Widzimy samolot, pocisk, kadłub, skrzydła, stery, dysze i czasem efektowną smugę za maszyną, ale samo powietrze pozostaje czymś przezroczystym i pozornie obojętnym. Jest to ot, medium, przez które trzeba się przebić. Problem w tym, że przy dużych prędkościach takie myślenie zaczyna się mścić, bo powietrze przestaje być obojętne i zaczyna zachowywać się jak aktywna siła, która potrafi szarpać, obracać i spychać maszynę z toru lotu. Najlepiej widać to tam, gdzie lot przestaje być spokojnym przemieszczaniem się z punktu A do punktu B, a zaczyna przypominać walkę o utrzymanie kontroli. Ostre manewry, duże kąty ustawienia kadłuba względem napływającego strumienia, prędkości bliskie lub przekraczające prędkość dźwięku i smukłe nosy maszyn robią z powietrza środowisko, które wcale nie sprzyja.
Nowe badanie z FAMU-FSU College of Engineering pokazuje właśnie ten niewygodny moment, w którym powietrze wokół nosa obiektu nie opływa go już elegancko, tylko zaczyna skręcać się w wiry zdolne do destabilizacji całej maszyny.
Naukowcy wzięli na warsztat coś pozornie banalnego
W tym badaniu zespół Rajana Kumara skupił się na stożkowym przodzie obiektu, czyli w praktyce na uproszczonym modelu tego, co w samolotach, rakietach i pociskach odpowiada za pierwszy kontakt z powietrzem. Taki kształt wydaje się zresztą oczywistym wyborem, bo przecież ten element ma przecinać strumień, ograniczać opór i na dodatek prowadzić przepływ możliwie przewidywalnie. Tyle że przy dużym kącie ustawienia względem napływającego powietrza nawet zwykły stożek zaczyna robić rzeczy, które z punktu widzenia inżyniera są bardzo dalekie od “zwykłego opływu”.
Czytaj też: Nowy język projektowania elektroniki jutra? Naukowcy zbudowali istny molekularny warsztat
Wspomniane badanie dotyczyło właśnie przepływu wokół stożkowego kadłuba poruszającego się z prędkością Mach 1,1, czyli tuż powyżej prędkości dźwięku. W przybliżeniu mówimy o prędkości około 1350 km/h, choć ta dokładna wartość zależy od temperatury i warunków atmosferycznych. Naukowcy w takim scenariuszu sprawdzili trzy kąty natarcia: 15, 25 oraz 30 stopni, wykazując to, jak szybko przepływ potrafi przejść od stanu względnie bezpiecznego do układu, w którym wiry zaczynają rozwijać się asymetrycznie.
Zanim przejdziemy do konkretnych wniosków, warto wiedzieć, że wiry w lotnictwie nie są niczym egzotycznym. Powstają na skrzydłach, przy końcówkach płatów, za kadłubem, wokół elementów wystających z obrysu maszyny i właśnie przy przedniej części kadłuba. Samo ich wystąpienie nie jest jeszcze katastrofą, bo konstruktorzy od dekad uczą się je przewidywać, wykorzystywać albo ograniczać. Schody zaczynają się wtedy, gdy wiry po obu stronach obiektu przestają być symetryczne, bo wtedy jedna strona kadłuba dostaje inny rozkład ciśnień niż druga.
W uproszczeniu wygląda to tak, że jeśli wir znajduje się bliżej powierzchni, to zmienia lokalne ciśnienie i zaczyna “ciągnąć” pojazd inaczej niż wir po przeciwnej stronie. W efekcie pojawiają się siły boczne i momenty odchylające. Przy spokojnym locie nie jest to aż tak druzgocące w skutkach, ale przy pocisku, rakiecie albo samolocie wykonującym gwałtowny manewr oznacza problem z trafieniem, stabilnością albo koniecznością natychmiastowej korekty lotu. W takim właśnie momencie powietrze staje się wrogiem pilota. Wystarczy, że przepływ po jednej stronie nosa rozwinie się inaczej niż po drugiej, a cały pojazd zaczyna dostawać obciążenia, których nie chciałby żaden konstruktor.
Przy 15 stopniach było źle. Przy 25 i 30 stopniach robiło się znacznie gorzej
Wyniki badania są o tyle ciekawe, że pokazują nie tyle jeden prosty próg katastrofy, ile zmianę charakteru samego przepływu. Wedle nich przy kącie 15 stopni główny wir rozpada się w bardziej złożony układ przypominający dwie splecione spirale, które później dzielą się na wiele cieńszych struktur. Jest to więc już niestabilność, ale jeszcze zupełnie inna niż przy większych kątach. Przy 25 oraz 30 stopniach rozpad wiru zaczyna z kolei formę pojedynczej spirali, co wskazuje na silniejszą i bardziej niebezpieczną niestabilność, a tym samym potwierdza, że im większy jest kąt natarcia, tym mocniej rośnie asymetria wirów.
