כיצד טכניקות Active Flow Control להגביר את המעלית ולהפחית את דרדר בהנדסת אוויר

Active Flow Control in Aerospace: A Technical Deep Dive into Lift and Drag Optimization

המרדף הבלתי פוסק של יעילות אווירודינמית מניע את ההנדסה המודרנית של החלל.כל נקודה בסיסית של הפחתה או הרמת יתר מתורגם ישירות לשרוף דלק נמוך, יכולת עומס גבוהה יותר, טווח מורחב, והפחתה של ההשפעה הסביבתית.במשך עשרות שנים, מעצבי מטוסים נשענים על תכונות אוויריות פסיביות - סוללות פתורות אטמוספירה, גרורתיות אוויריות, כדי לשנות את זרימת האוויר סביב מסגרת אוויר, כמו דרישות מהירות מקסימלית של פתרונות אוויריים (A)

הבנה של Active Flow control

בקרת זרימה פעילה מתייחסת לכל טכניקה המשתמשת קלט אנרגיה חיצוני – מכני, נוזלי, חשמל או תרמי - כדי לשנות את זרימת האוויר סביב כלי רכב.בניגוד לשיטות פסיביות (כגון turbulators, strakes, או אלמנטים גסים קבועים) אשר מסתמכים על גיאומטריה בלבד, מערכות AFC ניתן להחליף, או לשנות בתגובה לחיישנים.

הפיזיקה מדגישה את רוב טכניקות AFC מתמקדת בשכבה הגבול:0 (FLT:1) - האזור הדק של נוזל ליד פני השטח שבו השפעות של מולקווס שולטות. על ידי energizing שכבת הגבול, עיכוב המעבר מן laminar כדי להרגיז, או למנוע הפרדה, AFC יכול לשנות באופן דרמטי את ההתפלגות.

• (ב) ,0) ,Boundary Layer energization: ⁇ 1:1 , הוספת נוזל גבוה לעיכובים של אזור הקירבה איטי יותר.
• דור ה-FLT:0Vortex: FLT:1, מערבולת תל אביב חופשית גבוהה לתוך שכבת הגבול.
• (ב) ⁇ :0) ⁇ : ⁇ 1 (החלו) , ייצוב נוזל נמוך-נמומנטום מייצב את זרימת הלבנדר או מחדש אזורים נפרדים.
• (FLT:0) שינוי בלחץ סטרימנטלי: ⁇ FLT:1) Actuators יכול לשנות את צורת פני השטח האפקטיבי באמצעות Coanda או אפקט מחזור הדם.

הבנת היסודות האלה חיונית להערכת הטכניקות הספציפיות שעוקבות אחריהם.

מפתח AFC Technologies

מגוון רחב של פועלים פותחו, כל אחד עם יתרונות נפרדים ומסחריים.הבוגר ביותר ונחקר נרחב כוללים פועלים מבוססי מטוסים, מטוסים סינתטיים, מפעילי פלזמה ומערכות מיקרו-אלקטרוניקה-מיכאניות (MEMS).

ג'ט אקטוטורים (Steady Blowing/Suction)

(ג'ט) הם המכשירים הפשוטים ביותר של AFC: נביחות קטנות או חריצים משולבים לתוך משטח הכנפיים פולטים זרם קבוע של אוויר בלחץ גבוה.אוויר מוזרק מוסיף מומנטום לשכבת הגבול, ומאפשר לו להתגבר על לחץ שלילי ⁇ ועדיין להיות מחובר על חלק גדול יותר של כנף, לעתים קרובות נקראה FLT:0blowingFLT:1, יעיל במיוחד בדיכוי זרימת דם נמוך, אם כי הוא זרם נמוך של נוזל או נוזל, 000.

מערכות קידוד נוצץ לצרוך אוויר ממנוע או מדמם ייעודי, וכתוצאה מכך עונש כוח צנחני.עם זאת, מחקרים של נאס"א ו-DLR הוכיחו הפחתה נטו של 15-30% בתצורת מטוסים תחבורה באמצעות מיקום זהיר של חריצים מפוצץ.

2.Synthetic Jet Actuators

מטוסים סינתטיים, הידועים גם כ- Zero-net-mass-flux (ZNMF) פועלים, הם אלטרנטיבה אלגנטית יותר.הם מורכבים מכואב עם diaphragm ו a Small orifice. as the diaphragm vibrates קומפקטי, הם שואבים באופן חלופי נוזל וגירוש נוזלים מן הגולגולת, ומייצרים רכבת של vulreticustreic או מ-ampreshto-ampreshreshreative הוא צורך את אותה מערכת חשמלית בלבד.

ניתן לכוון את האופי הסמוי של מטוסים סינתטיים כדי להתאים את התדרים האופייניים של שכבת הזאר הנפרדת, להעביר ביעילות מומנטום ודכא הפרדה.בבדיקות מנהרות רוח, מטוסים סינתטיים עיכבו על ידי 5-10 מעלות של זווית התקפה והורדת פרופיל על ידי 20–40% על פליטות אוויר מהירות נמוכה.ה הטכנולוגיה מפותחת באופן פעיל עבור פריסה על רחפנים ומטוסי טיסה מסחריים.

3. פלאסמה Actuators (Dielectric Barrier Discharge)

מכשירי פלאסמה פועלים, במיוחד דיאלקטרי של פריקה (DBD), משתמשים באלקטרודות גבוהות של אלקטרודות מופרדות על ידי שכבת דיאלקטרית כדי ליצור פלזמה קרה.הפלסמה מייצרת כוח גוף על האוויר הניטרלי שמסביב, תוך גרימת זרימה טנגנטית (מטוס קיר) ליד פני השטח.זרימה זו עלולה לזרז את הגבול ו rechto מופרד ללא תנועה חלקית.

בעוד המהירות המושרה היא בדרך כלל צנועה (כמה מטרים לשנייה), DBD פועלטורים מצטיינים בשכבת הגבול שליטה על מספרים נמוכים עד בינוני ריינולדס, טיפוסי של מל"טים קטנים ו להבים טורבינות רוח. במספרים גבוהים יותר של ריינולדס, יעילותם יורדת, אך מדרגת מאמצים באמצעות ננו השני-כפים-כפים מופעים.

4. Microelectromechanical Systems (MEMS) Actuators

טכנולוגיית MEMS מאפשרת ייצור של פחמי מיקרו-סול, שסתום וחיישנים שניתן לשלב בתוך פני השטח של כנף.המכשירים הקטנים האלה יכולים להיות מטופלים באופן אינדיבידואלי כדי ליצור גס רוח הסתגלות או הזריקה מקומית / חנקן. Arrays of meMS יכול לתפעל את שכבת הגבול על סולם קנס יותר מאשר ממבצעי מאקרוסקופ, פוטנציאל להשיג שליטה ליד-ide.

כיצד AFC משפרת את המעלית

המעלית נוצרת על ידי הבדל לחץ בין פני השטח העליון והנמוך של כנף, נשלט על ידי העיקרון ברנולי והחוק השלישי של ניוטון.בזווית נמוכה של התקפה, הזרם נשאר מחובר, ואת הרם coefficient עולה לינארית. כמו זווית של התקפה עולה, לחץ שלילי ⁇ מתח על פני השטח העליון, ובסופו של דבר גורם הגבול להפריד.

בקרת זרימה פעילה יכולה להרחיב את משטר זרימה המצורף על ידי מניעת הפרדה ישירה.המנגנונים מגוונים:

• (FLT:0)Momentum תוספת: FLT:1 ג'ט פועלוטורים ומטוסים סינתטיים מזרקים נוזל עתיר לתוך אזור נמוך-מומנטום ליד פני השטח, המאפשר שכבת הגבול לדחוף דרך הדימום השלילי.זה אנלוגי לספק "boost" למולקולות האוויר כדי שיוכלו לטפס על הלחץ.
• (FLT:0)Vortex ערבוב: FLT:1 , סניאתטי סילון ו פלזמה פועלים לייצר מבנים טורקטיים נפוצים אשר מעוררים נוזל גבוה מן מחוץ שכבת הגבול כלפי הקיר, עלייה מומנטום ליד הקיר.
• (FLT:0) בקרת בידוד: FLT:1hil על ידי התפוצצות מעל קצה שביל מעוגל (משטח קוקונדה), הנפיחות ומסתובב סביב קצה השביל, ביעילות להגדיל את זרימת הדם סביב האוויר.זה יכול לייצר להרים אפקטיביות ארבע או חמש פעמים גבוה יותר מאשר כנפיים קונבנציונליות עבור אותו אזור תוכנית.

דוגמה טובה לכך היא ה-FLT:0circulation Control WingFelo1 (CCW) שפותחה על ידי הצי האמריקאי ונאס"א בעיצובים CCW, משב קטן ליד מכתים מעוגלים השופעים מתפתלים אוויריים, מה שגורם לזרימה לדבוק על פני השטח העקומה ולהפך.

יישום בולט נוסף הוא השימוש של מטוסים סינתטיים על כתף של כנף רב-תכליתית. בניסויים מנהרה רוח בנאס"א לנגלי, מערך סילון סינתטי על מודל תחבורה מסחרי בקנה מידה של 14% גדל מעלים מקסימליים על ידי 5 עד 10% ועיכוב הפרדה על ה flap על ידי 7°.זה מתורגם לזווית תלולה יותר ואורךי שדה קצרים יותר, קריטי עבור בעתיד שקט קצר לקחתוף אוויר ונחתה (QSTO) כלי רכב.

« « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « «

הפחתת דרג היא ככל הנראה היתרון המשכנע ביותר של AFC עבור תעופה מסחרית, שבו עלויות הדלק שולטות בהוצאות התפעוליות.הגרור הכולל של מטוס תת-קולי מחולק באופן רחב לשלוש קטגוריות: גרור קצבה (חיכוך וצורה), גרר מושרה (החלקה במורד הזרם של הזרוע), וגור (מהירויות טרנסטוניות).

« עור מתחל

חיכוך עור מהווה כ-50% מכלל גרר בתחבורה מודרנית בהפלגה.למינר – שם שכבת הגבול חלקה וצוינה – יש באופן משמעותי חיכוך עור נמוך יותר מאשר זרימה סוערת (על ידי גורם של 5 עד 10), עם זאת, במספרי טיסה טיפוסיים של ריינולדס (מעל 10) של דלק פסיבי (מעל קיבולת של 15%) מעברי חשמל סחף באופן בלתי נמנע כדי לגרועים ליד הקצה הפעיל.

דרגו (Dere Drag)

גרור טופס עולה מן הפרדה זרימה, במיוחד על גופים bluff כגון פתיחת לאחר ה-Bodys, nacelles, ו- צומת גוף כנף. AFC יכול להזין מחדש זרמים נפרדים, צמצום ההתעוררות בלחץ נמוך ואת הלחץ המשויך לגרור. לדוגמה, מטוסים סינתטיים רכובים על הרציף האחורי של מטוס מטען C-130 הוכח להפחית את הבסיס על ידי 20%.

« « « גרף

גרור משכיל הוא תוצר לוואי של ייצור מעלית - את הטורפים השופעים מאחורי הטיפים כנף. בעוד שכנפיים ואופטימיזציה לטעון פניות כבר להפחית את הגרור המושרה, AFC מציעה הפחתה נוספת על ידי שינוי דינמי באופן דינמי את חלוקת המעלית לטווח הארוך. גישה אחת היא להשתמש מטוסי סילון סינתטיים או פלזמה פועלים על האגף כדי לפרק את הליבה הטורפת, להפחית את הכוח הפעיל של 5-10% כדי ליצור את הטיפ הפעיל של הטיפות.

יתרונות וסנארגיות

הערעור של AFC משתרע מעבר להישגים של עמידה, כאשר משולב עם מערכות בקרה לטיסה, AFC יכול להחליף או להגדיל משטחים מסורתיים שליטה (ailerons, flaps, rudders), צמצום משקל, מורכבות מכנית, ו parasite גרר. מושג זה, הידוע בשם FLT:0flapless Flight controlFLT:1), הוכח ב-DLR FLEX (Fable Control), שבו נעשה שימוש ב- Active Activefield ו-U.

• (ב) ,0) ,החלק הראשון של טיהור של צירים, מעשים, קווים הידראוליים מצילים משקל ותחזוקה.
• (FLT:0) סמכות פס רחב: למערכות AFC ניתן לשנות עבור trim, הקלה גורית, או צמצום עומס פעיל.
• (ב) ניתן לתכנן את אותו מערך ההפעלה למעלית גבוהה במהלך ההמראה/הפחתת המשלוח בשיוט.
• (FLT:0) תאימות עם תצורה לא קונבנציונלית: ⁇ FLT 1:1 לנדבו גופים כנף, כלי כנפיים ללא זנב, וכנפיים מורפיות ליהנות משליטה מבוזרת.

יתר על כן, AFC יכול להיות משולב עם FLT:0 מחרינג מוביל וכביש קצה קצה של ההרחבה 1 כדי להשיג משטחים ללא פערים, חלקה שליטה על פני השטח.הפרויקט SARISTU האירופי בחן יתרון מוביל מורפיו באמצעות מחוקקים סינתטיים משולבים כדי לעכב את המעבר ולהקטין את הרעש.

גבולות ואתגרי הנדסה

למרות הבטחתו, AFC עדיין לא ראתה פריסה נרחבת במטוסים מסחריים. נותרו כמה מכשולים:

• (FLT:0) צריכת חשמל: הטמעת מערכות קידוד 1:1 , למערכות מפוצצים של Steady דורשות בערך 1–3% מאוויר מדמם של מנוע עבור מתקנים אופייניים, אשר מפחית יעילות נטו.מטוסים סינתטיים ומניפסט פלזמה לצרוך חשמל, אשר חייב להיות מיוצר על ידי המנוע או על גנרטורים על הסיפון.
• (FLT:0Weight andמורכבות:FLT:1 דוקטינג, דחוסים, אקטוטורים, ואלקטרוניקה הקשורים לשליטה מוסיף משקל.עבור בקרת זרימה מבוססת תגמול, הצורך במסננים עתירי עדינים כדי למנוע כריתת עצים ושמירה על שסתום היסטריה נמוכה מוסיף מורכבות משמעותית.
• (FLT:0) אחריות וההסמכה: FLT:1 פועלי AFC חייבים לפעול ללא פגם תחת טמפרטורה קיצונית, רטט, מחזורי לחץ עבור עשרות אלפי שעות טיסה. Redundancy, מצבי כישלון, מרווחי תחזוקה עדיין לא בוגרים לחלוטין.
• (FLT:0) קשיים בהתעצמות: FLT:1 Refiting AFC לתוך מבנים קיימים כנף מאתגר; רוב המחקרים מניחים עיצובים של גליון נקי אשר מטביעים את הפועלים במהלך הייצור. Scaling ביצועים בקנה מידה מעבדה בקנה מידה מלא (מספרים של מספרים חוזרים במאות מיליוני) עדיין לא בטוחים.
• (FLT:0) אינטראקציה תאולוגית ומבנית: FIRLT:1 , אוסילינג פלזמה יכול לייצר רעש בלתי חוקי ועשויה לעורר תנודות מבניות אם הוא מכוון בצורה לא נכונה.

להתגבר על אתגרים אלה דורש המשך מחקר בחומרי הפעלה, עיצובים יעילים כוח, ואלגוריתמים שליטה חזקים.פיתוח של דינמיקת נוזל חישובית אמינה (CFD) כלים המסוגלים לפתור אינטראקציות של שכבות אקטוטור-מרכזיות הוא גם קריטי.

נתיבי Outlook ואינטגרציה עתידיים

מסלול פריסת AFC הוא מאיץ.כמה טכנולוגיות הפגנות מתקדמות לקראת בדיקות טיסה:

• (FLT:0) בקרת Laminar Flow ההיברידית של נאס"א על בואינג 757: 1FreaLT: סעיף בקנה מידה מלא של הזנב האנכי נבדק עם לוחות של מיצוי לייזר, המאשר לליטר לזרום מעל 50% מהמקובל ב 0.8.
• מפעל ה-FLT:0 (The Airbus eXtra Performance Wing:FreaLT:1) פרויקט תחת מסגרת Sky 2 נקייה שמטרתו לשלב מטוסי סילון סינתטיים וחיישנים מתקדמים לתוך ציר חצי-אירוליסטי לכנפיים הדור הבא.
• מטוסים חשמליים ומטוסי נחיתה (VTOL): אנדרט 1 פלטפורמות אלה, עם מספרים נמוכים יותר של ריינולדס ומבנים פשוטים יותר, הם חברות אידיאליות כמו Joby תעופה וארצ'ר חוקרים את AFC להפחתה של רעש ושיפור יעילות המרחף.

במבט קדימה, ההתכנסות של AFC עם FLT:0thal TwinsFLT:1 טכנולוגיה ו-FLT:2machine LearningFLT 3 יאפשר שליטה הסתגלות בזמן אמת.רשת של חיישני לחץ פני השטח ומדפי פילים חמים יכול להאכיל רשת עצבית שמשתאמת את הגדרות ההפעלה אלפי פעמים לשנייה כדי לשמור על תנאים אופטימליים.

ייצור אדקטיבית (3D הדפסה) הוא גם מוריד את המחסום עבור תרכובת ההפעלה מורכבת גיאומטריה. הדפסה רב-חומרית מאפשרת שילוב של ערוצים, חללים, ומזכרות גמישות ישירות לתוך העור, צמצום השלבים של ההרכבה ב-MIT הראו מערךי סילון סינתטיים מודפסים עם אלקטרוניקה משולבת שמשקלו פחות ממתק מתכת קונבנציונלי.

לבסוף, המרדף אחר תעופת פחמן אפסית עד שנת 2050 ידרוש כל צמצום חיכוך אפשרי. Active Flow control, בשילוב עם מחזורי מנוע מתקדמים ומבנים קלים יותר, הוא אבן הפינה של הדור הבא "מזג אוויר כפול" ומושגים "חופים מוחזרים" כמו הטכנולוגיה הבוגרת, AFC יהפכו כלי סטנדרטי בארסנל של האירודינמיקה.

מקור:0 (ב) מקורות:

• (הופנה מהדף NASAA's Active Flow Control Program)
• (המכון האמריקאי לאירונאוטיקה ואסטרונאוטיקה) - מאמרים טכניים על בקרת זרימה
• (FLT:0DLR (מרכז החלל הגרמני) - FLEX ו- SARISTU Project פלטscioFLT:1
• (FLT:0 ScienceDirect Review of Active Flow Control Basics)