ביצועים אווירודינמיים של דגם מטוס: DC-6B

כדי להעריך מאפיינים אווירודינמיים, חשוב לקבוע כיצד מקדמי האווירודינמיקה משתנים ביחס ליחס המטוס, כלומר זווית ההתקפה, זווית הפטירה וזווית הגליל, עבור מצב טיסה נתון. מאזן הכוח האווירודינמי הוא שיטה נפוצה למדידת הכוחות ורגעים שחווים מודל. מהכוחות והמרגעים הנמדדים, כמו גם טמפרטורת זרימת האוויר, הלחץ הסטטי והלחץ המוחלט, ניתן להשיג את מקדמי האווירודינמיקה עבור מספר זוויות התקפה וזוויות חבטה.

ניתן להשיג את המאפיינים האווירודינמיים של אובייקט בקנה מידה מלא על ידי בדיקת מודל בקנה מידה קטן, בתנאי שתנאי הדמיון הדינמי מתקיימים ותיקונים מתאימים מוחלים. במקרה של זרימה יציבה בלתי ניתנת לריסון, פרמטר הדמיון הרלוונטי הוא מספר ריינולדס בהתבסס על אורך הפניה מתאים.

עבור מטוס במהירות נמוכה, כמו DC-6B, ניתן למדוד את המאפיינים האווירודינמיים במנהרת רוח קטנה במהירות נמוכה מכיוון שניתן להתאים את מספר ריינולדס לאותם תנאי טיסה. בתנאים אלה, ניתן להשיג את התלות של גרירה ולהרים על זווית ההתקפה, α. תלות זו באלפא יכולה לשמש להערכת ביצועי המטוס.

לאחר המקדחים האווירודינמיים נמדדים עבור מספר תנאים ותצורות, למשל באמצעות שתי גיאומטריות זנב שונות, נגזרות היציבות (dC_M/dα, dC_N/dβ),מדרון להרים (dC_L/dα),מקדם הרמה מקסימלי, יחס הרמה-גרירה מקסימלי, ומאפיינים אווירודינמיים אחרים ניתן למצוא. מתוך מקדמים אווירודינמיים אלה, ניתן לקבוע את ההשפעה של שינוי או אפשרויות עיצוב על יציבות המטוס וביצועים.

נגזרות היציבות מצביעות על כך שהמטוס יציב או לא יציב. לדוגמה, אם זווית ההתקפה של המטוס גדלה לפתע עקב משב רוח, תגובת המטוס מאפיינת את יציבותו. אם זווית ההתקפה תמשיך לגדול ללא הגבלת זמן, נאמר שהמטוס אינו יציב. עם זאת, אם זווית ההתקפה חוזרת לערכה הראשוני, היחס לפני משב, המטוס אמור להיות יציב. הדבר נכון גם לגבי היציבות הכיוונית; אם הנטייה של המטוס היא לחזור לזווית הפטירה הראשונית שלו לאחר שינוי פתאומי, המטוס אמור להיות יציב בכיוון.

בהדגמה זו, איזון הכוח האווירודינמי למדידות כוח ורגעים במנהרת רוח, יוכנס. כדי להסיר את התרומות של התמוכות התומכות ואת משקל הדגם, היתרה תהיה מזוהה כדי להבטיח את התוצאות הסופיות על כוח אווירודינמי ורגעים נובעים המטוס בלבד. בנוסף, הדגמה זו ממחישה את השפעת הזנב בעיצוב מטוס קונבנציונלי ואת חשיבותו ביציבות המטוסים האורך והרוחב.

הגדרת מודל DC-6B במאזן הכוח האווירודינמי מוצגת להלן.

איור 1. דגם DC-6B רכוב. A) דגם DC-6B בתוך מקטע מבחן מנהרת רוח במהירות נמוכה עם איזון אווירודינמי חיצוני. ב) דגם DC-6B רכוב על האיזון בשלוש נקודות רהוטות. יש גם מנוע בקרת זווית yaw, מנוע בקרת גובה ורמה אלקטרונית לכייל את זווית המגרש.

איור 2. לוח הבקרה של מנהרת הרוח במהירות נמוכה. זווית המגרש וזווית ה- yaw ניתן לשלוט אלקטרונית מהלוח במהלך הבדיקות עם מנהרת הרוח פועלת.

