Kuidas testida rekordkiiret autot, mis valmistub helibarjääri ületama
Uhke nimega sõiduk Bloodhound („Verekoer“) peaks esimesed sõidud tegema Lõuna-Aafrikas Põhja-Kapimaal Kalahari kõrbes Hakskeenpani muda-soolajärvel 2018. aastal, kirjutas BBC ülevaates maismaa-kiirusrekordi omanik Andy Green.
Põnev, eks... Lõppeks ühinevad ju tehniliselt kõigi aegade kõige täiuslikumas maismaa-kiirusrekordi-sõidukis maailma parim sõjalennundus-reaktiivmootor (lennukilt Eurofighter Typhoon) ja Nammo hübriid-rakettsüsteemi prototüüp. Seejärel püüame saavutada tuhandemiilist tunnikiirust.
Koos Bloodhoundi aerodünaamika-eksperdi, Walesi Swansea ülikooli aero- ja kosmonautikatehnika aseprofessori Ben Evansi ning jõudluseksperdi Ron Ayersiga uurib Lõuna-Aafrika Witwatersandi ülikooli professor Hamid Roohani seda, kuidas Bloodhoundi äärmuslik kiirus ja kiirendus võivad mõjutada selle ümber voolavat õhku.
Arvutist pole enam abi
Lennukid purustasid helibarjääri 70 aastat tagasi; Kuu peal käidi ära peaaegu poole sajandi eest. Nüüdisajal on ju kõiki ülesandeid võimalik lahendada arvutitega, eks? Tuleb välja, et tegelikult mitte.
Õhu voolamist autode (nagu ka lennukite) ümber juhivad Navier’-Stokesi võrrandid. Neid võrrandeid on nimetatud üheks seitsmest kõige olulisemast „avatud ülesandest“ matemaatikas.
Avatud ülesandeks (ingl open problem) nimetatakse võrrandeid sellepärast, et keegi pole seni suutnud tõestada, et täielik lahendus neile üldse olemas on. Navier’-Stokesi võrrandite esimesele lahendajale on välja pandud miljoni USA dollari suurune rahaline autasu (kui leiate lahenduse pärast selle artikli lugemist, teeme raha pooleks!).
Kuna rahuldava lahenduseni seni jõutud pole, on lihtne mõista, miks tõeliselt keeruliste ülesannete lahendamist, nt suurtel kiirustel lennuki tiibadest või sõiduki keredetailidest eemalduvate turbulentside mudeldamist, arvutitele ei usaldata.
Parim, mida arvutid suudavad, on pakkuda välja umbkaudseid vastuseid. Selleks lastakse superraalidel Navier’-Stokesi kuratlikule ülesandele hinnangulisi lahendusi pakkuda tehnika abil, mida nimetatakse arvutuslikuks hüdrodünaamikaks ehk raal-hüdrodünaamikaks (ingl CFD; computational fluid dynamics).
Raal-hüdrodünaamika piirangute kompenseerimiseks kasutavad insenerid nt tuuletunneleid, milles saab vahetult analüüsida autode ja lennukite korpuste ümber tekkivaid õhuvoolusid. Bloodhoundi pole aga paraku niisama lihtne tuuletunnelisse paigutada — ülehelikiiruse matkimist võimaldavate tuuletunnelite kasutamine on äärmiselt kallis.
Teine — ja hullem! — probleem on, et kuni tuhandemiilise tunnikiirusega auto alt läbi kihutavat sõidupinda pole kuidagi võimalik simuleerida, mistõttu ei saa ka õhu voolamist üleheli-auto all korralikult matkida.
Nii jäävadki järele ainult raalmudeldamine ja raal-hüdrodünaamika — mis, nagu äsja nenditud, pole usaldusväärsed. Samade probleemidega seisis juba 1990. aastatel silmitsi ka Ron Ayers, kes konstrueeris sõidukit Thrust SSC, millest pidi saama esimene ülehelikiirusega maismaa-kiirusrekordi purustaja.
Ayers teadis, et raal-hüdrodünaamika on suuresti tõendamata ja sageli äärmiselt ebatäpne, mistõttu oli tal vaja raali tehtud arvutusi kuidagi kontrollida. Lahenduseks oli paigaldada sõiduki mudel (koos suurte kiiruste registreerimiseks mõeldud rõhuanduritega) ülehelikiirusega rakettkelgule.
Roni osutusel oli sellel kaks suurt eelist tuuletunnelite ees. Esiteks andis katse võimaluse hankida maapinna kohal ülehelikiirusel liikumise kohta reaalseid andmeid. Teise eelisena nimetas Ayers mitte oluliselt vähem tähtsat asjaolu, et see on „palju lõbusam kui tuuletunneli-katsed“.
Toonane ainulaadne katse osutus vägagi edukaks, kuna rakettkelguga saadud tulemused langesid hämmastavalt suurel määral kokku arvutis mudeldatud Thrust SSC hüdrodünaamiliste prognoosidega.
Murranguline eksperiment võimaldas täiustada peatselt esimese maismaa-kiirusrekordi purustanud üleheli-sõidukina ajalukku läinud masina kuju. Auto rakendab kiirendades kahe- ja pidurdades kolmekordset gravitatsioonikiirendust, mis tähendab, et täisvõimsusel kiirendamise ja hoo maksimaalse pidurdamise vahelises vahemikus on lööklainetel üsna palju liikumisruumi.
Lööklainete nihkumine avaldab survet sõiduki kere esiletungivatele detailidele, mis omakorda mõjutab äärmiselt olulist allasurvet ratastele, nii et õhuvoolude täpne prognoosimine on väga tähtis.
