Аеротунел

Мали подзвучни, полуотворени аеротунел 
Т-32, у Ваздухопловнотехничком институту.
У радном делу је модел авионa Г-2 галеб
Аеротунел (ен. Wind tunnel) је основно лабораторијско постројење експерименталне аеродинамике. У њима се контролисано, физички симулира кретање ваздуха. Назив аеротунел је настао, као скраћење, од аеродинамички тунел. Према веома широком спектру намена и потреба испитивања, аеротунели се граде и опремају у различитим варијантама и нивоима инвестиционих трошкова.

У аеротунелу, тело (објекат, нпр. летелица, или њен модел) мирује, а ваздух се креће (опструјава га). Примењен је принцип релативности кретања ваздуха и тела, без утицаја на физикалност, ко се креће, а ко мирује. Овај принцип замене референтног стања је, уопштено, усвојен у теоретској аеродинамици, а код аеротунела је основа његовог рада.

У аеротунелу се на летелици, или на њеном моделу, мере стационарне и нестационарне аеродинамичке силе и моменти, локални статички притисци и испитује се облик опструјавања применом метода визуелизације. Поред коришћења за развој разних врста летелица, аеродинамика аеротунела је од великог значаја за решавање проблема при пројектовању аутомобила, бродова, возова, мостова, антенских стубова и других објеката.

Први аеротунели су изграђени у Енглеској, 1871. и 1884. године. Били су прекидног рада, с резервоарем под притиском. Касније је изграђен аеротунел с вентилатором, тек 1890. године.

Типови аеротунела

Аероснимак аеротунела у Ваздухопловнотехничком институту
 
 
Шема аеротунела неповратне ваздушне струје.

Поделу је могуће извршити у контексту радног флуида, правца струјања флуида, основног енергетског принципа рада, области остварених брзина, величини радног дела, намени итд.

  • Радни флуид
    • Ваздух
    • Дим+ваздух
    • Вода
  • Правац струјања флуида
    • Хоризонтални (стандардни)
    • Вертикални
  • Положај равни струјног канала
    • Хоризонтални
    • Вертикални
  • Енергетски принцип рада
    • Континуалан
      • Неповратни
      • Повратни
    • Прекидан
  • Област брзина
    • Подзвучни
    • Крозвучни
    • Надзвучни
    • Трисоник (интегрално, све три предходне области)
    • Хиперзвучни
  • Намена
    • Школски
    • Истраживачки
    • Индустријски

Основе конструкције

Шема аеротунела повратне ваздушне струје.

Без обзира на врсту и коришћени флуид, сви аеротунели садрже:

  • Погон
  • Колектор
  • Радни део и
  • Дифузор

Погон доминантно утиче на опредељење врсте аеротунела, а у принципу се користи моторно – вентилаторски (елисни) и на бази стварања велике разлике притиска ваздуха, између почетка колектора и краја дифузора.

Колектор има функцију да што више укупне енергије флуида трансформише у кинетичку, за потребе струјања у радном делу, у функцији испитивања.

У радном делу је униформно струјање флуида око модела и ту се мере аеродинамичке карактеристике, помоћу аеро – вага и друге мерне опреме.

У дифузору се смањује кинетичка енергија на ниво најмањих губитака, до доласка флуида у колектор и нови почетак убрзавања.

Аеротунели с континуалним струјањем флуида

Принцип рада

Отворени аеротунел, с неповратном ваздушном
струјом Т-31, у Ваздухопловнотехничком
институту. На слици је поставка мерења
ефикасности хлађења мотора, авиона 522.
Аеротунели с континуалним струјањем ваздуха се заснивају на обезбеђеној енергији погона, за дуготрајније одржавање потребног режима рада. Пошто постоје техничка ограничења за инсталисање нивоа потребне погонске енергије, с таквим аеротунелима се тешко постижу веће брзине од подзвучних. Аеротунел с неповратном ваздушном струјом је Ајфелов, а с повратном је Прантлов тип.

Са неповратном ваздушном струјом се искључиво користе аеротунели за јефтинија и мање захтевна испитивања, на мањим брзинама.

Код аеротунела с повратном ваздушном струјом, исти ваздух, исте масе, континуално струји различитом брзином кроз делове аеротунела. Као и код свих аеротунела и овде је највећа брзина струјања ваздуха у радном делу, око модела. У даљем току се ваздух успорава у малом и великом дифузору, ради смањења губитака због трења, при смањеној брзини ваздуха. У колектору се убрзава, ради постизања оптималне брзине при улазу у радни део. Трење се може смањити, али се не може потпуно избећи. Губици због трења су увек присутни у облику топлотне енергије, утрошене на загревање ваздуха и зидова аеротунела. Та енергија се одводи преко хладњака или заменом ваздуха са свежим из атмосфере, преко одговарајућих измењивача топлоте (хладњака).

