可変密度トンネル

可変密度トンネル
ラングレー研究センターの可変密度トンネル。駆動モーター (左)、コンプレッサー配管 (前)、オペレーター (右)。
頭字語VDT
その他の名前風洞第2号
用途翼の空力特性の測定
注目すべき実験「NACA技術報告書460：可変密度風洞試験による78の関連翼断面の特性」[ 1 ]
発明家マックス・ムンク
メーカーニューポート・ニューズ造船・乾ドック会社
材料スチール、木材
コンポーネント鋼製圧力シェル、空気圧縮機、駆動モーター、内部試験部
関連商品NACA、ラングレー研究センター

可変密度風洞（VDT）は、アメリカ航空諮問委員会（NACA）ラングレー研究センターの2番目の風洞でした。ルートヴィヒ・プラントルの弟子であったドイツの航空宇宙技術者マックス・ムンクによって提案されたこの風洞は、世界初の可変密度風洞であり、大気風洞よりも正確な小型模型の試験を可能にしました。[ 2 ]

VDTは1923年から1940年代に廃止されるまで、風洞として活発に使用されていました。ラングレー研究センターの歴史家、ジェームズ・R・ハンセンは、VDTは当時使用されていた大気風洞よりも優れた結果をもたらし、NASAの前身であるNACAを「航空力学研究における世界的リーダー」に押し上げたと記しています。[ 3 ]現在、VDTは国定歴史建造物に指定されており、ラングレーの敷地内、旧リード・カンファレンスセンターの近くに展示されています。

技術的な目的

スケールモデルの空気力学を正確に測定するには、風洞内で使用される空気の密度もスケール化して、実物大の航空機に影響を与える現実的な条件を再現する必要があります。

レイノルズ数は、流体の複雑な挙動を定量化したものであり、流れにおける慣性力と粘性力の比として計算されます。レイノルズ数は次のように定義されます[ 4 ]。

Re＝ρvLμ＝vLν{\displaystyle \mathrm {Re} ={\frac {\rho vL}{\mu }}={\frac {vL}{\nu }}}

どこ：

  • ρ{\displaystyle \rho }流体の密度（SI単位： kg/m 3）
  • v{\displaystyle v}物体に対する流体の速度（m/s）
  • L{\displaystyle L}特徴的な長さ寸法（m）
  • μ{\displaystyle \mu}流体の動粘度（Pa·sまたはN·s/m 2またはkg/m·s）
  • ν{\displaystyle \nu}流体の動粘度（m 2 /s）です。

VDTの開発以前に使用されていた風洞は、通常の大気圧でしか動作できませんでした。そのため、初期の風洞で使用されたスケールモデルは、レイノルズ数がモデルのスケールの逆数に等しい誤差（つまり、1/10モデルでは10倍の誤差）を持つ空気に遭遇しました。レイノルズ数を適切にスケール設定しないと、スケールモデル上を流れる空気は、実物大の航空機と風洞では全く異なる反応を示します。実物大の翼型を小型モデルで風洞内でシミュレートする場合、レイノルズ数を一致させるには、速度または密度を上げるか、粘性を下げるしかありません。可変密度風洞は加圧できるように設計・構築されており、この問題は空気の密度を上げてレイノルズ数を上げることで解決されました。VDTは、実物大での空気の反応を正確に再現できるため、空気力学的特性をより正確に測定できるようになりました。[ 5 ]

歴史

起源

1920年、アメリカ航空諮問委員会（NACA）は、ゲッティンゲン大学でルートヴィヒ・プラントルに師事したドイツの航空宇宙技術者マックス・ムンクをアメリカに招聘した。第一次世界大戦終結後、ムンクはNACAで働くために2度の大統領令状を必要としたが、ドイツほど厳格に定義されていなかったNACAの組織構造に適応するのに苦労したと伝えられている。[ 6 ]それでも、彼は同年、革新的な可変密度トンネルの設計を提案した。[ 2 ]

1922年に到着した可変密度トンネルのタンク

VDTの大型鋼鉄圧力タンクは、最大20気圧の作動圧力で設計され、バージニア州ニューポートニューズのニューポートニューズ造船所で建造された。[ 3 ]タンクの長さは34.5フィート（10.5メートル）、直径は15フィート（4.6メートル）であった。タンクの壁は2+タンクの厚さは1 ⁄ 8 インチ（54 mm）でした。このタンクには85トン（77.3トン）の鋼鉄が必要でした。試験セクションは、既存のNACA風洞1号（大気圧で稼働する開回路トンネル）に合わせて直径5フィート（1.5メートル）でした。可変密度風洞は、タンクの容積を最小限に抑えるために、環状の戻り流を備えた閉回路設計でした。 [ 7 ] 250馬力のモーターで駆動するファンは、最大51 mph（82 km/h）の風速を生み出すことができました。 [ 8 ]

オリジナルのクローズドスロート試験セクションの断面図 (上)、および 1927 年の火災後に失敗したオープンスロート試験セクションの断面図 (下)。

1927年の火災でVDTの内部の木製試験部が破壊され、開放型設計で再建されたが、その後、複雑な問題が生じたため、再び閉鎖型設計で再建された。VDTは1930年に再稼働し、ラングレーのスタッフが翼の空力特性を測定する際に役立ち続けた。1940年代に時代遅れと判断され、他の風洞の圧力タンクに改造された。VDTは1978年に廃止され、宇宙飛行の幕開けの礎を築いた歴史的影響により、1985年に国定歴史建造物に指定された。[ 8 ]

研究利用

NACA 技術レポート 460 で使用される NACA 翼型 (NACA 0006 から NACA 6721)。

この風洞は1940年代まで20年以上研究に使用されました。初期の航空学において翼設計は最も喫緊の課題であったため、VDTは主に翼型の試験に使用されました。[ 3 ]特筆すべきは、VDTが78種類の典型的な翼型形状のデータを生成し、1933年にNACA技術報告書460「可変密度風洞試験における78種類の関連翼型断面の特性」に掲載されたことです。[ 1 ] [ 9 ]このデータは、ダグラスDC-3、ボーイングB-17フライングフォートレス、ロッキードP-38ライトニングなど、第二次世界大戦中のアメリカの航空機の設計に使用されました。さらに、VDTはP-51マスタングの設計に使用された薄翼設計と低抗力翼型の試験にも使用され、抗力を約3分の2に削減しました。[ 3 ]

国定歴史建造物

1985年10月3日、アメリカ合衆国国立公園局は可変密度トンネルを国定歴史建造物に認定しました。推薦状では、可変密度トンネルが「NACAを技術的に有能な研究機関として確立し、アメリカの航空力学研究を活性化させ、やがて世界最高の航空機の誕生につながった」と述べられています。[ 10 ]当初トンネルがあった建物は2014年に解体され、現在はラングレーの敷地内に展示されています。[ 11 ] [ 10 ]

可変密度トンネル
1929 年の可変密度トンネルの写真。左端がイーストマン ジェイコブスです。
位置バージニア州ハンプトン
座標北緯37度4分43秒、西経76度20分39秒 / 北緯37.07861度、西経76.34417度 / 37.07861; -76.34417
建設された1921-1923
建築家マックス・ムンク
NRHP参照 番号85002795
VLR 番号114-0143
重要な日付
NRHPに追加されました1985年10月3日
NHL指定1985年10月3日[ 8 ]
指定VLR1986年2月18日[ 12 ]

参照

参考文献

  1. ^ a b「国家航空諮問委員会（NACA）」。2008年4月30日時点のオリジナルよりアーカイブ。2008年4月30日閲覧。NACA技術報告書460に関する情報
  2. ^ a b「新型風洞について」（PDF） . 国立航空諮問委員会. 2018年5月26日閲覧。
  3. ^ a b c dハンセン、ジェームズ・R. (1986). 「エンジニア・イン・チャージ：ラングレー航空研究所の歴史、1917-1958」NASA. p. 65.
  4. ^アーノルド、ゾンマーフェルト(1908)。 「Ein Beitrag zur hybridynamischen Erkläerung der turbulenten Flüssigkeitsbewegüngen (乱流流体運動の流体力学的説明への貢献)」。国際数学者会議。3：116～ 124。
  5. ^ Baals, DD; Corliss, WR (1981). NASAの風洞. NASA. p. 15.
  6. ^ Taylor, D. Bryan; Kinney, Jeremy; Lee, J. Lawrence (2003). Hansen, James R. (編). The Wind and Beyond: A Documentary Journey into the History of Aerodynamics in America . NASA. pp. 557, 578.
  7. ^ 「Variable Density Tunnel」 NASA 2016年2月3日. 2018年5月27日閲覧。
  8. ^ a b c「Variable Density Tunnel」 .国定歴史建造物概要一覧.国立公園局. 2008年5月1日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2008年6月27日閲覧。
  9. ^ 「技術レポート460：可変密度風洞試験による78の関連翼断面の特性」（PDF） 。 2018年5月26日閲覧。
  10. ^ a b NRHP推薦フォーム
  11. ^ NASAラングレーの国定歴史建造物
  12. ^ 「バージニア州ランドマーク登録簿」バージニア州歴史資源局。2013年9月21日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2013年3月19日閲覧。
ウィキメディア コモンズには、ラングレー研究センターの可変密度トンネルに関連するメディアがあります。
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