Powietrze przechodzi w tych scenariuszach od struktury, którą da się jeszcze opisać jako względnie uporządkowaną, do przepływu coraz bardziej chaotycznego i trudnego do opanowania. Nie chodzi więc o to, że przy 30 stopniach “jest trochę więcej turbulencji”, a o to, że cały układ sił wokół przedniej części pojazdu zaczyna zmieniać się w sposób, który może wymagać od systemów sterowania znacznie szybszej oraz bardziej precyzyjnej reakcji. Właśnie dlatego takie badania nie są tylko zabawą z ładnymi wizualizacjami przepływu, bo dla pocisku lecącego z dużą prędkością niewielka asymetria może oznaczać zejście z kursu. Dla samolotu o wysokich osiągach może oznaczać utratę przewidywalności w manewrze, a dla systemu sterowania może oznaczać sytuację, w której klasyczne korekty przychodzą zbyt późno albo muszą być mocniejsze, niż pierwotnie zakładano.
Czytaj też: Jak tu nie uwielbiać Słońca? Teraz stało się niszczarką do plastiku i źródłem paliwa przyszłości
Wspomniane turbulencje nie są tym samym, co odczuwa pasażer samolotu. W rzeczywistości jest to zupełnie inny świat względem wirów generowanych przez samo poszycie przy dużym kącie natarcia, bo turbulencja przychodzi nie z atmosfery, a przez połączenie konkretnej geometrii, prędkości oraz ustawienia maszyny względem powietrza. Różnica jest ważna, bo w tym badaniu nie chodzi o komfort pasażerów, tylko o stabilność maszyn projektowanych do skrajnych warunków lotu. Przepływ wokół stożkowego nosa ma znaczenie dla pocisków, rakiet, samolotów wojskowych i wszystkich przyszłych konstrukcji, które będą musiały manewrować przy dużych prędkościach.
NASA przerabiała ten problem na latających laboratoriach
Nie jest przypadkiem, że temat wysokich kątów natarcia od lat interesuje NASA. Program F-18 High Alpha Research Vehicle służył właśnie badaniu zachowania samolotu przy bardzo dużych kątach natarcia, a więc w sytuacjach, w których klasyczna aerodynamika zaczyna stanowić wyzwanie. Zmodyfikowany F/A-18 testował m.in. wektorowanie ciągu oraz dodatkowe powierzchnie przy nosie, które miały pomagać w kontroli maszyny tam, gdzie tradycyjne stery traciły swoją skuteczność.
Dobrze pokazuje to, że wiry przy nosie nie są pobocznym problemem, bo mogą one się stać narzędziem sterowania albo źródłem utraty kontroli, a to wszystko zależnie od tego, czy konstruktor potrafi je przewidzieć i ujarzmić. Dlatego też w przeszłości badania dotyczyły takich rozwiązań, które wymuszały asymetryczne wiry z przodu kadłuba, żeby generować moment odchylający i wspomagać sterowanie przy wysokich kątach natarcia. Ma to sens, bo jeśli nie da się pozbyć danego zjawiska, to można spróbować je wykorzystać.
Pociski przyszłości będą musiały nie tylko szybko lecieć, ale też rozumieć własny przepływ
Największe znaczenie takich badań widać przy broni wysokich prędkości. W ostatnich latach masa uwagi poszła w uzbrojenie hipersoniczne, czyli pociski lecące z prędkościami co najmniej Mach 5. To temat, który regularnie wraca przy opisie nowych programów zbrojeniowych, bo obrona przed takimi systemami wymaga szybkiego wykrycia, śledzenia i przechwycenia celu, który sam potrafi manewrować. Tyle że sama prędkość to tylko część opowieści. Im szybciej leci pojazd, tym mniej czasu zostaje na reakcję, a im ostrzej manewruje, tym bardziej brutalne robią się właśnie zjawiska aerodynamiczne. Jeśli wokół nosa tworzą się asymetryczne wiry, to system sterowania nie może bazować wyłącznie na prostym założeniu, że mocniejsza korekta zrobi robotę.
Dlatego Rajan Kumar i jego zespół wskazują na plan dalszych prac nad zachowaniem wirów przy wyższych prędkościach oraz nad metodami kontroli transonicznej w czasie lotu, w których to sięgną po automatykę oraz sztuczną inteligencję. Cel? Doprowadzić do momentu, w którym będzie możliwe wykrycie początku niestabilności, rozpoznanie kierunku rozwoju oraz naturalnie skorygowanie lotu, zanim wiry wygenerują siły, które uniemożliwią opanowanie lecącej maszyny.
Czytaj też: Nie uwierzysz, jak ważna jest ta technologia. Wiem o tym po latach pisania o wojnach
Kiedy więc patrzę na takie badania, mam wrażenie, że najlepiej pokazują one prawdziwą trudność lotów z dużymi prędkościami. Nie chodzi wyłącznie o moc, materiały, temperaturę czy elektronikę. Chodzi też o środowisko, które samo zaczyna tworzyć problemy. Powietrze przy prędkości Mach 1,1 nie jest spokojną masą, przez którą obiekt się przebija, a zaczyna tworzyć dynamiczny układ ciśnień, wirów, fal i niestabilności. Im ta prędkość rośnie, tym problem staje się coraz większy.
Źródła: FAMU-FSU, EurekAlert, NASA