У циљу смањења губитака, граде се аеротунели с двоструким повратним каналима. Кроз два повратна канала, ваздух се враћа до колектора са смањеном брзином струјања, па и са смањеним трењем и загревањем система, то јест са смањеним укупним губицима. Ова два повратна канала, заједно се утапају у улаз у колектор. Недостатак ових аеротунела је увећана турбуленција и појава несиметричног струјања у повратним каналима, посебно при постављању модела под углом клизања β.

Услови сличности

Сличност струјања у лету и у аеротунелу се одређује преко Рејнолдсовог броја Re и Маховог броја M = v / c. Утицај различите стишљивости (с бројем Маха) на вредности аеродинамичких коефицијената се занемарује све до вредности M = 0,75, те се може сматрати да је у подзвучним аеротунелима приоритетније реализовати Рејнолдсов број што приближнијим вредностима у лету.

У чланку Аеродинамика је аналитички дефинисан Рејнолдсов броји објашњене су употребљене ознаке.

Шема аеротунела за велике натпритиске, ануларни аеротунел.

 

 

 

Математичка дефиниција је:

 

 

 

Где су:
  •  – Рејнолдсов број
  • – коефицијент динамичке вискозности
  • – брзина ваздуха у радном делу тунела
  •  – густина ваздуха
  • – референтна, средња аеродинамичка тетива

На повећање Рејнолдсовог броја у аеротунелу се може утицати с повећањем бројиоца ρlav, из претходне једначине, док се на смањење имениоца, то јест трења μ, не може много утицати. Због техничких ограничења се не могу довољно увећавати la и v, те преостаје могућност увећања густине ваздуха ρ, у аеротунелу. За ту намену се граде херметички аеротунели повратне ваздушне струје, с променљивим притиском ваздуха.

Постоје аеротунели с већим натпритисцима. Они су пројектовани по критеријуму оптимизације решења за ефикасну статичку носивост, те им је облик сличан капсули. Ти аеротунели су повратне ваздушне струје и називају се ануларни. За њихов квалитет ваздушне струје важи све што је речено и за аеротунеле с двоструким повратним каналима.

Повећањем притиска, при истој температури, се повећава густина ваздуха. Рејнолдсов број при повећању густине, за исту брзину, расте. То је праћено с порастом брзине звука, односно смањењем Маховог броја. Смањење притиска, у аеротунелу, условљава супротне ефекте. Пример је аеротунел у Пасадани, у Калифорнији, у САД. Тај аеротунел ради с промељивим притиском од једне четвртине до четири пута већег притиска од атмосферског. У радном делу, с правоугаоним пресеком (3,66 × 2,59 m), при чему се постижу брзине при одговарајућим притисцима:

 

 

Релативно једноставном аналитичком анализом се добија потребно бројно повећање притиска у аеротунелу за остварење истог Рејнолдсовог броја, као у лету. Физичке величине, везане за лет имају индекс (1), а за аеротунел (2). При обезбеђеној исто температури ваздуха у аеротунелу и у лету, важе релације:

За исту температуру је μ1 = μ2, па произилази да је:


  

Резултат анализе је да за успостављену исту температуру и брзину ваздуха, може се реализовати исти Рејнолдсов број, ако се притисак ваздуха у аеротунелу оствари онолико пута већи, у односу на његову вредност у лету, колико је и модел пута мањи од величине авиона.

Вертикални аеротунел

Шема вертикалног аеротунела за
испитивање модела авиона у ковиту.

Вертикални аеротунели се користе за испитивање понашања модела авиона у ковиту. За ова испитивања се гради модел по законитости сличности инерције и геометрије с авионом. Такав се модел поставља у вертикалну ваздушну струју, под великим нападним углом, с чиме се доводи у положај ковита. То је режим лета авиона на великим нападним угловима, преко αkr, с падом узгона и губитком висине. У томе режиму су доминантније инерцијалне, над аеродинамичким силама и моментима. Облик кретања је сличан паду сувог листа с дрвета у јесен. Пошто вертикални аеротунели, као и сви остали, имају ограничене димензије радног дела, с брзом изменом брзине вертикалне ваздушне струје, модел се при испитивању, контролисано одржава на приближно истом положају, то јест на истој висини. Истовремено се мери брзина ваздушне струје у радном делу аеротунела, а с брзом камером се снима понашање модела.

