy sử dụng các số liệu đã được xác minh.

Kỹ thuật Hầm gió Nghiêng: Thiết kế Luồng gió ở Góc 30°–45°