1. כיול של הגדרת

1. נעל את היתרה החיצונית בלוח הבקרה של מנהרת הרוח.
2. התקן את המוכות על האיזון האווירודינמי כפי שמודגם באיור 1. המוכות מוברגות לאיזון.
3. הגדר את זווית הפטירה לאפס על-ידי התאמת הידית במנוע ה- yaw, והגדר את זווית המגרש לאפס באמצעות מנוע הגשה. יש לכייל את זווית המגרש באמצעות רמה אלקטרונית. המדידות נעשות לראשונה בזוויות שונות כאשר רק את התלוכות במקום, וללא דגם של מטוס. זה מאפשר להחסיר את ההשפעות של המוכות מהמטוס.
4. הפעל את המחשב ואת מערכת רכישת כוח האיזון החיצוני. יש צורך להפעיל את המערכת לפחות 30 דקות לפני הבדיקה.
5. פתח את תוכנת בקרת המדידה.
6. תקליט את הלחץ והטמפרטורה בחדר. הקפד לתקן את הלחץ הברומטרי באמצעות הטמפרטורה המקומית וכוח המשיכה המקומי.
7. בדוק אם קטע הבדיקה ומנהרת הרוח נקיים מפסולת ומשחררים חלקים, ואז סגרו את דלתות מקטע הבדיקה.
8. בטל את האיזון החיצוני והגדר את מהירות מנהרת הרוח לאפס.
9. הפעל את מנהרת הרוח ואת מערכת קירור מנהרת הרוח.
10. תעד את כוחות האיזון ואת הרגעים.
11. הגדר את הלחץ הדינמי ל 7 אינץ 'H₂O, ולתעד את כוחות האיזון ואת הרגעים.
12. השתמש בפקד ה- yaw כדי להגדיר את זווית ה- yaw ל- 5°. כוונן את הלחץ הדינמי ל-7 אינץ' H₂O במידת הצורך.
13. תעד את כוחות האיזון ואת הרגעים. שנה את זווית ה-yaw ל-10°. כוונן את הלחץ הדינמי ל-7 אינץ' H₂O במידת הצורך.
14. תעד את כוחות האיזון ואת הרגעים.
15. כבה את מנהרת הרוח ונעל את היתרה החיצונית.
16. התקן את דגם DC-6B עם הזנב.
17. כייל את זווית ההתקפה ומחוון המגרש. כייל את זווית הצליל לפני הבדיקה באמצעות רמה אלקטרונית.
18. בטל את הנעילה של היתרה החיצונית.
19. הגדר את זווית ההתקפה על-ידי לחיצה על האף למעלה או למטה בלוח הבקרה איור 2. זוויות התקפה לבדיקת α = -6°, -4°, -2°, 0°, 2°, 4°, 6°, 8°, 10°.
20. תעד את כוחות האיזון ואת הרגעים.
21. חזור על שלבים 1.19 עד 1.20, הגדל בהדרגה את זווית ההתקפה עד להשלמת כל נקודות הבדיקה.
22. החזר את זווית ההתקפה, α, לאפס והגדר זווית יוב. זוויות ייאו לבדיקת β = 0°, 5°, 10°.
23. תעד את כוחות האיזון ואת הרגעים.
24. חזור על שלבים 1.22 עד 1.23 מגדילים בהדרגה את זווית ה- yaw עד להשלמת כל נקודות הבדיקה.
25. נעל את היתרה החיצונית והסר את הזנב מדגם DC-6B. התקן את חרוט הזנב וחזור על שלבים 1.19 עד 1.24.
26. כאשר כל הנתונים נאספו, כבה את מערכת הקירור של מנהרת הרוח, נעל את האיזון החיצוני וכבה את מנהרת הרוח.

2. בדיקה במהירויות רוח שאינן אפסיות

1. בדוק אם קטע הבדיקה ומנהרת הרוח נקיים מפסולת ומשחררים חלקים ולאחר מכן סוגרים את דלתות מקטע הבדיקה.
2. הגדר זווית המגרש לאפס.
3. בטל את הנעילה של היתרה החיצונית.
4. הגדר את חיוג המהיר של מנהרת הרוח לאפס והדליק את מנהרת הרוח ואת מערכת קירור הרוח.
5. תעד את כוחות האיזון ואת הרגעים.
6. הגדר לחץ דינמי ל 7 אינץ ' H₂O.
7. הגדר זווית התקפה, החל α = -6°. זוויות התקפה לבדיקת α = -6°, -4°, -2°, 0°, 2°, 4°, 6°, 8°, 10°.
8. התאם את הלחץ הדינמי ל-7 אינץ' H2O במידת הצורך, ורשום את כוחות האיזון ואת הרגעים.
9. חזור על שלבים 2.7 - 2.8 מגדילים בהדרגה את זווית ההתקפה עד לביצוע כל נקודות הבדיקה.
10. החזר את זווית ההתקפה לאפס והגדר את זווית החבטה. יש לבדוק את זוויות ההזויות הבאות β = 0°, 5°, 10°.
11. התאם את הלחץ הדינמי ל-7 אינץ' H2O במידת הצורך, ורשום את כוחות האיזון ואת הרגעים.
12. חזור על שלבים 2.10 - 2.11 מגדילים בהדרגה את זווית ה- yaw עד לביצוע כל נקודות הבדיקה.
13. להקטין לאט את מהירות האוויר לאפס, ולאחר מכן לנעול את היתרה החיצונית.
14. הסר את חרוט הזנב מודל DC-6B ולהתקין את הזנב המלא.
15. חזור על שלבים 2.7 עד 2.12.
16. כאשר כל הנתונים נאספו, כבה את מערכת הקירור של מנהרת הרוח, נעל את האיזון החיצוני וכבה את מנהרת הרוח.