Најважније је испитивање способности модела у командованом вађењу из ковита. За ту сврху се у модел уграђују специјални серво уређаји, с којима се по заданој законитости отклоне командне површине. Границе радног дела вертикалног аеротунела су ограђене меким мрежама, да не би дошло до оштећења модела.

Конструкција вертикалних аеротунела може бити различита, као и код класичних, лежећих. С повратном ваздушном струјом су најчешће је с једним повратним каналом, као руски T-105, у ЦАГИ-ју у Москви. С оваквом концепцијом се добија објекат велике висине, као на слици. Конструктивно компактније је решење с прстенастим повратним каналом, као на шеми. Овај концепт је мање комфоран за прилаз радном делу. Често се вертикални аеротунели граде и с неповратном ваздушном струјом, као што је амерички, приказан на слици. Специфични, једнонаменски вертикални аеротунели су скупи по критеријуму, односа: инвестициона цена аеротунела-укупни сати његовог ефективног рада. Због те околности већина носилаца развоја авиона избегава инвестицију у њихову изградњу, чак и уз уношење већег ризика у успешност пројекта. Домаћи авиони су сви развијани без експерименталне подршке таквог аеротунела. У прошлости није било промашаја аналитичке процене понашања домаћих авиона у ковиту и ако није било експерименталне подршке. Посебан добар пример су одличне карактеристике авиона, Г-4 супер галеба у ковиту. Без обзира на то повољно искуство, било би корисно поседовати такав аеротунел због експерименталне подршке, потврде и развоја расположивих нумеричких метода.

Вертикални аеротунел, повратне ваздушне струје, у ЦАГИ-ју и амерички неповратне ваздушне струје.

Димни аеротунел

Шема аеротунела за визуелизацију с димом.

Димни аеротунел је неповратне ваздушне струје са струјницама генерисаног и усмерено дима, искључиво је једнонаменски. Служи за најочигледнију визуелизацију опструјавања око модела струјања флуида, измешаног са линијским траговима дима. Дим се генерише у уређају за сагоревање керозина и спроводи се преко филтера до млазница. Помоћу млазница, постављених паралелно с осом симетрије тунела, испушта се тако да прати и обележава правац струјница ваздуха.

Радни део, овог аеротунела, је таквог облика да се у њему најчешће симулира дводимензионално струјање. У овим аеротунелима се остварују брзине до око 20 m/s. У неким овим аеротунелима, модел се припреми да обезбеди дијагностичке информације о протоку ваздуха око њега. Врло често се истовремено користе две најстарије технике визуализације, опструјавање дима и кончићи. Дим је ефиказан за приказ опструјавања на већим растојањима од „коре“ модела, а кончићи на самој површини.

Није опремљен мерним уређајима, те у њему и нема никаквог мерења. Ово је, у оквиру велике лепези постојећих и међусобно различитих врста, најједноставнији и најјефтинији аеротунел. Инвестиције, за његову изградњу, су свега неколико хиљада долара. За разлику од ове врсте аеротунела, нпр. за домаћи трисоник Т-38, инвестиције су износиле преко 100 милиона амерички долар|америчких долара. Постоје и далеко скупљи аеротунели, изграђени у високоразвијеним и богатим земљама у свету.

Шематски изглед
воденокавитационог тунела.
Воденокавитациони тунел Т-33,
у Институту, с ласерском опремом.

Воденокавитациони тунел

Воденокавитациони тунелУ воденокавитационом тунелу налази се радни флуид вода, због чега је разумљиво и херметичан. Овај лабораторијски објекат има велики значај у проучавању аеродинамичких феномена, због чега више припада експерименталној аеродинамици, у односу на хидродинамику.

Вода испарава у зависности од температуре и притиска. У тунелу, вода опструјава модел с различитом локалном брзином, у зависности од његове локалне закривљености површине. На местима највеће локалне брзине је најмањи локални статички притисак. Када се тако, за дотичну температуру воде локални статички притисак довољно смањи, почне процес испарења. Што притисак више опада а температура воде више расте, интезивније је локално испаравање. На томе месту се показује мехур водене паре. То се у инжењерству назива кавитација, а тај мехур, кавитациони. Тај феномен је, преко доказане аналогије, повезан с појавом локалног Маховог таласа у аеродинамици. Заједничко им је, по дефиницији, да се у тачки највеће локалне брзине јавља прва кавитација, а и први локални ударни талас.

