استفاده از رنگ های حساس به فشار در اندازه گیری نیروهای وارده به هواپیما در هنگام پرواز

● معرفی
اندازه گیری فشار وارد شده بر سطح، یكی از مهم ترین اندازه گیری ها در آزمایش های دینامیك سیالات پرواز است. استفاده از رنگ های حساس به فشار(PSP۱)، روش جدیدی است كه توانایی یكتایی در اندازه گیری فشار وارد بر سطوح هواپیما دارد. آنچه در این مقاله آمده است اصول استفاده از این رنگ ها و مزیت ها و معایب آن است.
● تاریخچه
پدیده بازتابش نور و تركیب اكسیژن با مواد برای سال های زیادی است كه مورد بررسی قرار گرفته اند. Peterson و Fitzgerald اولین افرادی بودند كه در سال ۱۹۸۰ استفاده از این پدیده ها را در آشكار سازی جریان مورد بررسی قرار دادند. آن ها آزمایشی را ترتیب دادند كه در آن سطحی با پوشش رنگی فلورسنت پوشانده شده بود و سپس آن را با رنگ آبی تحریك می كردند. وقتی جریان از روی سطح عبور می كرد، گاز نیتروژن یا اكسیژن را از طریق سوراخی بر روی سطح می دمیدند.
وقتی نیتروژن به سطح دمیده می شد، نواری از نور روشنی در پایین سوراخ دیده می شد كه به خاطر كاهش واكنش اكسیژن بود. وقتی اكسیژن تزریق می شد، افزایش اكسیژن منجر به ایجاد نواری تاریك در پایین سوراخ می شد. متاسفانه این آزمایش به اندازه كافی دقیق نبود تا بتوان از آن در آزمایش ها بهره برد. از طرفی این رنگ ضخیم و زبر بود و به خوبی به سطح نمی چسبید.
● كاربرد PSP
اولین تحقیق برای استفاده عملی از این روش برای اندازه گیری فشار سطح از اوایل تا نیمه دهه ۱۹۸۰ در شوروی سابق در TSAGI و با همكاری دانشگاه موسكو صورت گرفت. برای چندین سال تلاش شوروی در غرب شناخته شده نبود زیرا اعلام نتایج محدود شده بود. در سال ۱۹۹۰ فن آوری PSP شوروی به خاطر تبلیغی در مجله Aviation Week & Space Technology در غرب به صورت گسترده ای اعلام شد. این اعلام، شروع تجاری سازی این فن آوری در غرب بود.
در ایالات متحده امكان استفاده از PSP برای اندازه گیری فشار سطح در سال ۱۹۸۹ در مركز تحقیقات ایمز۲ ناسا نشان داده شد. از آن زمان تا كنون تحقیقات در این مركز ادامه دارد و بیشتر برای هواپیما ها استفاده شده است. دیگر مراكزی كه در آن از این روش استفاده می شود شامل مركز تحقیقات لانگلی۳ ناسا و موسسه توسعه و مهندسی آرنولد نیروی هوایی ایالات متحده است.
● عملكرد
رنگ حساس به فشار در واقع لایه ای نورانی از رنگ است كه در لایه ای از چسبی قرار دارد كه این چسب قابلیت عبور اكسیژن از خود را دارد. این تركیب با برخورد نور به آن تحریك می شود، این نور معمولا رنگ آبی و یا اشعه UV می باشد، سپس با تشعشع نور به حالت اساسی (ground state) خود می رسد كه معمولا در قسمت قرمز طیف نور قرار دارد. یك روش دیگر نیز وجود دارد كه در آن رنگ بدون ساتع كردن نور به حالت اساسی خود می رسد و آن حالتی است كه با یك مولكول اكسیژن برخورد می كند. به این روند اطفای اكسیژن می گویند. بنابر این با افزایش فشار اكسیژن روی رنگ، مقدار اكسیژن در این قسمت افزایش می یابد و در نتیجه شدت نور ساتع شده افزایش می یابد.( شكل شماره ۱)
در شكل شماره ۲ كل مراحل انجام شده به صورت شماتیك دیده می شود. ابتدا مدل را با PSP می
پوشانند. سپس آن را با نوری كه از یك فیلتر آبی رنگ می گذرد تحریك می كنند. سپس نوری كه از PSP ساتع شده است را از یك فیلتر قرمز رنگ می گذرانند و آن را با یك دوربین اندازه می گیرند. بعد تصاویر به یك رایانه منتقل می شوند و در آن جا تحلیل هایی روی آن انجام می گیرد و سپس نیرو های وارده به سطح اندازه گیری می شوند.
● مزیت ها وعیب ها
در روش های معمول اندازه گیری فشار های وارد بر سطح، سوراخ هایی را بر روی سطح تعبیه می كنند و آن را با لوله هایی به وسایل اندازه گیری وصل می كنند. عیب این كار آن است كه فشار های اندازه گیری شده بر روی سطح به طور پیوسته نیست. از طرف دیگر سوراخ هی موجود روی سطح و همچنین لوله ها مزاحم جریان می باشند. از طرف دیگر انجام این كار وقت گیر و پرهزینه است. استفاده از این روش برای یك هواپیما از پانصد هزار تا یك ملیون دلار خرج دارد كه ۳۰% آن برای سوراخ كاری و نصب لوله ها است.
استفاده از PSP باعث می شود كه فشار در تمامی نقاط اندازه گیری شود و همچنین مزاحمتی برای جریان ایجاد نمی كند. همچنین رنگ كردن مدل زمان بسیار كم تری در مقایسه با ایجاد سوراخ بر روی آن می گیرد. از طرفی چون سوراخ كردن مدل از استحكام آن می كاهد این عیب در رنگ وجود ندارد و در نتیجه می توان اعداد رینولدز(Reynolds number) بالاتری را بر روی مدل ایجاد كرد.
در كنار این مزایا عیب هایی برای این روش نیز وجود دارد. یكی از این معایب آن است كه شدت نور ساتع شده از رنگ با گذشت زمان به خاطر تركیب با اكسیژن كاهش می یابد. عیب دیگر آن است كه شدت نور رنگ تحت تاثیر دمای محیط است. این عیب در آزمایش هایی كه در آن اثرات تراكم پذیری هوا مشخص می شود بیشتر است.
● ملاحظات اندازه گیری
▪ حركت و تغییر شكل مدل
وقتی كه مدل در تونل باد قرار داده می شود، به علت نیروهای آیرودینامیكی وارد بر آن دچار تغییر شكل می شود. بعضی مواقع این تغییر شكل در مدل باقی می ماند. با بزرگ تر شدن مدل و تونل باد این تغییرات می تواند بیشتر شود. یك راه حل برای این قضیه آن است كه نقاط مرجعی را بر روی مدل قرار دهیم و سپس تغییر مكان این نقاط را قبل و بعد و یا در حین آزمایش بررسی كنیم.
▪ تغییر شدت نور
حتی اگر رنگی كه به كار می بریم با گذشت زمان شدت نورش تغییر نكند ولی با این حال تغییر شكل مدل باعث تغییر شدت نور می شود. یك روش معمول برای برطرف كردن این مشكل استفاده از مولكول های درخشانی است كه نسبت به فشار و دما حساس نباشند. این مولكول ها یا به صورت پوششی جدا بر روی مدل قرار میگیند و یا به صورت تركیب با PSP به كار می روند اما طول موج ساتع شده از آن ها با طول موج PSP فرق می كند. سپس این مولكول های غیر حساس را به عنوان مرجعی بین حالتی كه تونل باد روشن است و حالتی كه خاموش است قرار می دهند و تصحیحات لازم را انجام می دهند.
▪ نقشه برداری از اطلاعات
وقتی تصاویر گرفته شدند یك مشكل بروز می كند و آن هم این است كه تصاویر دو بعدی هستند در صورتی كه هواپیما سه بعدی می باشد. مشكلات دیگر شامل خطای دوربین، تاثیر پرسپكتیو و انحنا دار بودن مدل می باشد. خوشبختانه این مشكل به صورت معمول در عكاسی وجود دارد و راه حل های پیچیده ریاضی برای آن وجود دارد.
● كالیبره كردن
در این مرحله باید اطلاعات تصویری به اطلاعات فشاری تبدیل شوند. دو روش برای این كار وجود دارد.
۱) صفحه ای را با همان رنگی كه بر روی هواپیما قرار داده اند آغشته می كنند و در یك محفظه كه شرایط آن كنترل شده است قرار می دهند و این شرایط را به تشعشعات حاصله ربط می دهند و بدین ترتیب تشعشعات به دست آمده از روی هواپیما را تفسیر می كنند.
۲) در این روش تعدادی سوراخ روی مدل قرار می دهند و فشار های به دست آمده را به تشعشعات نقطه كناری آن ربط می دهند و بدین ترتیب فشار های حاصله از كل بدنه را تفسیر می كنند.
در تمامی این روش ها باید تصحیحات دمایی لحاظ شوند.
● دقت آزمایشات
متاسفانه با قرار دادن رنگ بر روی بدنه هم شكل آیرودینامیكی هواپیما به هم می خورد و هم به خاطر تغییر زبری سطح جدایش جریان تحت تاثیر قرار می گیرد. از طرف دیگر هیچ محیط آزمایشی كاملا تمیز نمی باشد و رنگ روی مدل گرد و خاك هوا را به خود جذب می كند.
● نتیجه گیری:
روش جدید PSP كم كم در حال گسترش می باشد و مشكلات آن در حال بر طرف شدن می باشد. مزایای استفاده از این روش كه یكی از آن ها صرفه جویی مالی است، انگیزه خوبی برای ادامه استفاده از این روش میباشد.
در شكل زیر می توانید مقایسه ای را بین حل از طریق معادلات ناویر-استوكس (سمت چپ مدل) و حل از طریق PSP (سمت راست )را ببینید. دقت به دست آمده قابل توجه است. البته با كمی دقت متوجه می شوید كه سمت راست فشار ها را كمی بیشتر از سمت چپ نشان می دهد.

احسان اشرفی
۱-pressure sensitive paint
۲- NASA Ames Research Center
۳- NASA Langley Research Center