Το Navy δοκιμάζει τα μοντέλα κλίμακας σε μεγάλες εγκαταστάσεις

Το κανάλι William B Morgan Large Cavitation Channel (LCC) είναι μια μεγάλη σήραγγα νερού κλειστού κυκλώματος μεταβλητής πίεσης που λειτουργεί από το Ναυτικό των ΗΠΑ στο Μέμφις από το 1991. Η εγκατάσταση αυτή είναι καλά σχεδιασμένη για μεγάλη ποικιλία υδροδυναμικών και υδροακουστικών δοκιμών. Το συνολικό μέγεθος και οι ικανότητές του επιτρέπουν στους αριθμούς Reynolds να προσεγγίσουν ή και να επιτύχουν τους αριθμούς των συστημάτων μεταφοράς πλήρους κλίμακας με αέρα ή νερό. (Φωτογραφία: Ναυτικό των ΗΠΑ)

Η γεννήτρια μονού σημείου AquaHarmonics που παρουσιάστηκε κατά τη διάρκεια μιας επίδειξης καινοτομίας στην λεκάνη χειρισμών και θαλάσσιων σκαφών στο Carderock, MD (US Navy photo by Heath Zeigler)

Η Jessica McElman, ηλεκτρολόγος στο Ναυτικό Surface Warfare Center, Carderock Division, προσαρμόζει έναν αισθητήρα μαγνητικού πεδίου στην τροχιά του μοντέλου που βρίσκεται στο εργαστήριο μαγνητικών πεδίων στο West Bethesda, MD (US Navy photo by Nicholas Malay)

Ένα πρότυπο παγοθραυστικό αποδεικνύει τη δυνατότητα ελιγμών του κατά τη διάρκεια ενός τεστ στο εργαστήριο του Εθνικού Συμβουλίου Έρευνας του Καναδά στο St. Johns, Newfoundland. Η δοκιμή παρουσίασε την πρόοδο που έχει σημειωθεί όσον αφορά τη δοκιμή και την αξιολόγηση μοντέλων σχεδιασμού για το πρόγραμμα απόκτησης παγοθραυστών της Ακτοφυλακής των ΗΠΑ, το οποίο υποστηρίζεται από μια διεθνή ομάδα πολλαπλών δυνάμεων που περιλαμβάνει μηχανικούς από το Ναυτικό Surface Warfare Center, Carderock Division. (Φωτογραφία του Ναυτικού των ΗΠΑ από τον Steven Ouimette)

Ένα μοντέλο σκάφους πλοίου που προσαρτάται σε ένα έλκηθρο υψηλής ταχύτητας κινείται μέσα από κύματα στη λεκάνη μοντέλου David Taylor στο Ναυτικό Surface Warfare Center, Carderock, κατά τη διάρκεια της έρευνας που χρηματοδοτείται από το ONR. (Φωτογραφία του Αμερικανικού Ναυτικού από τον John F. Williams)

Previous Next

Μέσα στο Κέντρο Ναυμαχίας Πολεμικού Ναυτικού, Carderock Division

Το Naval Surface Warfare Center, Carderock Division στο West Bethesda, MD, είναι ένα από τα κορυφαία κέντρα διεθνούς και υποβρύχιας υδροδυναμικής τεχνογνωσίας, έρευνας και σχεδιασμού, που περιλαμβάνει εγκαταστάσεις παγκόσμιας κλάσης για πειραματισμούς, δοκιμές, αξιολόγηση και επικύρωση.

"Κατασκευάζουμε μοντέλα κλίμακας σχεδίων πλοίων και μπορούμε να δοκιμάσουμε αυτές τις μορφές κύτους στις εγκαταστάσεις μας για να μετρήσουμε το υδροδυναμικό φορτίο στη δομή ή να αξιολογήσουμε τις δυνατότητες των seakeeping", δήλωσε ο Mike Brown, επικεφαλής του τμήματος Naval Architecture and Engineering της Carderock. "Αυτό μας βοηθά να χαρακτηρίσουμε και να προβλέψουμε την απόδοση των πλατφορμών μας".

Η πανεπιστημιούπολη του Carderock κατά μήκος του Ποταμού Potomac στεγάζει τη δεξαμενή για τη δοκιμή επιφανειακών πλοίων, υποβρυχίων και μη επανδρωμένων μοντέλων οχημάτων, καθώς και το κύμα ποδιών 240 x 360, το οποίο δημιουργεί μανόμετρα και λεκάνη απορροής (MASK) συμβαίνει οπουδήποτε στον κόσμο, καθώς και κύματα που δεν εμφανίζονται φυσικά, σε ένα ελεγχόμενο και επαναλαμβανόμενο περιβάλλον.

Λεπτομερέστερα ραδιοελεγχόμενα αυτοκινούμενα μοντέλα κλίμακας υποβρυχίων μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να μετρήσουν με ακρίβεια τις δυνάμεις ελέγχου επί των προσαρτημάτων και των διαφορετικών γωνιών του πηδαλίου. "Είμαστε σε θέση να χαρακτηρίσουμε την απόδοση του πλοίου αρκετά λεπτή ώστε να γράψουμε αλγορίθμους fly-by-wire σε πλήρες υποβρύχιο", δήλωσε ο Brown.

Η λεκάνη περιστρεφόμενου βραχίονα του κέντρου περιστρέφεται γύρω από ένα κέντρο για τις εκτιμήσεις του προωθητήρα στις στροφές και στα σταθερά πειράματα σταθερότητας και ελέγχου του μοντέλου. Το κέντρο έχει επίσης πρόσβαση σε μια δεξαμενή στο Μέριλαντ, όπου δοκιμάζονται κλιμακωτά μοντέλα τόσο των πλοίων όσο και των υποβρυχίων.

Αλλά μερικές από τις πιο εντυπωσιακές δυνατότητες του Carderock βρίσκονται σε απόσταση, σε εγκαταστάσεις από την Αλάσκα στις Μπαχάμες και από το Τενεσί στο Αϊντάχο.

Το τμήμα της Combat Craft της Carderock στο Little Creek, Va., Διαχειρίζεται μια σειρά από μικρά σκάφη που περιλαμβάνουν σχεδιασμό, κατασκευή, απόκτηση και υποστήριξη.

Η εγκατάσταση ακουστικής μέτρησης της ωκεάνιας ωκεανιάς (STAFAC) στις ακτές της Μπαχάμες και η εγκατάσταση ακουστικής μέτρησης της Νοτιοανατολικής Αλάσκας κοντά στο Κεττσικάν της Αλάσκας διαθέτουν υποβρύχια συστοιχίες για τη διεξαγωγή μετρήσεων παθητικής ακουστικής υπογραφής υψηλής πιστότητας.

Η αποσύνδεση ακουστικής έρευνας του Carderock (ARD) βρίσκεται μακριά από τον ωκεανό στο Αϊντάχο. Χάρη στην βαθιά και ήσυχη λίμνη Pend Oreille, το Πολεμικό Ναυτικό διαθέτει ένα εξαιρετικό ελεγχόμενο περιβάλλον για ακουστικές δοκιμές χρησιμοποιώντας μοντέλα υποβρύχιας μεγάλης κλίμακας. Το ARD διατηρεί αυτοκινούμενα οχήματα μεγάλης κλίμακας (LSV), όπως το μακρύ Kokanee (LSV-1) μήκους 90 ποδών, ένα μοντέλο κλίμακας υποβρύχιας κατηγορίας Seawolf και το 110-ft. Το μοντέλο Cutthroat (LSV-2) ενός σκάφους κατηγορίας Virginia, για την αξιολόγηση των αλλαγών στο σχεδιασμό και των νέων τεχνολογιών για να διασφαλιστεί ότι τα σκάφη είναι όσο το δυνατόν πιο ήσυχα.

Το κανάλι μεγάλου σπηλαίου William B. Morgan (LCC) βρίσκεται στις όχθες του ποταμού Μισισιπή στο Μέμφις, Τένεν. Το LCC είναι σαν μια σήραγγα αέρα, αλλά γεμίζει με 1,5 εκατομμύρια γαλόνια γλυκού νερού. Ακριβώς όπως μια αεροδυναμική σήραγγα συμβάλλει στην κατανόηση των αεροδυναμικών ιδιοτήτων διαφόρων σχημάτων, το LCC μπορεί να δοκιμάσει σχήματα όπως μοντέλα κλίμακας επιφανειακών πλοίων, υποβρυχίων ή ακόμη και τορπίλες πλήρους μεγέθους και υποβρύχια οχήματα, συλλέγοντας τεράστια ποσά δεδομένων για να μετρήσουν εξαιρετικά μικρές διαταραχές στην υδροδυναμική απόδοση.

"Στο LCC, το μοντέλο κρατιέται στη θέση του στο τμήμα δοκιμών και ελέγχεται η ροή του νερού γύρω του", δήλωσε ο Dave Foster, LCC Operations Manager. Η ροή δημιουργείται από έναν ηλεκτροκινητήρα 14.000 ίππων. "Μεταβάλλοντας τις στροφές RPM του μεγάλου κινητήρα που κινεί την έλικα LCC με διάμετρο 18 ποδιών, η ταχύτητα ροής του νερού μέσω του τμήματος δοκιμής μπορεί να ελεγχθεί με ακρίβεια ώστε να ταιριάζει με τις παραμέτρους της δοκιμής", δήλωσε ο Foster.

Τα αντικείμενα δοκιμής αιωρούνται σε θάλαμο μήκους 10 x 10 με 43 πόδια. Ο θάλαμος μπορεί να αποστραγγιστεί και να ανοιχτεί για να αποκτήσει πρόσβαση στο αντικείμενο δοκιμής, το οποίο μπορεί να αλλάξει για να δοκιμάσει διαφορετικά σχήματα και διαμορφώσεις. "Μπορούμε να δημιουργήσουμε διαφορετικές επιφάνειες ελέγχου μέσω 3D εκτύπωσης", δήλωσε ο Brown.

Αυτή τη στιγμή το LCC χρησιμοποιείται για να χαρακτηρίσει την απόδοση του προωθητή για το υποβρύχιο βαλλιστικού πυραύλου κατηγορίας Columbia, το οποίο αντικαθιστά τα υποβρύχια της Οχάιο. "Κατασκευάσαμε ένα μοντέλο κλίμακας για ολόκληρο το υποβρύχιο και τον κινητήρα για να μετρήσουμε τα πάντα, από τις ασταθείς δυνάμεις μέχρι την σάρωση. Είναι το πιο εξελιγμένο μοντέλο που έχει κατασκευάσει ποτέ η Carderock, "δήλωσε ο Μπράουν. "Μπορούμε να διαφοροποιήσουμε τις συνθήκες δοκιμής και να μετρήσουμε πολύ μικρές διαταραχές στην απόδοση."

Και σε αντίθεση με τον ωκεανό, ένα μεγάλο πλεονέκτημα του LCC είναι ότι η ομάδα μπορεί να αλλάξει τη ροή και την πίεση LCC και να μεταβάλλει παραμέτρους του μοντέλου όπως η επιφάνεια ελέγχου και οι γωνίες μοντέλου. "Μπορούμε να διατηρήσουμε τις συνθήκες δοκιμής για ώρες υπό ακριβείς συνθήκες που επιτρέπουν τη συλλογή μεγάλων ποσοτήτων δεδομένων κατά τη διάρκεια μιας ημέρας", δήλωσε ο Foster.

"Πρόσφατα διενεργήσαμε δοκιμές σε ρυμουλκούμενο σύστημα πλήρους κλίμακας. Το LCC ήταν η μοναδική εγκατάσταση στην οποία μπορούσαμε να αποκτήσουμε πραγματικά δεδομένα χωρίς να τα βγούμε στον ωκεανό "δήλωσε ο Μπράουν.

"Σε αντίθεση με τον ωκεανό, το τμήμα δοκιμής LCC έχει παράθυρα που επιτρέπουν την παρακολούθηση και καταγραφή του αντικειμένου δοκιμής κατά τη διάρκεια των δοκιμών", πρόσθεσε ο Foster.

Οι δοκιμές μπορούν να εκτελεστούν σε πολλές επαναλήψεις για να επικυρωθεί και να βελτιωθεί η ικανότητα μοντελοποίησης υπολογιστών στο Carderock.

Ένας σημαντικός αριθμός δοκιμών διεξάγεται πριν έρθει στο LCC. "Μπορούμε να κάνουμε τον υπολογισμό μας για τη μοντελοποίηση της υπολογιστικής ρευστοδυναμικής, και στη συνέχεια να οικοδομήσουμε ένα φυσικό μοντέλο για να δοκιμάσουμε στη δεξαμενή ρυμούλκησης μας. Στη συνέχεια, μπορούμε να δοκιμάσουμε αυτό το μοντέλο, ή μεγαλύτερο, στο LCC. Τελικά, το τμήμα υπογραφών μας μπορεί να πραγματοποιήσει ακουστικές δοκιμές στο ARD στο Αϊντάχο.

Χρησιμοποιώντας δεδομένα που λαμβάνονται από μοντέλα δοκιμών στις εγκαταστάσεις του Carderock, τα μοντέλα υπολογιστών βελτιώνονται για να παρέχουν καλύτερες προβλέψεις και στη συνέχεια αυτά τα μοντέλα υπολογιστών μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να τρέξουν εκατομμύρια παραλλαγές για να χαρακτηρίσουν πλήρως τις ιδιότητες και τη συμπεριφορά διαφορετικών σχεδίων.

Το Πολεμικό Ναυτικό έχει επίσης χρησιμοποιήσει το εργαστήριο ερευνητικών και εργαστηριακών εργαστηρίων του Κλάδου Μηχανικών Έρευνας & Τεχνολογίας (CRREL) στο Ανόβερο, NH, το οποίο διαθέτει εγκαταστάσεις παγκόσμιας κλάσης για τη διεξαγωγή δοκιμών και έρευνας σε εξαιρετικά ψυχρά περιβάλλοντα, όπως το υποβρύχιο των θαλάσσιων υδάτων της Αρκτικής.

Τα ακαδημαϊκά ιδρύματα και οι εμπορικές εταιρείες χρησιμοποιούν επίσης τις εγκαταστάσεις της Carderock για τη στήριξη δοκιμών που περιλαμβάνουν σύνθετες υπολογιστικές δυναμικές ρευστών, μοτίβα ροής και σπηλαίωση.

"Συνεργαζόμαστε μέσω CRADA, οι οποίες είναι αμοιβαίες συμφωνίες που ωφελούν όλα τα μέρη", δήλωσε ο Μπράουν.

Οι Συμφωνίες Συνεργασίας για Έρευνα και Ανάπτυξη (CRADA) είναι νομικές συμφωνίες μεταξύ κυβερνητικού ερευνητικού και αναπτυξιακού εργαστηρίου και μη ναυτικού εταίρου για τη διεξαγωγή συνεργατικής έρευνας και ανάπτυξης σε έναν δεδομένο τεχνικό τομέα και τη συμμετοχή στα τεχνικά αποτελέσματα που προκύπτουν από την κοινή προσπάθεια.


(Όπως δημοσιεύθηκε στην έκδοση του Μαΐου 2018 του Reporter για τη θαλάσσια τεχνολογία )