أسبوعان و130 عقدة وجناح مائل، داخل حملة ناسا لاختبار النموذج الداخلي لبيانات الجليد

في فبراير 2015، قضى مهندسو ناسا أسبوعين في القيام بشيء يبدو بسيطًا ويتطلب دقة متناهية. لقد جمدوا جناحًا مائلًا عمدًا. حملة اختبار النموذج الداخلي هي جزء من جهود أبحاث الجليد على الأجنحة المائلة ضمن برنامج النموذج البحثي المشترك. صُممت الحملة لالتقاط ما يحدث عندما يتشكل الجليد على الجزء الداخلي من جناح مائل أثناء تمدد اللوحات. هذه المنطقة مثيرة للاهتمام بشكل خاص لأن جسم الطائرة وأجهزة الرفع العالي وتدفق الهواء المعقد تلتقي جميعًا هناك. وعندما يدخل الجليد في هذه الصورة، يمكن أن تتغير الديناميكا الهوائية بطرق مفاجئة.

هل تساءلت يومًا كيف يعرف الباحثون ما يفعله الجليد بالجناح قبل أن تحلق الطائرة؟ الجواب هو أنفاق الرياح وقضبان الرش ومصفوفات اختبار مختارة بعناية. على مدى أسبوعين، من 24 فبراير إلى 6 مارس 2015، عرض الفريق نموذج الجناح الداخلي لمجموعة من ظروف الجليد تحاكي بيئات الطيران الحقيقية. تراوحت درجات حرارة الهواء الكلية بين نحو -23.8 درجة مئوية و -1.4 درجة مئوية. ثبتت السرعات عند 130 عقدة. تراوح متوسط الأقطار الحجمية، أو MVD، بين 20 و35 ميكرونًا. وتراوح محتوى الماء السائل، أو LWC، بين 0.6 و1.4 غرام لكل متر مكعب. تغيرت زاوية الهجوم بين 2.1 و4.4 درجة. وشملت مجموعة فرعية من قياسات الضغط إعدادات اللوحات من 0 إلى 15 درجة. هذه هي أنواع الظروف التي قد تواجهها طائرة نقل تعمل بالتوربينات أثناء الانتظار أو الهبوط عبر السحب التي تحتوي على قطرات ماء فائقة التبريد.

ما يجعل الحملة مفيدة للغاية هو مستوى التفاصيل في سجل الاختبار. يتضمن كل صف من البيانات معلمات النفق والرش مثل ضغط الهواء وضغط الماء ومدة الرش والوقت المحدد الذي تم فيه تشغيل نظام الرش. المدخل الأول، وهو التشغيل TG2401، جرى عند -8.7 درجة مئوية و130 عقدة، مع MVD بقيمة 25 ميكرونًا وLWC بقيمة 1.0 غرام لكل متر مكعب، وإعداد لوحات عند 13.6 درجة. انتقلت التشغيلات اللاحقة إلى هواء أبرد، واختبرت قطرات أكبر وأصغر، وعدلت محتوى الماء. أحد التشغيلات ثبت درجة الحرارة الكلية عند -20 درجة مئوية مع قطرات بحجم 35 ميكرونًا وLWC بقيمة 0.6. واستخدم تشغيل آخر قطرات بحجم 20 ميكرونًا مع محتوى ماء أعلى قليلاً. النتيجة هي مصفوفة تسمح للباحثين بفصل تأثيرات درجة الحرارة وحجم القطرات وتركيز الماء على شكل الجليد.

إلى جانب ظروف النفق، أنتجت الحملة مجموعة بيانات لمعامل الضغط منظمة حسب رقم RDG. تسرد تلك البيانات زاوية الهجوم وانحراف اللوحات وسرعة النفق. وهذا يساعد في تفسير كيف يتغير مجال الضغط على طول الجناح الداخلي مع تراكم الجليد وحركة اللوحات. تُرفق صور لأشكال الجليد وبيانات كتلة الجليد المتراكم بسجلات الاختبار. وهكذا يحصل المصممون على معايير بصرية وكمية في الوقت نفسه.

فماذا يعني هذا للطيران الحديث؟ تراكم الجليد على الأجنحة المائلة يمثل تحديًا معروفًا، خاصة على حافظات المحركات والشرائح واللوحات. في الجزء الداخلي من الجناح، حيث يتأثر تدفق الهواء بجسم الطائرة وأنظمة الرفع العالي، يمكن للجليد أن يغير توقيت انفصال التدفق وسلوك الانهيار (الستول). يوفر النموذج البحثي المشترك هندسة مفتوحة وموثقة جيدًا تتيح للصناعة والأوساط الأكاديمية التحقق من أدواتهم الحاسوبية مقابل بيانات الاختبار الفعلية. حملة اختبار النموذج الداخلي هي إضافة رئيسية إلى هذا الإطار، إذ تعطي نماذج المحاكاة بيانات حقيقية لتراكم الجليد لتعزيز الثقة في التنبؤ بالجليد وطرق اعتماد الطائرات.

تندرج الحملة ضمن مسار بحثي أوسع في ناسا يشمل تكوينات CRM عالية السرعة وCRM-NLF وCRM-HL. من خلال الجمع بين بيانات النفق التفصيلية وقياسات كتلة الجليد والضغط، تساعد ناسا المصممين على التنبؤ بتأثيرات الجليد في وقت مبكر من التطوير وبناء طائرات نقل أكثر أمانًا وكفاءة. بالنسبة لأي شخص يشارك في اعتماد الطائرات للطيران في ظروف جليد معروفة، فإن بيانات النموذج الداخلي تمثل مرجعًا قيمًا. إنها خريطة تساعد المهندسين على فهم كيفية استجابة الأجنحة المائلة عندما تغير الظروف المتجمدة الحافة الأمامية.