تبلیغات
وبلاگ پـرواز - تونل های باد پیشرفته
جمعه 16 مهر 1389

تونل های باد پیشرفته

   نوشته شده توسط: فرهاد افضلی    نوع مطلب :مقالات ،



تونل های باد پیشرفته

در اواخر سال ۱۹۴۰، گسترش و توسعه هواپیماها به طور فزایندهای گران شد همچنین هزینهٔ طراح های ناموفق هواپیما رو به افزایش بود. به همین علت طراحان هواپیما به دنبال راهی برای مدل کردن هواپیما به صورت ریاضی و شبیه سازی پایداری و کنترل می گشتند تا آن جاییکه دیگر نیازی به ساخت هواپیما نباشد. این مسئله با افزایش سرعت هواپیماها همراه شد و باعث افزایش نیاز به تونل های باد پیچیده تر گشت. و به طور اختصاصی بعد از جنگ جهانی دوم به تونل های ما فوق صوت نیاز بود.

تونل های باد ما فوق صوت به صورتی کار میکنند که بر خلاف منطق به نظر می آید. مثلا در گلوگاه تونل باد تنگ شده انتظار میرود که سرعت بادی که از میان آن عبور میکند افزایش یابد بنابراین به نظر میآید که در چنین تونل باد هایی مدل باید در گلوگاه قرار گیرد تا با سطح بالاتری از سرعت جریان در تماس باشد. اما واقعیت بدین گونهاست که به محض رسیدن جریان به این قسمت سرعت هواپیما به ماخ ۱ میرسد، هوا متراکم و گرم میشود. وقتی که هوا از این گلوگاه عبور میکند (در واقع سرعتش بیشتر از ۱ ماخ است) انرژی که در هوا به علت متراکم شدن و گرم شدن ذخیره شده بود، به انرژی جنبشی تبدیل میگردد. به بیان دیگر تمام این انرژی ذخیره شده مجبور به تبدیل شدن به گونه دیگری از انرژی میباشد و در فرم جدید میزان زیادی هوا با سرعت بسیار بالا در حال حرکت از میان تونل میباشد. تونل باد ما فوق صوت به این طریق کار میکند و مدل در مقطعی از تونل که گشاد میشود قرار میگیرد.
تعداد بسیار زیادی تونل ما فوق صوت کوچک در دهٔ ۴۰ میلادی مورد استفاده بودند اما طراحان هواپیما به تونل های بزرگتری برای مدل هایشان نیاز داشتند. در سال ۱۹۴۸ کمیتهٔ ملی مشورتی هوانوردی (ناکا) شروع به ساخت تونل باد های مافوق ضوتی با ابعاد ۱٫۲*۱٫۲ متر در مرکز تحقیقاتی لانگلی در سواحل اتلانتیک در ویرجینیا کرد. در همین زمان تاسیسات دیگر ناسا در مرکز ایمز واقع در کالیفرنیا نیز شروع به شاخت تونل مافوق صوت نسبتا بزرگتر و پیچیده تر کرد.
(اما مشکلاتی هم وجود داشت).به خاطر اینکه حتی نقص های بسیار کوچک در دیوارهٔ تونل باعث فشرده شدن هوا و ایجاد شک ویو میشود، تونل های ما فوق صوت به دیوارهی داخلی بسیار صافی نیاز دارند. بسیاری از همین اصول به کار رفته در تونل های مافوق صوت در تونل های ماورائ صوت به کار گرفته شدند تا سرعت های بالا تر از ماخ ۵ نیز ایجاد شود. اما چندین مشکل دیگر نیز در این تونلها وجود دارد. یکی از آنها قدرت بسیا زیاد لازم برای شتاب دادن هوا میباشد، بنابراین بیشتر تونل بادهای ماورائ صوت نمیتوانند به طور مرتب و پیوسته کار کنند زیرا میزان بسار زیادی هوای فشرده را ذخیره میکند و در مدت بسار کوتاهی به طور پیوسته رها می سازد. به همین علت تونل های ماورائ صوت دارای تانک های بزرگی برای نگهداری هوای فشرده دارند. مشکل دیگر این میباشد که هوایی که از محفظهٔ تراکم خارج میشود، به علت تبدیل انرژی حرارتی آن به انرژی جنبشی سرد میشود. در این تونلها تا آنجایی هوا ممکن است سرد شود که به مایع تبدیل شود. این یک موضع سادهٔ رطوبت ایجاد شده در هنگاه کندانس کردن (چگال کردن) هوا نیست. خود هوا تبدیل به مایع میشود(نه رطوبت موجود در هوا). برای جلوگیزی از این تغییر فاز، هوا را وقتی که در محفظهٔ نگهداری میباشد قبل از رها سازی به طور عمدی گرم میکنند. برای مثال در تونل های باد با سرعت های ماخ ۱۰، هوا تا ۱۶۴۹ درجهٔ سانتی گراد گرم میشود تا وقتی رها میشود تغییر فاز ندهد (به مایع تبدیل نشود).