При развоју, авион се аеродинамички обликује, с посебном пажњом за веће брзине лета. При томе је критеријум одлагања појаве ударног таласа на свима његовим деловима до вредности истог за крило. Добро усклађен пројекат авиона је када се његово Mkr обликовањем помери до Mkr његовог крила. Овај критеријум захтева пажљиво обликовање свих делова авиона, посебно оних с већом закривљеношћу површина, као код калоте кабине. За ове експерименталне задатке је погодан воденокавитациони тунел.

На основу ове аналогије је развијена и метода експерименталног одређивања Mkr у воденокавитационом тунелу у Институту. Метода је докторска дисертација др Бранислава Јовановића.

У воденокавитационом тунелу, кавитација се може изазвати контролисаним успостављањем одговарајућих параметара притиска и температуре воде. Вода се може грејати, а извлачењем ваздуха изнад њеног нивоа, у наливном „лонцу“, може се смањивати притисак и у радном делу тунела. У пракси је једноставније ово друго и оно се више користи. Помоћу вакуум пумпе то је брзо и јефтино. Исто тако се, по потреби, може спречити кавитација подизањем нивоа воде у наливном „лонцу“, чиме се повећава притисак у радном делу воденокавитационог тунела и одлаже се  кавитација.

Аеротунели специјалних намена

За експерименталну подршку изучавања природе и пратећих последица залеђивања делова авиона и његових мотора у лету, се граде специјални аеротунели с посебном опремом. У тим аеротунелима се испитују модели на којима се изучава начин формирања леда и ефикасност принципа његовог отклањања. Ти аеротунели су опремљени јаким хладњацима, испред радног дела, иза којих се убацује вештачка киша.

Мерни уређаји се штите грејањем, да не би дошло до њиховог залеђивања. Погонска елиса и скретне лопатице се штите мрежама од механичких оштећења с комадима одвојеног леда, при раду аеротунела. Ова испитивања су од велике важности посебно при развоју путничких и других комерцијалних авиона. У историји ваздухопловства је био већи број удеса и авионских катастрофа због залеђивања делова авиона и мотора у лету.

У аеротунелима се испитује и преживљавање авиона и мотора при удару птица. Узрок великом броју удеса и авионских катастрофа је удар птица, најчешће у зони аеродрома, при полетању и слетању. У аеротунелу се симулира удар птице реалне масе и релативне брзине контакта. Проучавају се оштећења, процењује се преживљавање авиона и мотора и концепирају се конструктивна решења у циљу повећања безбедности. Делови и опрема ових аеротунела су посебно заштићени од нежељених оштећења.

Аеротунел с прекидним радом

Техничко-енергетска ограничења диктирају границе компромисних решења при пројектавању аеротунела већих брзина. Потребна снага расте с трећим степеном, у односу на повећање брзине аеротунела. За постизање надзвучних брзина у аеротунелу, с радним делом довољне величине за испитивање модела на прихватљивом броју Рејнолдса, практично је веома тешко испунити енергетске услове с континуалним вентилаторским системом погона. То су изузетно скупи пројекти, а у томе случају уместо вентилатора се користи компресорски систем, велике проточности. С компресором се може остварити довољна разлика притиска, што је предуслов за постизање потребне кинетичке енергије ваздуха. Тај процес је повезан с великим загревањем, то јест с губицима. Такви аеротунели морају имати ефикасне хладњаке за одвођење топлоте. Однос енергије млаза и укупних губитака, у свима деловима аеротунала, се назива степен доброте. Из разлога неминовности инсталисања великих снага, скупих инвестиција, утрошка велике енергије и малог степена доброте, таквих аеротунела у свету је веома мало. Чешћи случајеви су концепције с прекидним радом, за аеротунеле с крозвучним, надзвучним и хиперсоничним брзинама, у којима се постижу велике брзине с далеко мањом инсталисаном енергијом.

Принцип прекидног рада аеротунела заснива се на потенцијалној енергији разлике притиска ваздуха између два простора велике запремине. Спајањем та два простора с брзо-отварајућим вентилом, потенцијална енергија се претвара у кинетичку. На тај начин се постижу велике брзине струјања у ограниченом времену трајања, од простора већег, према простору мањег притиска.

У принципу се ови аеротунели могу технички извести на три начина:

  • простор већег притиска је резервоар, а простор мањег притиска је атмосфера, као на доњој слици,
  • простор већег притиска је резервоар, а мањег притиска је резервоар с вакуумом и
  • простор већег притиска је атмосфера, а мањег притиска резервор с вакуумом.

