کدام هارنس عملکرد بهتری دارد؟ هارنس‌های کوکون (Cocoon) یا فیرینگ (Fairing)

اخیراً موج جدیدی در جامعه‌ی پاراگلایدینگ شکل گرفته است؛ استفاده از هارنس‌های کوکون و فیرینگ. حتی خلبانان مبتدی نیز به خرید این نوع تجهیزات تمایل دارند، زیرا تصور می‌کنند که در پروازهای مسافت بلند (XC – Cross Country) می‌توانند عملکرد بهتری داشته باشند.

تولیدکنندگان هارنس این محصولات را به‌گونه‌ای تبلیغ می‌کنند که نشان می‌دهد کاهش نیروی (Drag) در این نوع هارنس‌ها، باعث بهبود نسبت گلاید (Glide Ratio) شده و در نتیجه، کارایی پرواز را افزایش می‌دهد.

این متن ترجمه تحقیقی از jhorv_th است که توسط تیم ضات آکرو ترجمه و برای علاقه مندان منتشر شده است
مهم است که توجه داشته باشید نتایج ارائه‌شده در این مقاله از نظر علمی اثبات نشده‌اند! نویسنده یک متخصص آیرودینامیک یا تحلیلگر CFD نیست! این تحقیق بر اساس ساده‌سازی‌ها و تخمین‌های تقریبی انجام شده است. این نکات در ادامه مقاله مورد بررسی قرار خواهند گرفت.
Ref: Paraglider harness type comparison

نسبت گلاید چیست؟

نسبت گلاید (Glide Ratio) را می‌توان به عنوان نسبت بین ارتفاع از دست رفته و مسافت افقی طی‌شده در واحد زمان تعریف کرد. این نسبت، معادل با نسبت نیروی بالابرنده (Lift) به نیروی پسا (Drag) نیز محسوب می‌شود.

به همین دلیل، بسیاری از خلبانان برای بهبود عملکرد پروازی و افزایش کارایی پروازهای مسافت بلند به سراغ این نوع هارنس‌ها می‌روند.

در این تحقیق، سعی دارم بررسی کنم که آیا انتخاب نوع هارنس (Harness) واقعاً تأثیر قابل توجهی بر این پارامتر دارد یا خیر. تأثیر موقعیت‌های مختلف نشستن چیست؟ چگونه می‌توان نیروی پسا (Drag) را کاهش داد؟

پاراگلایدینگ یک ورزش تفریحی و رقابتی و ماجراجویی است که شامل پرواز با پاراگلایدر می‌شود؛ یک وسیله پروازی سبک، آزاد و بدون موتور که از روی ارتفاع و با پای پیاده به پرواز درمی‌آید و هیچ ساختار سخت و اولیه‌ای ندارد.

خلبان در یک هارنس (Harness) که زیر بال پارچه‌ای معلق است، می‌نشیند. شکل بال توسط لاین‌های تعلیق (Suspension Lines)، فشار هوای ورودی از دریچه‌های جلویی بال و نیروهای آیرودینامیکی ناشی از جریان هوا که روی سطح بیرونی بال حرکت می‌کند، حفظ می‌شود.

با وجود اینکه پاراگلایدر موتور ندارد، پروازهای آن می‌توانند ساعت‌ها طول بکشند و صدها کیلومتر را پوشش دهند، هرچند معمولاً پروازها بین یک تا دو ساعت بوده و چند ده کیلومتر را شامل می‌شوند. خلبان با بهره‌گیری ماهرانه از جریان‌های بالابرنده (Lift Sources) می‌تواند ارتفاع بگیرد و در بسیاری از موارد تا چند هزار متر اوج بگیرد.

خلبان به‌طور راحت و ایمن درون یک هارنس بسته می‌شود که هم در حالت ایستاده و هم در حالت نشسته حمایت لازم را فراهم می‌کند.