متد دیگر برای دست یابی به سرعت های بالا این میباشد که مدل را از داخل لولهٔ یک اسلحه، در داخل تونل باد بر خلاف جریان شلیک کرد. در این حالت سرعت مدل با سرعت جریان هوا جمع میشود و سرعت شبیه سازی شدهٔ بالایی را ایجاد میکند. مدلها در حالی که با سرعت بالا حرکت میکنند، عکس بر داری میشوند. در این متد به خاطر این که برای رسیدن به سرعت های ماورائ صوت فقط هوا به تنهایی حرکت نمیکند، مشکلی در رابطه با مایع شدن (تغییر فاز) هوا ایجاد نمیشود. اما مدلها در پروسهٔ آزمایش از بین میروند.
یکی از پیشرفت های مهم در طول این مدت (۱۹۴۰ تا ۱۹۵۰)، شیار های داخل دیوارهٔ تونل باد بود. یک مشکل بزرگ با تونل های باد این بود که جریان هوای ردشده از مدل میتواند با دیوارهٔ تونل برخورد کند و به سمت مدل برمی گردد و یا در وسایل اندازه گیری آزمایش اختلال ایجاد میکند. ری رایت، یک محقق در مرکز تحقیقاتی لانگلی پیشنهاد کرد که شیارهایی در دیوارهٔ تونل باد ایجاد شود تا هوا در اطراف مدل راحت تر حرکت کند. یک گروه دیگر از متخصصان آیرودینامیک به سرپرستی جان استک این روش را در یک تونل مافوق صوت به کاربردند که فورا بسیاری از مشکلاتی را که آنها در سرعت های نزدیک ماخ ۱ با آن مواجه بودند حل کرد. به عنوان نتیجهٔ کار آنها جایزهی کلییرترافی در سال ۱۹۹۵ به استک و گروه او داده شد. جایزهای که مهمترین پیشرفت در دانش هوانوردی در سال را نشان میدهد.
در ضمن استفاده کردن از تونل باد برای طراحی هواپیماهای جدید، مشکلات دیگری را نیز که بر روی هواپیماهایی که تازه عملیاتی شده بودند (تازه ساخته شدهاند) تاثیر میگزارد حل میکند. یک مشکل که هواپیماهایی که در دمای پایین پرواز میکنند عاجز میکند یخ میباشد. یخ بر روی ملخها و بدنهٔ هواپیما، مخصوصا ٌ بالها تشکیل میشود و بر عملکرد هواپیما تأثیر مخربی دارد. تشکیل یخ به طور اختصاصی روی بالها بد میباشد زیرا میتواند لیفت را از بین برده باعث از دست رفتن ارتفاع هواپیما وسقوط آن میشود و یا میتواند جلوی حرکت سطوح کنترل را گرفته و پرواز را برای خلبان غیر ممکن کند.
توسعهٔ ساخت تونل های یخی در دههٔ ۴۰ برای مطالعه روی این مسئله شروع شد. آنها شبیه تونل های سادهٔ مادون صوت ساده هستند اما با سیستم خنک کنندهای که میتواند هوا را به خوبی تا زیر دمای یخ زدن (دمای انجماد آب) خنک کند مجهز شدهاند. قطرات آب درون جریان هوا اسپری میشود تا روی بدنهٔ هواپیما یخ بزنند. مهندسان تشکیل یخ روی هواپیما را نظارت میکنند. وسائل ضد یخ مثل گرم کن های برقی و یا لولههای شامل مایع ضدیخ مثل الکل در قطعاتی از هواپیما که بیشتریین میزان یخ تشکیل میشود نصب شدهاند. در تونل یخ وقتی یخ شروع به تشکیل روی بدنهٔ هواپیما میکند، گرم کنها روشن میشونند و محققان تأثیر این وسایل را در جلو گیری از تشکیل یخ را بررسی میکنند.