 

Шематски приказ аеротунела с прекидним радом.

Изглед резервоара ваздуха под високим
притиском, у трисоничном аеротунелу Т-38.
Аеротунели с прекидним принципом рада, троше далеко мању енергију од континуалних, по једном упоредном часу испитивања. Инвестиције за њихову градњу су такође далеко ниже. За разлику од континуалних аеротунела, код њих је већи проблем влажности радног ваздуха, што се не може занемаривати. Влажан ваздух изазива кондезацију и стварање леда у радном делу на моделу. Због тих разлога, улазни ваздух се мора претходно осушити (дехидрирати) и никада се не користи ваздух преузет директно из атмосфере. Чак и код претходно наведене последње концепције ваздух преузет из атмосфере се претходно осуши у спремнику, који има еластични поклопац. Еластични или клизећи поклопац спремника одваја осушени од обичног атмосферског ваздуха и са својим померањем обезеђује сталан атмосферски притисак осушеног ваздуха, за све време његовог истицања. Код сва три решења, рафал траје све док се не изједначи притисак у оба простора. За све време трајања рафала, Махов број је у радном делу аеротунела приближно константан.

Код аеротунела с прекидним принципом рада, пут ваздуха је релативно кратак и праволинијски без скретања и усмеравања, с једноставним истицањем ваздуха из једног у други простор. При таквом струјању ваздуха, исти има тенденцију хаотичног, неуједначеног протицања и кроз радни део аеротунела. Пошто се захтева уједначено, униформно струјање око модела, с одговарајућим фактором турбуленције, у комори се постављају жичане мреже, које иду испред млазника. Те мреже се називају турбулентне мреже.

Графичка зависност промене пресека
млазника дуж уздужне осе, у
зависности од Махговог броја.
Аеротунели у којима се постижу брзине струјања ваздуха једнаке и веће од брзине звука, за разлику од подзвучних и окозвучних, имају млазник. Млазник се састоји од конвергентог и дивергентног дела и грла. У грлу се постиже брзина звука. Од геометрије млазника зависи постигнути Махов број, у радном делу аеротунела. Једној вредности Маховог броја одговара једна одређена геометрија млазника. Односно, у радном делу аеротунела постиже се жељени Махов број, успостављањем одговарајуће геометрије млазника. Код мањих и јефтинијих аеротунела млазници се физички замењују, као направљени улошци с којима се остварује задана геометрија. Код модернијих аеротунела то се остварује аутоматским профилисањем еластичних зидова млазника.

Законитост, конвергентно-дивергентног млазника с грлом, произилази из физичке законитости промене брзине струјања ваздуха кроз цев. Једначина континуитета за стишљив ваздух је у аеродинамици дефинисана једначином:

Бернулијева једначина, односно једначина о одржању енергије је у аеродинамици дефинисана, у облику:

 Пошто је,  и њиховим слобађањем, из обеју једначина, добија се: 

Промена пресека млазника за три карктеристичне области брзина:

    • Подзвучно струјање, М < 1. За пораст  опада . Значи, повећање брзине се постиже са сужењем млазника.
    • Надзвучно струјање, М > 1. При порасту  расте и . Значи, повећање брзине се постиже с повећањем површине попречног пресека млазника,
    • Крозвучно струјање, М = 1. Горња једначина има два решења,  и

Прво је реално решење, док друго није физички могуће. Произилази да се брзина звука постиже у грлу млазника сагласно првом математичком решењу. Ова законитост је приказана и графички на слици, десно. По овој законитости дефинисани млазник се назива Лавалов млазник.

Законитост промене пресека млазника у функцији Маховог броја, се добија из горње, једначине континуитета, за изентропско струјање с експонентом адијабате k = 1,4:

Где је A* површина попречног пресека грла, а A је површина разматраног попречног пресека млазника, којем одговара вредност M.

Очигледни су, из претходне једначине, закључци: да постоји једно решење за A* = A, при M = =1 и да су у свима осталим случајевима односи површина A и A* већи од један а одговарају им по две вредности Маховог броја. Из првог закључка произилази да се у грлу млазника постиже M = =1, а из другог да се и лево и десно од грла млазник проширује.

Расподела површина попречних пресека, дуж "x" осе млазника, одвија се према изентропском закону промене параметара струјања ваздуха.

Трисонични аеротунел Т-38, у Институту.

Изглед трансоничне коморе, радног
дела аеротунела Т-38, за испитивања
на крозвучним брзинама.
Код трисоничног аеротунела Т-38, У Ваздухопловнотехничком институту, приказаном на скици, зидови млазника (еластичне плоче) се аутоматски профилишу по горе приказаној законитости за жељени Махов број. Оператор задаје, преко рачунара, Махов број, а рачунар срачуна геометрију и даје одговарајуће елементе сваком покретачу понаособ, за померање еластичних плоча у датим геометријским тачкама. То се ради само при испитивању на и већим брзинама од брзине звука. На подзвучним и окозвучним брзинама еластичне плоче се профилишу по законитости колектора аеротунела за дозвучне брзине.

Овај аеротунел је опремљен с резервоарима ваздуха под притиском од 20 bara, запремине 2.600 m3. Трајање рафала се креће у границама од 6 до 60 секунди, зависно од остварене брзине у радном делу аеротунела.

Радни део је димензије 1,5 × 1,5 m, за испитивање тродимензионалних модела на подзвучним и надзвучним брзинама, сагласним Маховим бројевима од 0,2 до 4.

За испитивања на крозвучним (трансоничним) брзинама, аеротунел је опремљен са две коморе или радна дела, димензија 1,5 × 1,5 m за тродимензионалне моделе и мањи за дводимензионалне моделе 0,38 × 1,5 m.

За пројектанте летелица од велике су користи резултати мерења у функцији Махових бројева остварљивих у том аеротунелу, у распону од М = 0,2 до М = 4. Поред тога, ти резултати у делу подзвучних брзина су упоредиви с резултатима из подзвучних аеротунела, већих димензија (с већим Рејнолдсовим бројевима), у функцији формирања законитости утицаја Рејнолдсовог броја на резултате конкретног мерења. При испитивању у великом подзвучном аеротунелу Т-35, у осмоугаоном радном делу димензија главних оса 4,4 × 3,2 m, Рејнолдсов број је око три пута већи у односу на у трисоничном, при испитивању на истим Маховим бројевима. Упоређењем тих резултата, у целом заједничком распону Махових бројева од 0,2 до 0,95, се добија поуздан показатељ за формирање законитости утицаја Рејнолдсовог броја.

Аеротунеле за хиперсоничне брзине прате и додатне тешкоће. У њима су брзине струјања ваздуха веома велике, сагласне Маховим бројевима М > 6. На тим брзинама престају могућности за апроксимације, у разматрању ваздуха као идеалног гаса. Ове велике брзине, у лету, прате веома високе температуре, чак и преко 10.000 °C. Аеротунели с овим брзинама су тешко изводљиви с потребним димензијама радног дела. Поготово не и са симулацијом тако високе температуре. Одвојено од тога проблема, тешко је решавати и појачан проблем кондензације ваздуха, односно његовог сушења грејањем, пре употребе. За Махове бројеве М = 6 потребно је загрејати улазни ваздух на 200 °C, а за М = 8 на 450 °C. То је већ висока загрејаност структуре тога дела аеротунела, што изазива нежељено ширење и промене димензија делова. На основу Клаузиус-Клапејронових једначина и експерименталних података добијен је образац за одређивање температуре улазног ваздуха у келвинима, за жељени Махов број и за улазни притисак у атмосферама:

Хиперсонични аеротунел Т-34,
у Институту.
 
Код трисоничног аеротунела Т-38, У Ваздухопловнотехничком институту, приказаном на скици, зидови млазника (еластичне плоче) се аутоматски профилишу по горе приказаној законитости за жељени Махов број. Оператор задаје, преко рачунара, Махов број, а рачунар срачуна геометрију и даје одговарајуће елементе сваком покретачу понаособ, за померање еластичних плоча у датим геометријским тачкама. То се ради само при испитивању на и већим брзинама од брзине звука. На подзвучним и окозвучним брзинама еластичне плоче се профилишу по законитости колектора аеротунела за дозвучне брзине.

Овај аеротунел је опремљен с резервоарима ваздуха под притиском од 20 bara, запремине 2.600 m3. Трајање рафала се креће у границама од 6 до 60 секунди, зависно од остварене брзине у радном делу аеротунела.

У Институту, је изграђен хиперсонични лабораторијски аеротунел, с кружним обликом радног дела пречника 22 mm. Тај аеротунел нема симулацију високих температура, изворни му је притисак 30 bara, a трајање млаза је до 60 секунди, с максималним Маховим бројем М = 7. Изглед тога лабораторијског, хиперсоничног аеротунела је на слици, десно.

Ударна цев

Ударна цев је лабораторијско постројење експерименталне аеродинамике, исте је намене као и остали аеротунели. Због специфичног изгледа и начина изградње подсећа на цев, а према начину успостављања струјања асоцира на удар (експлозију). Из тих разлога се та врста аеротунела назива ударна цев. Струјање ваздуха је прекидног принципа, временски далеко краћег трајања рафала, у односу на аеротунеле с прекидним радом. Рафал у ударној цеви траје свега неколико милисекунди (ms). Према решењима, је ударна цев најближа аеротунелима с прекидним радом, код којих се струјање ваздуха успоставља између посуда с високим притиском и с вакуумом. За разлику од тих аеротунела, ударна цев је модуларна, гради се од сегмената цеви истих или сличних облика и димензија попречног пресека. Пресеци сегмената цеви су најчешће кружног облика, али могу бити и правоугаоног или квадратног. Као што је приказано на шеми, модули су: комора високог притиска, комора с вакуумом, комора за убрзање ваздуха, Лавалов млазник и радни део. Између комора за ваздух високог притиска и коморе за убрзање се поставља метална дијафрагма (фолија). Због повећања запремине ваздуха под високим притиском, на комору се надовезују и боце с високим притиском ваздуха. Део система с високим притиском одваја дијафрагма, од преосталог дела ударне цеви под вакуумом. Разбијањем дијафрагме, успоставља се струјање ваздуха кроз ударну цев, односно око модела у радном делу. Разбијање дијафрагме је контролисано. Може се изазвати вештачки, а може и с постепеним повећањем разлике притиска између натпритиска и вакуума. Подешава се тренутак и начин њеног прскања, с претхоним нарезивањем иницијалног канала одређеног облика и дубине, на површини металне дијафрагме. Након прскања дијафрагме, због велике разлике притиска, ствара се компресиони талас, који при одговарајућој температури и притиску ваздуха, у комори убрзања ваздуха, прелази у ударни талас. Тај талас путује кроз комору константног пресека, све до улаза у Лавалов млазник, у коме се убрзава до жељеног Маховог броја, у радном делу.

Шематски приказ ударне цеви

Разним комбинацијама модула, може се мењати растојање између дијафрагме и млазника а може се замењивати и радни део. Од растојања између дијафрагме до млазника, за исту разлику притиска ваздуха, зависи постигнути Махов број, на улазу у млазник.

У радном делу ударне цеви се може остварити квалитетно струјање ваздуха у подзвучној, крозвучној, надзвучној и хиперзвучној области брзина.

Ударне цеви су релативно јефтине инсталиције и могу у више случајева да замењују класичне аеротунеле. Посебно су погодне за симулацију хиперсоничних брзина. С њима се могу превазићи наведени проблеми код хиперзвучних аеротунела. Захваљујући ефекту загревања ваздуха у комори убрзања, кроз ударни талас, се може постићи температура у радном делу и до 10.000 °C. To су темпрературе које прате хиперсоничне брзине и у лету. За разлику од хиперсоничних аеротунела, ова висока температура ваздуха се постиже испред радног дела. Кратко траје, тако да нема већих загревања додирне структуре уређаја, па ни последичних штетним последицама. Уместо ваздуха се могу користити и други гасови: азот, хелијум, кисеоник и други.

У ударној цеви је тешко измерити аеродинамичке силе и моменте на моделу у делићу секунде, за колико траје рафал струјања ваздуха. На садашњем нивоу развоја технике мерења и опреме за ту намену, то се ипак успешно решава. Из тих разлога те инсталације су у прошлости првенствено коришћене за визуелизацију струјања у великом распону брзина, чак сагласних Маховим бројевима и до М = 10. Посебно су развијана оваква постројења експерименталне аеродинамике у Румунији, захваљујући њиховом истакнутом стручњаку др Лукијану Думитреску.

Комбинација континуалног и прекидног принципа рада аеротунела

Погонски вентилатор аеротунела Т-35,
у Ваздухопловнотехничком институту.
Подзвучни аеротунели се граде с већим димензијама радног дела, што обезбеђује веће Рејнолдсове бројеве при испитивању. Конструкторима летелица, посебно авиона, требају у тим условима и већи Махови бројеви због утицаја стишљивости на резултате испитивања. Посебан је интерес располагати резултатима испитивања у крозвучној области брзина, али не на штету смањења Рејнолдсових бројева. У таквим контрадикторним условима потреба и датих енергетских ограничења, конструктори аеротунела налазе излаз у повећању брзина постојећих подзвучних аеротунела с увођењем додатне енергије погона с минималним реконструкцијама и инвестицијама. Један од погодних начина је увођење допунске енергије инјекторским повећањем брзине у радном делу. На крају радног дела аеротунела се равномерно по ободу распореде инјекторске млазнице, кроз које се убризгавају млазеви ваздуха под великим притиском, у смеру струјања. Млаз ваздуха кроз млазнице је веће брзине и он повлачи за собом и убрзава основно струјање у аеротунелу.

По томе принципу је повећана брзина и у великом подзвучном аеротунелу Т-35 у Ваздухопловнотехничком институту.

Овај аеротунел има Рејнолдсов број 10.000.000, по дужном метру, погон с дванаестокраким вентилатором, пречника 8,5 m (види се на слици) и инсталисану дуготрајну снагу од 7.200 kW, а краткотрајну до 10.000 kW. У радном делу аеротунела се постиже брзина до 180 m/s (M < 0,6 ).

Инјекторске млазнице у радном делу
аеротунела Т-35, као додатни део погона,
у Ваздухопловнотехничком институту.

Изведена је надградња Т-35 с инјекторским ефектом у две варијанте, без и са крозвучним улошком. Приказано је на слици, десно. С овом надградњом се постижу Махови бројеви M < 0,8 без и M < 0,95 с (за сада неизграђеним) улошком. Ваздух под притиском за инјекцију се користи из система високог притиска трисоничног аеротунела. Са крозвучним улошцима је побољшано струјање и повећана је брзина, односно Махов број у радном делу аеротунела.

Блокирање попречног пресека радног дела

У принципу се у аеротунелима јављају проблеми у струјању у радном делу с брзинама које одговарају M ≈ 1. При тим брзинама се јавља проблем блокирања попречног пресека радног дела с присуством модела. Модел својим присуством ствара ефекат грла, у равни свога највећег попречног пресека. Услед тога ефекта, је највећа брзина у томе попречном пресеку. У њему се првом јављају ударни таласи, који након одбијања од зидова радног дела потпуно поремете струјање, с чиме исто престаје бити упоредиво са струјањем око конкретног тела у слободном лету. Та појава се назива ефекат блокирања.

Погодан пример за разумевање овог проблема је ако се претпостави да је радни део кружног пресека а да је модел пројектил осносиметричног пресека. Тада је проточни пресек између зидова радног дела и модела прстенаста површина A*, кроз коју струји ваздух. То је најмања површина попречног пресека склопа: модел-радни део. У томе пресеку се ствара исти ефекат прве појаве брзине звука, као у грлу у Лаваловом млазнику.

Перфорирани зидови трансоничног
радног дела (коморе) аеротунела Т - 38.

Ефекат блокирања се може схватити анализом једначине измене односа површине пресека радног дела A, и најужег проточног пресека на месту модела A*. За ту анализу важи иста једначина као за Лавалов млазник (последња, изнад слике трисоничног аеротунела). Према тој једначини произилази да се проблем блокирања може једино избећи ако је A* = A, то јест ако се модел смањи на нулу. Из тих разлога се дуго сматрало да у аеротунелима није могуће испитивати моделе на крозвучним брзинама.

Касније је откривено да се појава блокирања може ублажити и потпуно уклонити са специјалном врстом зидова радног дела аеротунела. Један од начина су перфорирани зидови радног дела, с чиме се спречива рефлексија ударних таласа. Перфорирани зидови су приказани на слици, десно. Први пут су примењена ова специјална решења, с уграђењеним цевчицама у зидове крозвучне (трансоничне) коморе у аеротунелу Т-38, у Ваздухопловнотехничком институту. Та се уградња изводи под углом, пре коначне обраде челичних плоча зидова. Коначна обрада се изводи у склопу, тако да су уста цеви потпуно у равни зида. С бочним одсисавањем ваздуха, кроз тако перфориране плоче, се уклања ефекат грла и блокирања у склопу радног дела с моделом. Ефикасност се обезбеђује с подешавањем количине одвођења ваздуха кроз перфориране зидове радног дела, што се изражава у процентима.

Напомене

Аеротунел Т-35, у
Ваздухопловнотехничком институту.
 

У оквиру међународне сарадње са Румунијом на пројекту авиона J-22 oрао, стручњаци Института су се детаљно упознали са овом инсталацијом и примењиваној технологији у њој.

Види још

  • Ваздухопловнотехнички институт (1946. – 1992.)
  • Експериментална аеродинамика
  • Аеродинамика
  • Махов број
  • Рејнолдсов број
  • Фрудов број

Извори

Спољашње везе