بیشتر هارنس‌ها (Harnesses) دارای محافظ‌های فومی یا کیسه‌های هوایی (Foam or Airbag Protectors) در زیر صندلی و پشت کمر هستند تا در صورت تیک‌آف ناموفق یا فرود دشوار، ضربه را کاهش دهند. هارنس‌های مدرن طوری طراحی شده‌اند که در حالت نشسته یا نیمه‌خوابیده، به اندازه یک صندلی راحتی، آسایش را برای خلبان فراهم کنند. بسیاری از مدل‌ها حتی دارای حمایت کمری قابل تنظیم (Adjustable Lumbar Support) هستند. چتر نجات اضطراری (Reserve Parachute) نیز معمولاً به هارنس پاراگلایدینگ متصل می‌شود.

هارنس‌ها بسته به نیاز خلبان در انواع مختلفی طراحی می‌شوند که شامل موارد زیر هستند:

• هارنس آموزشی (Training Harness): مناسب برای مبتدیان.
• هارنس مسافری (Pax Harness): برای مسافران پروازهای تندم (دونفره) که اغلب به‌عنوان هارنس آموزشی نیز استفاده می‌شود.
• هارنس مسافت طولانی (XC Harness): طراحی‌شده برای پروازهای کراس کانتری (Cross Country) و مسافت‌های طولانی.
• هارنس عمومی (All-round/Normal Harness): مناسب برای خلبانان مبتدی تا متوسط.
• هارنس پوسته‌ای (Pod/Cocoon Harness): برای خلبانان متوسط تا حرفه‌ای که بر پروازهای کراس کانتری (XC) تمرکز دارند.
• هارنس آکروباسی (Acro Harness): طراحی ویژه برای خلبانان حرکات نمایشی و آکروباسی.
• هارنس کودک تندم (Kids Tandem Harness): طراحی‌شده برای کودکان، همراه با قفل‌های ایمنی مخصوص کودک (Child-proof Locks).

استفاده از فیرینگ (Fairing) که باعث می‌شود هارنس (Harness) و خلبان شکل آیرودینامیکی‌تری پیدا کنند، یکی دیگر از روش‌های کاهش مقاومت هوا (Drag Reduction) در پرواز است.

سه نوع هارنس (Harness) که در این بررسی مورد مطالعه قرار گرفته‌اند در تصویر زیر نشان داده شده‌اند:

• معمولی (Normal) – رنگ سبز
• کوکون (Cocoon) – رنگ بنفش
• فیرینگ (Fairing) – رنگ آبی
  

Cocoon در پاراگلایدینگ به نوعی هارنس (Harness) گفته می‌شود که دارای یک پوشش پارچه‌ای یا ساختاری محافظتی است که پاهای خلبان را درون خود می‌پوشاند. این طراحی باعث می‌شود که مقاومت هوا (Drag) کاهش یابد و عملکرد گلاید (Glide Ratio) بهبود پیدا کند.
در هارنس‌های مجهز به فیرینگ، بخش پشتی دارای یک پوشش کشیده و آیرودینامیکی است که باعث می‌شود پرواز در مسافت‌های طولانی (XC – Cross Country) کارآمدتر شود.

طراحی بدن خلبان

ابعاد آنتروپومتریک (Anthropometric Dimensions) خلبان مطابق تصویر زیر ارائه شده است.

من یک خلبان مرد با قد ایستاده ۱۷۷ سانتی‌متر انتخاب کردم. برای مدل‌سازی CAD از Onshape استفاده شد.

برای ساده و تمیز نگه داشتن مدل، از ساده‌سازی‌های قابل توجهی استفاده شد. موقعیت دست‌ها می‌تواند از حالت باز به حالت بسته تغییر کند که به داشتن یک وضعیت آیرودینامیکی‌تر کمک می‌کند. همچنین، پاها می‌توانند از حالت کشیده به حالت خمیده تغییر داده شوند.
تغییر بین این وضعیت‌های مختلف به‌راحتی با قابلیت جدید Configurations در Onshape امکان‌پذیر است. با چند کلیک می‌توان ترکیب‌های مختلفی را تنظیم کرد، که این ویژگی نسبت به ابزارهای مشابه در سایر نرم‌افزارهای CAD عملکرد بهتری دارد.

طراحی هارنس

سپس، خلبان به‌اصطلاح “لباس‌پوشانده” می‌شود. تمامی نسخه‌ها از یک هارنس پایه مشترک استفاده می‌کنند.

نسخه Cocoon دارای یک Pod افزوده است که پوشش بیشتری برای پای خلبان فراهم می‌کند.

این دو مورد در ابتدای تحقیق، دامنه بررسی را تشکیل می‌دادند. بعداً نسخه Cocoon بیشتر توسعه یافت و به طراحی Fairing تبدیل شد، که در آن خطوط بیرونی بسیار تمیزتر شده و بهبود قابل توجهی در ویژگی‌های آیرودینامیکی ایجاد می‌کند. Fairing (که معمولاً یک ایربگ آیرودینامیک در پشت سر خلبان است) به منظور کاهش آشفتگی (Wake) در پشت پاراگلایدر طراحی شده است.

مش‌بندی

ساخت یک مش صحیح برای این شبیه‌سازی در ابتدا کار ساده‌ای نبود. تعداد زیاد مش‌های نامناسب ایجاد شد، پس از انجام آزمایش‌های متعدد، مطالعه مستندات در نهایت موفق شدم مش‌بندی را به درستی انجام دهم. در ادامه، روش خودم را برای تعیین پارامترهای مش توضیح خواهم داد. برای اینکه نتایج شبیه‌سازی‌ها با یکدیگر قابل مقایسه باشند، از یک مش ثابت با پارامترهای یکسان در تمام پیکربندی‌ها استفاده شد.

تعیین مقدار y+

مقدار y+ یک پارامتر کلیدی در شبیه‌سازی‌های دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) است که برای کنترل دقت مدل‌سازی لایه مرزی استفاده می‌شود.

از آنجایی که در این شبیه‌سازی از مدل k-omega SST استفاده شده است، مقدار y+ باید در بازه 30 < y+ < 300 قرار گیرد.

محاسبه مقدار y+

• برای اطمینان از انتخاب مقدار مناسب y+، از یک Google Spreadsheet برای محاسبات استفاده شد.
• همچنین، می‌توان از ابزارهای آنلاین مانند نرم‌افزار ارائه‌شده در این لینک برای محاسبه مقدار y+ استفاده کرد.

نتیجه محاسبات

• مشخص شد که مقدار ΔS = 0.000139m (فاصله اولین سلول مش از دیواره) مقدار y+ را در بازه 39 تا 78 در تمامی حالت‌ها حفظ می‌کند.
• این محدوده برای مدل k-omega SST مناسب است و دقت مطلوبی در مدل‌سازی لایه مرزی فراهم می‌کند.

.           

تعریف اندازه دامنه و بهینه‌سازی مش‌بندی

پس از آن، پارامترهای بهینه‌سازی لایه (Layer Refinement) تعریف شدند.

تجربه شخصی من نشان می‌دهد که مجموع لایه‌ها باید حداقل نصف ریزترین سطح بهینه‌سازی استفاده‌شده در دامنه باشد (۲×۴.۵۱ میلی‌متر => حداقل ۹.۰۲ میلی‌متر).

با استفاده از اندازه سلول پایه ۱.۴ متر، سطح بهینه‌سازی ۷ به‌عنوان ریزترین سطح برای بهینه‌سازی سطح انتخاب شد. این کار باعث ایجاد یک مش صاف نخواهد شد، اما برای ایجاد ضخامت کافی در بهینه‌سازی لایه ضروری است. در این حالت، لایه مرزی ضخیم است زیرا سرعت جریان کم است.

ابعاد دامنه به‌صورت زیر تعریف شده است:

x = ۶ × ۱.۴ متر = ۸.۴ متر
y = ۱۳ × ۱.۴ متر = ۱۸.۲ متر
z = ۶ × ۱.۴ متر = ۸.۴ متر

این دامنه به‌اندازه کافی بزرگ است تا نتایج دقیقی ارائه دهد. تعداد سلول‌ها در جهت y باید ۱۲ تنظیم می‌شد تا با تعریف مکعب‌هایی با اضلاع برابر، کیفیت مش بهتری ایجاد شود! متأسفانه از این موضوع غفلت کردم! همچنین توجه داشته باشید که می‌توانستم دامنه را به نصف کاهش داده و از شرط مرزی تقارن (Symmetry Boundary Condition) استفاده کنم تا زمان محاسبات را کاهش دهم. این روش برای شبیه‌سازی‌های بزرگ بسیار کاربردی است. البته در این مورد، زمان اجرای شبیه‌سازی حدود ۱۰ دقیقه بود، بنابراین تأثیر زیادی نداشت.

در ناحیه پشت جریان (Wake Area)، بهینه‌سازی ناحیه‌ای با سطح ۵ اعمال شد. برای ایجاد یک انتقال هموار بین سطح ۷ و سطح ۵، پنج سطح بهینه‌سازی سطحی با مقدار ۶ اضافه شد.

نتیجه ساخت مش

بهبود لایه (Layer Refinement) در تمامی ویژگی‌ها موفقیت‌آمیز نبود، اما بخش‌های مهم به‌درستی مش‌بندی شدند. برای بررسی مجدد نتایج به‌دست‌آمده، برنامه‌ریزی شده است که در آینده مش‌های جدیدی ایجاد شوند.

تنظیمات شبیه‌سازی (Simulation Setup)

به‌دست‌آوردن نیروهای درگ روی هارنس‌های پاراگلایدر، شبیه‌سازی‌های جریان غیرقابل‌تراکم اجرا شدند.
همان‌طور که پیش‌تر اشاره شد، مدل آشفتگی k-omega SST در حالت پایدار با  SIMPLE به‌کار گرفته شد. این تنظیمات برای اکثر مسائل مربوط به بررسی آیرودینامیک خارجی خودروها، هواپیماها و ساختمان‌ها مناسب است.

مدل k-omega SST گزینه‌ای عالی برای مواقعی است که هم جریان نزدیک به دیواره‌ها و هم جریان دورتر از دیواره‌ها اهمیت دارد.

منابع بسیاری در مورد این موضوع به‌صورت آنلاین در دسترس هستند، اما پیشنهاد می‌کنم حداقل منبع را مطالعه کنید.

 تنظیمات

• دامنه (Domain) مطابق با سناریوی مورد بررسی انتخاب شد.
• ماده مورد استفاده مدل هوا (Air) از کتابخانه داخلی نرم‌افزار بود.
• سرعت اولیه برابر با سرعت ورودی در نظر گرفته شد.
• مقادیر k و omega در یک فایل گوگل شیت محاسبه شده و وارد شدند.
• برای سطح ورودی (Inlet) مقدار سرعت ثابت تعریف شد.
• خروجی (Outlet) دارای شرط مرزی فشار صفر (Zero Pressure Boundary Condition) بود.
• دیوارهای دامنه با شرط No Slip تنظیم شدند، درحالی‌که سطوح شیء (هارنس و خلبان) با شرط Slip Walls تعریف شدند.
• ۳۲ هسته پردازشی برای اجرای شبیه‌سازی استفاده شد.
• در بخش تنظیمات عددی (Numerics)، solvers زیر تعیین شدند:
• 

برای Solvers، از تنظیماتی که در کارگاه طراحی پهپاد (Drone Design Workshop) اعمال شده بود، استفاده کردم.

کنترل نتایج (Result Control)

دامنه‌ی مورد بررسی نیروی درگ (Drag Force) است. این مقدار را می‌توان با استفاده از دستور “Forces and Moments” اضافه کرد.

برای امکان بررسی مجدد نتایج، ضریب درگ (Drag Coefficient) نیز محاسبه شد. در اینجا، متناسب با شرایط شبیه‌سازی، سرعت جریان آزاد (Freestream velocity)، طول مرجع (Reference length) و سطح مرجع (Reference area) باید به‌روز می‌شدند. اندازه‌گیری طول و سطح مرجع در نرم‌افزار Onshape انجام شد. توجه داشته باشید که هنگام تعریف ضرایب، تعیین جهت (Direction) نیز بسیار مهم است.

اجرای شبیه‌ساز

میانگین زمان اجرای هر شبیه‌سازی بین ۱۰ تا ۱۵ دقیقه بود. مقدار باقی‌مانده‌ها (Residuals) در محدوده $1e-4$ تا $1e-5$ قرار داشت که نشان‌دهنده‌ی یک تحلیل موفق و همگرا است.

سناریوهای تحلیل
سناریوهای زیر مورد بررسی قرار گرفتند

انواع هارنس:

• عادی (Normal)
• کاکون (Cocoon)
• فیرینگ (Fairing)

وضعیت دست‌ها:

• دست‌های باز (Opened)
• دست‌های بسته (Closed) – آیرودینامیک‌تر

سرعت جریان هوا:

• 10 متر بر ثانیه (36 کیلومتر بر ساعت) – سرعت تریم (Trim Speed)، سرعت عادی پرواز
• 16 متر بر ثانیه (58 کیلومتر بر ساعت) – سرعت پرواز افزایش‌یافته با استفاده از اسپیدبار (Speedbar)
• 20 متر بر ثانیه (70 کیلومتر بر ساعت) – حداکثر سرعت (Vmax) (فقط برای گلایدرهای مسابقه‌ای سطح بالا)

چرا این تنظیمات مورد بررسی قرار گرفتند؟

نوع هارنس

همان‌طور که قبلاً ذکر شد، بحث نوع هارنس در بین جامعه پاراگلایدر، به‌ویژه برای پروازهای مسافت طولانی (Cross Country)، زیاد است. برخی معتقدند که استفاده از هارنس‌های آیرودینامیک‌تر تأثیر چندانی بر افزایش مسافت پرواز ندارد، در حالی که گروهی دیگر بر این باورند که این موضوع تأثیر قابل توجهی بر عملکرد پرواز دارد.

هدف اصلی این تحلیل، کمک به تعیین این است که کدام یک از این دو دیدگاه به واقعیت نزدیک‌تر است. اما علاوه بر نوع هارنس، عوامل دیگری نیز بر مقاومت هوا (Drag) تأثیر می‌گذارند.

من معتقدم که دو عامل بسیار مهم دیگر نیز وجود دارند که عبارت‌اند از:

وضعیت بازوها

جمع کردن بازوها باعث کاهش حدود ۸٪ از سطح مقطع بدن می‌شود که در نتیجه، مقاومت هوا (Drag) نیز کاهش می‌یابد.

سرعت جریان هوا

مقاومت هوا (Drag) با مجذور سرعت متناسب است، بنابراین هرچه سرعت بیشتر باشد، شکل آیرودینامیکی اهمیت بیشتری پیدا می‌کند. به همین دلیل، خودروها و هواپیماهای با سرعت بالا دارای طراحی ویژه‌ای برای کاهش مقاومت هوا هستند.

سه سرعت پروازی مشخص انتخاب شده‌اند که طیف سرعت یک پاراگلایدر مدرن را پوشش می‌دهند.

نتایج و نتیجه‌گیری

چندین نتیجه را می‌توان از اینجا استخراج کرد:

• به‌صورت تئوری، کاهش مقاومت هوا (Drag) تنها با جمع کردن دست‌ها مؤثرتر از تغییر به یک هارنس پیشرفته‌تر است.(برای مثال، مقاومت هوا در حالت هارنس معمولی با دست‌های بسته کمتر از هارنس کوکون با دست‌های باز است، یا هارنس کوکون با دست‌های بسته نیروی پسای کمتری نسبت به هارنس فیرینگ با دست‌های باز دارد.)
• مزیت یک هارنس پیشرفته در سرعت‌های بالاتر بیشتر مشخص می‌شود. در بیشتر مواقع، پرواز در سرعت تریم نیازی به طراحی آیرودینامیکی خاص ندارد. این موضوع را می‌توان با دوچرخه‌سواری مقایسه کرد: اگر یک دوچرخه‌سوار معمولی باشید که برای تفریح رکاب می‌زند، نیازی به تجهیزات ویژه ندارید، اما اگر در یک مسابقه شرکت کنید، کوچکترین جزئیات هم اهمیت پیدا می‌کند.

ضریب پسا یا درگ (Drag Coefficient)

ضریب درگ یک مقدار بی‌بعد است که نشان‌دهنده میزان مقاومت یک جسم در برابر جریان هوا یا سیال است. این مقدار به شکل، اندازه، سطح مقطع و ویژگی‌های آیرودینامیکی جسم بستگی دارد. در پاراگلایدر، ضریب درگ تأثیر مستقیمی بر عملکرد گلاید (Glide Performance) دارد و هرچه این ضریب کمتر باشد، کارایی پروازی بهبود پیدا می‌کند.
نیروی درگ ارتباط نزدیکی با ضریب درگ دارد.

ضریب درگ Cd به صورت زیر تعریف می‌شود:

که در آن:

• Fd​ نیروی درگ (Drag Force) است که به‌طور خاص، مؤلفه‌ای از نیرو در جهت سرعت جریان (Flow Velocity) می‌باشد.
• ρ چگالی جرم (Mass Density) سیال است.
• u سرعت جریان (Flow Speed) جسم نسبت به سیال است.
• A مساحت مرجع (Reference Area) است.

اگر ویژگی‌های محیط و هندسه‌ی جسم مورد بررسی ثابت بماند و ضریب درگ مشخص باشد، آنگاه نیروی درگ را می‌توان برای هر سرعت جریان محاسبه کرد. این یکی از راه‌های ساده‌سازی نمودار قبلی است:

نکته چیست؟

دو نمودار بالا به وضوح نشان می‌دهند که در حالت هارنس عادی با دست باز  “بدترین” و حالت هارنس Fairing با دست بسته “بهترین” گزینه برای پروازهای مسافت‌ طولانی (Cross Country) یا رقابتی است.

اما این واقعاً چه معنایی دارد؟

مزیت واقعی این اختلاف چیست؟

در شرایط واقعی پرواز، یک خلبان که از هارنس Fairing استفاده می‌کند، چه برتری‌ای نسبت به خلبانی که از یک هارنس معمولی استفاده می‌کند خواهد داشت؟

در این رابطه، یک مقاله کوتاه پیدا کردم  اینجا ببینید:

“آزمایش‌های تونل باد نشان می‌دهند که در سرعت تریم، یک هارنس Fairing تقریباً نصف ضریب درگ (Drag Coefficient) یک هارنس نشسته معمولی (Normal) را دارد.”

در این تحلیل، این نسبت کمی کمتر بود و مقدار آن  0.6/0.88=68%. به دست آمد.

مقاله همچنین ادعا می‌کند که:

“در یک گلاید از ارتفاع ۲۰۰۰ متری در هوای آرام، یک خلبان با هارنس Fairing تقریباً ۸۰۰ متر بیشتر از خلبانی که از یک هارنس معمولی استفاده می‌کند، پرواز خواهد کرد.”

با این نتایج، هر خلبان می‌تواند تصمیم بگیرد که آیا می‌خواهد به یک هارنس آیرودینامیک‌تر سوئیچ کند یا خیر.

نکات کلیدی:

اگر یکی از شرایط زیر را دارید، باید به فکر استفاده از یک هارنس آیرودینامیک‌تر باشید:

• در رقابت‌ها شرکت می‌کنید
• گلایدر با عملکرد بالا دارید
• به طور مداوم از اسپیدبار استفاده می‌کنید

نتیجه

نظر شخصی من هنگام دیدن هارنس‌های Cocoon و Fairing در آسمان این بود که حتی برای پروازهای کراس‌کانتری هم چندان منطقی به نظر نمی‌رسند.

اما تحقیقات انجام‌شده با SimScale خلاف این را ثابت کرد.

در برخی شرایط، تنها چند صد متر اختلاف یا یک گلایدر کمی سریع‌تر می‌تواند تفاوت بین برنده شدن یا شکست در یک رقابت باشد.

با این حال، برای خلبانان تفریحی این موضوع چندان حیاتی نیست.

درس مهم این است که حتی بستن دست‌ها نیز می‌تواند تأثیر قابل‌توجهی بر نسبت گلاید (Glide Ratio) داشته باشد.