مدل های دیگری از تونل های باد نیز موجود است. "تونل های گردش" که رفتار هواپیما را وقتی که خارج از کنترل، پرواز و شروع به گردش میکند (در اصطلاح خلبانان به آن انحراف از پرواز کنترل شده میگویند) را آزمایش میکنند. این تونلها آزمایش میکنند که آیا در این حالت خلبان میتواند پرواز را به حالت عادی برگرداند یا باید اجکت کند. تونل های پرواز آزاد نیز وجود دارند، جایی که مدلها توسط کنترل از راه دور واقعاٌ به پرواز در میآیند، به کمک خلبانی که در اتاق کنترل نشسته و سیگنالها را از طریق کابل متصل به هواپیما می فرستد. تونل های کوره مانندی برای تست چگونگی رفتار موشکها و فضاپیماها در جریان های دما بالا وجود دارند. مثلاٌ وقتی که در حال برگشت به اتمسفر زمین هستند. تونل های مغناطیسی نیز وجود دارند. جایی که مدل داخل تونل توسط میدان های بسیار قدرتمند مغناطیسی در حال تعادل نگه داشته میشوند و اندازه گیری های بسیار دقیق تری برداشته شود.
قبل از دههٔ ۵۰ میلادی بیشتر تونل های باد، در ایالات متحده ساخته شدند وهمه توسط ناکا اداره میشدند. اما در سال ۱۹۴۶ در نتیجهٔ یک مطالعه در مورد تونل های باد در ایالات متحده این پیشنهاد شد که ضنعت و دانشگاهها نقش بزرگتری در توسعهٔ تونل های باد دارند. این مسئله به عقد قرار داد تونل باد ملی در ۱۹۴۹ سرانجام یافت. قرار داد، تونل های باد مافوق صوت جدید را در سه تاٌسیسات اصلی ناکا را مقرر کرد. همچنین برایجاد تونل های مافوق صوت مشخص در دانشگاهها پا فشاری میکرد. پیشرفتها در تونل های باد دانشگاهی به صورت پایهای از دو جهت مهم بود، تا هم نتایج تحقیقات ناکا را چک کند و هم مهندسان جدید در علم آئرودینامیک آموزش دهد، و کمتر شدن نقش بودجهٔ دولت در تحقیقات تونل باد را نشان دهد.
برای سالها تونل های باد راه کم خرج تری را برای تست هواپیما نسبت به ساخت هواپیما با سایز اصلی ارائه کردند. اما تحقیقات تونل باد نیز گران بوده و هست. آزمایش یک طرح جدید هواپیما در یک تونل باد ملیونها دلار خرج دارد. در نتیجه طراحان به طور فزایندهای به سمت کامپیوتر و متدهایی، که حل عددی مکانیک سیالات (هوا، آب، ...) گفته میشود، تغییر مسیر دادند. متدی که جریان سیال را به طور کامل شبیه سازی میکند. کامپیوترهای قدرتمند نسبتاٌارزان بوده و مدل های کامپیوتری خیلی راحت تر از مدل های فیزیکی که از پلاستیک، آهن یا چوب ساخته میشوند قابل تغییر هستند.
امروزه تونل های باد کمتر و کمتر مورد استفاده قرار میگیرند و تونل های باد غول پیکری که مورد نیاز بودند و در دههها ۴۰ و ۵۰ میلادی در بسیاری از مراکز تحقیقاتی آیرودینامیک شروع به کار کردند، هک اکنون فقط گاهی اوقات به عنوان پشتوانهٔ شبیه سازی های کامپیوتری مورد استفاده هستند تا ثابت کنند که حدس های عددی درست هستند.گرچه در بسیاری از موارد مهم، طراحان هواپیما مجبور به استفاده از تونل های باد برای آزمایش طرح هایشان بعد از شبیه سازی و حدس اشتباه هستند. برای مثال موشک هوا پرتاب "پگاسوس ایکس ال" تلفات داد، در یک نقص ایرودینامیکی در پرواز که پیشبینی نشده بود. اما در طول سالها بیشتر تونل های بزرگ باد ساخت ناکا ممکن است به طور کامل خاموش شوند. صدای مهیب آنها با صدای وزوز کردن فن کامپیوترها جانشین شده است.

 
لبخندناراحتچشمک
نیشخندبغلسوال
قلبخجالتزبان
ماچتعجبعصبانی
عینکشیطانگریه
خندهقهقههخداحافظ
سبزقهرهورا
دستگلتفکر
نظرات پس از تایید نشان داده خواهند شد.