בהדגמה זו נמדדו מאפייני הביצועים והיציבות של דגם DC-6B בשתי תצורות. בתצורה אחת, זנב מטוס קונבנציונלי חובר לדגם (tail-on), ובתצורה השנייה, הזנב הוסר והוחלף בקונוס (tail-off). עבור כל תצורה, נקבעה השונות של מקדם ההנפה ומקדם הגרירה עם זווית התקיפה (איור 3). השונות במקדם רגע המגרש ובמקדם רגעי ה-yaw ביחס לזווית ההתקפה והבטא נחקרה גם היא (איור 4).

התוצאות מראות את ההשפעות האווירודינמיות של הזנב. באיור 3, למרות שהזנב מגדיל את ההרמה המקסימלית ואת הגרירה, בסך הכל הזנב מקטין את הביצועים האווירודינמיים. כשהזנב כבוי, הדגם אינו יציב מבחינה אורך ובכיוון (איור 4). לכן, זנב המטוס נחוץ כדי להשיג יציבות, למרות שזה יכול לגרום ביצועים מטוס מופחת.

איור 3. עקומות הערכת ביצועים עבור תצורות זנב-on ו- tail-off. A) מקדם הרמה לעומת α; ב) גרור מקדם לעומת α; ג) לגרור קוטב; ו- D) L/D לעומת α. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 4. עקומות הערכת ביצועים עבור תצורות זנב וזנב. A) מקדם רגע המגרש לעומת α; ב) מקדם רגע Yaw לעומת β. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

בדיקת דגם בקנה מידה קטן באמצעות איזון אווירודינמי במנהרת רוח מאפשרת קביעת מאפיינים אווירודינמיים עיקריים של מטוס. איזון של 6 רכיבים מודד שלושה רכיבי כוח, הרמה, גרירה וכוחות רוחביים, ושלושה רגעים של רכיבים, גובה, רטט וגלגל רגעים.

כאשר הדמיון הדינמי בין האובייקט בקנה מידה מלא לבין המודל מושג, לדוגמה מספר ריינולדס זהה למקרה של זרימה יציבה בלתי ניתנת לריסון, אז מקדמים אווירודינמיים המתקבלים באמצעות המודל בקנה מידה קטן ישימים האובייקט בקנה מידה מלא ומאפיינים אווירודינמיים, כגון ביצועים ויציבות סטטית, ניתן לקבוע.

מדידות כוח ורגעים על ידי איזון חיצוני במנהרת רוח יש כמה יישומים. שיטה זו נמצאת בשימוש נרחב בתעשיית התעופה והחלל; עם זאת, הוא יושם בהצלחה במחקר ופיתוח בתחומים רבים, למשל בהנדסה ימית, תעשיות רכב והנדסה אזרחית.

ישנם מספר יישומים בהנדסה ימית. לדוגמה, סירות מפרש וסירות מרוץ מושפעות באופן משמעותי מכוחות אווירודינמיים, ויש לשקול את השפעתן על הספינה כדי לייעל את הביצועים. עבור תכנון ספינה במהירות נמוכה, יש לשקול כוחות אווירודינמיים כדי להפחית את צריכת הדלק ולשפר את הביצועים הכוללים.

תעשייה נוספת שנהנית מבדיקת מנהרות רוח היא תעשיית הרכב. בדיקות מנהרות רוח משמשות לקביעת כוחות הגרירה, כוחות רוחביים ורגעים שחווה מכונית. זהו כיום נוהג סטנדרטי לפיתוח מכוניות חדשות שכן טכניקה זו מובילה לעיצובים תחרותיים ויעילים יותר.

בדיקת מנהרת רוח למדידות כוח אינה מוגבלת לאופטימיזציה של ביצועים. בתעשיית ההנדסה האזרחית המודרנית, בדיקות מנהרות רוח משמשות להגברת הבטיחות. ישנם גורדי שחקים גבוהים ודקות הכפופים למשבי רוח חזקים. משבי רוח אלה מייצרים עומסים גבוהים שיש להסביר בתכנון הבניין כדי למנוע קריסת בנייה. זה חל גם על גשרים, אשר חייב להיבדק במנהרות רוח כדי להבטיח בטיחות.

רשימת חומרים: