Как работает аэродинамическая труба?

Предположим, вы только что спроектировали гигантский новый пассажирский
самолет и
теперь хотите испытать его в действии. Вы могли бы потратить миллионы
долларов на его создание из блестящего титанового
металла и гонять на нем по взлетно-посадочной полосе, чтобы проверить, летает ли он на самом деле, но что,
если вы ошиблись в расчетах? Что, если ваш самолет взлетит на
двадцать секунд, а затем внезапно упадет камнем и приземлится на город,
заполненный 5 миллионами человек? Это не лучший способ для испытания
чего-то столь опасного. Вот почему конструкторы самолетов сначала испытывают все
на земле, используя масштабные модели в аэродинамических трубах. Давайте
подробнее рассмотрим, как они работают!

Фото: Лопасти вентилятора внутри
одной из гигантских аэродинамических труб в исследовательском центре NASA Langley. Обратите внимание на человека внутри!
Фото предоставлено
NASA на Commons.

Зачем нам нужны аэродинамические трубы?

Проектирование самолетов, которые будут летать быстро, эффективно и
экономично, заключается в том, чтобы заставить воздух плавно проходить по их крыльям и
мимо их трубчатых корпусов. Это называется наукой аэродинамики
. Когда самолет поднимается в воздух, нет простого способа увидеть,
как воздух движется мимо него (хотя опытный летчик-испытатель будет иметь
хорошее представление о том, что может вызывать проблемы). Если есть серьезный
дефект конструкции, самолет вообще не поднимется в воздух. Вот почему все
современные космические корабли и самолеты
сначала испытываются на земле в аэродинамической трубе: трубообразном здании,
через которое воздух прорывается с очень высокой скоростью.

Фото: Основная идея: закрепить самолет на земле и
продувать его воздухом.
Фотография самолета F-86, установленного в полномасштабной аэродинамической трубе размером 40 x 80 футов в авиационной лаборатории NACA Ames, Моффетт-Филд, Калифорния, сделанная в 1954 году. Обратите внимание на инженера, стоящего под самолетом.
Предоставлено NASA на Commons.

Основная идея аэродинамической трубы проста: если вы не можете двигать самолет
по воздуху, почему бы не двигать воздух мимо самолета?
С научной точки зрения, это то же самое. Если самолет
волочится (вызывает сопротивление воздуха), когда он парит в небе, воздух будет
волочиться точно так же, когда вы запускаете его мимо неподвижной модели
самолета на земле.

Ничто не мешает вам построить супергигантскую аэродинамическую трубу и
испытать модель вашего самолета в натуральную величину — и, действительно, у американского
космического агентства NASA есть такие аэродинамические трубы. Но в большинстве случаев
гораздо дешевле использовать небольшую масштабную модель самолета в
гораздо меньшей аэродинамической трубе.

Фото: Испытание полноразмерной копии самолета Райт Флайер 1903 года в
полномасштабной аэродинамической трубе Эймса НАСА. Предоставлено НАСА на Commons.

Как работает аэродинамическая труба?

Аэродинамическая труба немного похожа на огромную трубу, которая закручивается вокруг себя по кругу с вентилятором посередине
. Включите вентилятор, и воздух будет дуть по кругу по трубе.
Добавьте маленькую дверь, чтобы вы могли войти, и испытательную комнату посередине, и, вуаля
, у вас есть аэродинамическая труба. На практике это немного сложнее
. Вместо того, чтобы быть однородной формы по всему периметру
, труба шире в некоторых местах и ​​намного уже в других.
Там, где труба узкая, воздух должен ускориться, чтобы пройти. Чем
уже труба, тем быстрее он должен двигаться. Это работает так же, как велосипедный насос, где воздух ускоряется, когда
вы выталкиваете его через узкое сопло, и как ветреная долина
, где ветер дует намного сильнее, сосредоточенный холмами по обе стороны.

Фото: Аэродинамическая труба похожа на гигантскую трубу.
Обратите внимание на широкие внешние секции и гораздо более узкую внутреннюю секцию, где труба производит
высокоскоростной воздух в центральной испытательной лаборатории.
Фотография 16-футовой высокоскоростной аэродинамической трубы в авиационной лаборатории Эймса NASA, Моффетт-Филд, Калифорния, сделанная в 1948 году.
Предоставлено NASA на Commons.

Аэродинамическая труба с узкими секциями — это простой способ набрать
больше скорости, а скорость — это то, чего нам нужно очень много. Чтобы испытать сверхзвуковой
самолет, вам нужна скорость ветра примерно в пять раз выше, чем
урагана. А для испытания чего-то вроде космического челнока вам нужно обдувать свой ветер
еще в десять раз быстрее. Немного ветра!

Ключевые части типичной аэродинамической трубы

Иллюстрация: Вид сверху типичной аэродинамической трубы.

Засуньте голову в аэродинамическую трубу и — если уши не оторвет — вы увидите что-то вроде этого:

1. Приводные двигатели: это гигантские электродвигатели, которые вращают вентилятор.
2. Компрессор: вентилятор (или вентиляторы), создающие высокоскоростной ветер.
3. Испытательная секция сверхзвуковой высокоскоростной авиации: здесь размещается модель самолета.
4. Лопасти: это аэродинамические профили, расположенные по углам, которые поворачивают воздух на 90 градусов без потери энергии.
5. Акустический глушитель: Аэродинамические трубы — шумные места! Глушители помогают снизить шум и точнее имитировать
   реалистичный поток воздуха.
6. Лопасти
7. Дозвуковая испытательная секция с низкой скоростью: с другой стороны расположена меньшая испытательная камера, где воздух движется немного медленнее.
8. Дверцы доступа: ученым нужно как-то попасть внутрь!
9. Осушитель воздуха: эта секция удаляет влагу из воздушного потока.

Вот один из чертежей аэродинамической трубы, сделанных NASA, на котором показаны похожие особенности (и еще несколько, которые я не показал):

Иллюстрация: Основные характеристики 14-футовой трансзвуковой аэродинамической трубы Эймса.
Предоставлено NASA на Commons.

Измерение расхода воздуха

Фото: Хотите провести небольшое испытание в аэродинамической трубе, но не можете позволить себе миллионы,
которые вам нужно будет потратить на все это модное оборудование? Нет проблем: есть приложение для этого! Найдите «аэродинамическая труба» в вашем
любимом магазине приложений, и вы найдете довольно много симуляций, с которыми вы можете поиграть на своем смартфоне или планшете.
Это снимок экрана, который я сделал с помощью бесплатного приложения Wind Tunnel Lite от Algorizk, которое позволяет вам испытывать
несколько основных форм (например, автомобили и аэродинамические профили) при разных скоростях ветра. Есть также профессиональная версия, которая позволяет вам контролировать гораздо больше вещей (тяга пропеллера, вязкость жидкости, трение и скорость ветра). Стоит обратить внимание учителям!

Воздух невидим, так как же узнать,
хорошо или плохо летит самолет в туннеле? Есть три основных способа. Вы можете использовать
дымовую пушку, чтобы окрасить воздушный поток в белый цвет, а затем наблюдать, как дым
перемещается и завихряется, проходя мимо самолета. Вы можете сделать так называемую
фотографию Шлирена, которая показывает изменения скорости и
давления воздуха, чтобы вы могли их увидеть. Или вы можете использовать
анемометры (измерители скорости воздуха), чтобы измерить скорость ветра в
разных точках вокруг самолета. Вооружившись своими измерениями и
множеством сложных аэродинамических формул, вы можете выяснить, насколько хорош или
плох ваш самолет и сможет ли он действительно удержаться в небе.

Когда вы будете довольны, вы сможете построить свой прототип (тестовую модель)
и испытать его в реальности — или убедить кого-то еще испытать его для вас.
Летчики-испытатели зарабатывают невероятные суммы денег из-за рисков, на которые они
идут. Но они гораздо счастливее, когда пристегиваются ремнями безопасности в своих
креслах, зная, что все, что они собираются попробовать, уже было испытано
в аэродинамической трубе!

Тестирование статики

Хотя аэродинамические трубы наиболее известны тем, что в них испытывают новые самолеты и космические ракеты — транспортные средства, которые мчатся
сквозь (теоретически) статический воздушный поток, — их также можно использовать противоположным образом: для моделирования того, как быстро движущиеся ветры
влияют на статические конструкции, такие как высотные здания и мосты. Архитекторам и инженерам-строителям необходимо учитывать
не только нагрузки, которые сильный ветер накладывает на их конструкции (буквально, могут ли здания сдуть), но и то, как такие вещи, как небоскребы, ловят ветер и отбрасывают его вниз к уровню земли, создавая «нисходящие потоки» и потенциально опасные вихри, которые могут сбить людей с ног. Такие проблемы легко изучать и исправлять, используя реалистичные модели в аэродинамических трубах.

На фото: Ученый проверяет, как ветер обдувает небоскребы в аэродинамической трубе модели Хьюстона, штат Техас. Фото Билла Джиллетта предоставлено Агентством по охране окружающей среды США и Национальным архивом США.

Кто изобрел аэродинамическую трубу?

Фото: Проект сверхзвуковой аэродинамической трубы НАСА 1948 года. Предоставлено Исследовательским центром Эймса НАСА.

Большинство людей согласятся, что братья Райт провернули ловкий трюк, когда совершили
первый полет с двигателем в декабре 1903 года. Какой трюк! Они потратили годы на изучение аэродинамики и
совершенствование конструкции своих крыльев, которые они называли «аэропланами».

В то время как братья Райт проводили большую часть своих испытаний на открытом воздухе, современные самолеты, скорее всего, испытывают в помещении — благодаря
проницательности британского инженера-самоучки Фрэнка Уэнхэма (1824–1908), который изобрел аэродинамическую трубу в 1871 году. В отличие от огромных современных труб, оригинальная труба Уэнхэма имела (как он сам выразился) «ствол длиной 12 футов [3,7 м] и квадрат со стороной 18 дюймов [46 см], чтобы направлять поток горизонтально и параллельно курсу», а воздух, который свистел вокруг нее, перемещался не быстрее 64 км/ч (40 миль в час).

Сравните это с самой большой в мире современной аэродинамической трубой в исследовательском центре NASA Ames, которая в 100 раз длиннее (430 м или 1400 футов), имеет тестовую секцию общей площадью 24 м × 37 м (80 футов × 120 футов) и производит ветер со скоростью до 185 км/ч (115 миль в час). Современные аэродинамические трубы, подобные этой, в огромном долгу перед забытыми пионерами, такими как Уэнхэм, чьи идеи помогли положить начало современной науке аэродинамики, позволяя миллионам из нас подниматься в небо каждый день!

дальнейшее чтение

• Комиссия по празднованию столетия полетов США: Первые аэродинамические трубы: Хорошее введение в разработку аэродинамических труб такими пионерами, как Фрэнк Уэнам. [Архив страницы через The Wayback Machine.]
• Аэродинамические трубы НАСА: Глава 1: В поисках чего-то лучшего: собственный отчет НАСА о ранней истории аэродинамических труб и о том, как они произошли от «вращающихся рук».
  [Архивная страница через The Wayback Machine.]

Не хотите читать наши статьи? Попробуйте вместо этого послушать

Если вы предпочитаете слушать наши статьи, а не читать их, подпишитесь на наш новый подкаст
на Apple Podcasts,
Spotify,
Amazon,
Podchaser
или в вашем любимом приложении для подкастов или слушайте ниже:

Узнать больше

На этом сайте

• Аэродинамика
• Самолеты
• Реактивные двигатели для самолетов
• Компрессоры и насосы

На других сайтах

• Руководство для начинающих по аэродинамическим трубам: всеобъемлющие вводные материалы от NASA, включая историю, методы тестирования, аэродинамическую теорию и математику. Также есть раздел о том, как построить собственную аэродинамическую трубу для школ.

Статьи

• Октябрь 1960 г.: Высокоскоростные аэродинамические трубы Джона Экселла. The Engineer, 15 октября 2014 г. Увлекательный взгляд на классические ветровые испытательные установки 1960-х годов недалеко от Престона, Англия.
• 27 мая 1931 г.: Аэродинамическая труба позволяет самолетам «летать» на земле, Джейсон Паур. Wired, 27 мая 2010 г. Празднование первой в мире полномасштабной аэродинамической трубы, которая открылась на аэродроме Лэнгли-Филд недалеко от Хэмптона, штат Вирджиния, в мае 1931 г.
• Внутри огромной аэродинамической трубы GM Чака Скуатриглии. Wired, 16 октября 2008 г. Как на самом деле выглядит аэродинамическая труба изнутри? Вот захватывающий фототур по туннелю, предназначенному для тестирования автомобилей.
• Ultimate Test Макса Гласкина: The Engineer, 15 января 2008 г. Как индустрия автоспорта использует аэродинамические трубы с вращающимися трассами.
• «Борьба в аэродинамической трубе за то, чтобы не допустить шума ветра» Джима Макгроу. The New York Times. 21 октября 1998 г. Старая, но интересная (и все еще актуальная) статья, описывающая, как автопроизводители используют испытания в аэродинамической трубе для снижения неприятного шума ветра.
• Аэродинамические трубы используются по-новому Уолтером Томашевски. The New York Times, 30 августа 1970 г. Статья из архива Times объясняет, как аэродинамические трубы использовались для таких вещей, как проектирование небоскребов в конце 1960-х годов. Одним из выдающихся пионеров этой работы был Джек Сермак из Университета штата Колорадо.
• Аэродинамическая труба Райта 1901 года: Wright-Brothers.org, без даты. Увлекательный фотографический взгляд на трубу, которую Райты использовали для своих экспериментов (вторая в Соединенных Штатах).

Книги

• «Испытания в аэродинамической трубе на малых скоростях» Джуэл Б. Барлоу, Уильям Х. Рэй и Алан Поуп. Wiley, 2015. Один из классических учебников, особенно посвященный автомобилям, мостам и другим низкоскоростным применениям.
• Испытания высотных зданий в аэродинамической трубе Питера Ирвина и др. Routledge, 2013. Введение в испытания на ветровую нагрузку для архитекторов и инженеров-строителей.
• Аэродинамика: избранные темы в свете их исторического развития Теодора фон Кармана. Дувр, 2004 (перепечатано с оригинала 1957 года). Классический обзор одного из пионеров современной аэродинамики.
• Иллюстрированное руководство по аэродинамике Хьюберта С. Смита. McGraw-Hill Professional, 1992. Практическое руководство для пилотов.

Патенты

Для более глубоких технических подробностей стоит взглянуть на патенты — вот несколько примеров, которые я вам привел. В деле есть еще десятки, некоторые из них посвящены конструкции туннеля, а другие — тому, как можно поддерживать или перемещать модели для имитации реалистичных движений самолета. Вы можете найти еще больше, выполнив поиск в базе данных USPTO (или альтернативном сервисе, таком как Google Patents):

• Патент США 1,635,038: Аэродинамическая труба для полета моделей Элиши Фейлза, 5 июля 1927 года. Фейлз работал в Воздушной службе армии США и внес важный вклад в науку аэродинамики. В 1918 году, работая с Фрэнком Колдуэллом, он построил первую высокоскоростную (хотя все еще дозвуковую) аэродинамическую трубу в Соединенных Штатах для испытания конструкций пропеллеров.
• Патент США 2,152,317: Аэродинамическая труба и метод определения контуров линий тока, Альберт Дж. Крамер, 28 марта 1939 г. В этом патенте описывается подготовка моделей для испытаний в аэродинамической трубе.
• Патент США 2,677,274: Сверхзвуковой аэродинамический трубчатый аппарат Аллена Э. Пакетта, 4 мая 1954 г. Когда самолеты приближались к звуковому барьеру, приближались и аэродинамические трубы! В этом патенте описываются некоторые проблемы высокоскоростных аэродинамических испытаний и способы их преодоления.
• Патент США 2,711,648: Механизм поддержки модели аэродинамической трубы Ральфа Карлстранда, Northrop Aircraft, Inc., 28 июня 1955 г. Как имитировать вибрации и флаттер в аэродинамической трубе, если ваша модель неподвижна? Вам нужен механизм, который может воспроизводить эти движения в вашей модели.
• Патент США 3,111,843: Гиперзвуковая аэродинамическая труба Рэймонда Фредетта, Cook Electric, 26 ноября 1963 г. Есть ли предел скорости, с которой могут лететь самолеты? Аэродинамические трубы помогают нам это выяснить.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты.

Статьи с этого сайта зарегистрированы в Бюро по авторским правам США. Копирование или иное использование зарегистрированных работ без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и/или нарушение смежных прав может повлечь за собой суровые гражданские или уголовные санкции.

Авторские права на текст © Chris Woodford 2008, 2019. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условия использования.