اختبارات التحول لطائرات VTOL: الطائرات ذات الدوارات المائلة والطائرات التي تجلس على الذيل

يجب أن تحلق طائرات الإقلاع والهبوط العمودي (VTOL) ثابتة الجناح — سواء كانت ذات دوارات مائلة (tiltrotor) أو تجلس على الذيل (tailsitter) — في نظامين أيروديناميكيين مختلفين تماماً: التحويم بالاعتماد على الدوارات، والطيران الانسيابي بالاعتماد على الأجنحة. لا يكمن التحدي في اختبار أي من هذين النظامين، بل في المرحلة الانتقالية بينهما، حيث يعبر أثر الدوار الجناح بجميع الزوايا من العمودية إلى الأفقية، ولا تكون الطائرة حينها مروحية ولا طائرة تقليدية. تُعرف هذه المرحلة في الصناعة باسم ممر التحول (conversion corridor) — وتتطلب برنامج اختبار خاص بها.

1. ممر التحول هو غلاف طيران محدد ومُختبر

أوضح مثال مسجل على ذلك هو طائرة الأبحاث ذات الدوارات المائلة XV-15 المشتركة بين وكالة ناسا والجيش الأمريكي، والتي تم اختبارها في نفق الرياح Ames بأبعاد 40 × 80 قدماً خصيصاً لتقييم "أداء الطائرة، واستقرارها، والتحكم بها، والأحمال الهيكلية لأنماط الطيران بدءاً من وضع المروحية مروراً بالمرحلة الانتقالية وصولاً إلى وضع الطائرة التقليدية". رسم البرنامج بوضوح ممر التحول — وهو تكوينات الطائرة، المحددة بزاوية ميل حجرة المحرك وسرعة الهواء، والتي تعتبر آمنة للطيران مع تشغيل الدوارات بين حدي وضع المروحية ووضع الطائرة. تُقاس زاوية ميل حجرة المحرك بالنسبة لهيكل الطائرة: 0° يمثل وضع الطائرة، و90° يمثل وضع المروحية، وكل زاوية بينهما تمثل تكويناً انتقالياً مستقلاً.

بعض النتائج الخاصة بالمرحلة الانتقالية من ذلك البرنامج:

أثر الدوار حمّل الذيل مباشرة. عند الحد منخفض السرعة لغلاف التحول، وحول زاوية ميل لحجرة المحرك تبلغ 60°، تعرض هيكل الذيل لأحمال اهتزازية عالية — عالية لدرجة أن العارضة الأفقية تجاوزت حد التصميم لعمرها الافتراضي اللانهائي. تم تحديد السبب باستخدام تصوير الجريان بالخيوط: دوامة قوية تتدحرج فوق طرف الجناح وتكتسح نحو الداخل لتضرب الذيل عند تلك الزاوية المحددة لحجرة المحرك. لم ينجح أي حل أيروديناميكي منفرد (حواجز الأجنحة، زعانف حجرة المحرك، مولدات الدوامات) في حل المشكلة عبر النطاق الكامل من التحويم إلى وضع الطائرة — كان لا بد من إدارة الأحمال كمشكلة حقيقية خاصة بالمرحلة الانتقالية، وليس ترقيعها بحل واحد يناسب الجميع.
دوامات أطراف الدوار أثارت الذيل عند سرعة هواء انتقالية محددة. في وضع المروحية، ارتفعت الأحمال التذبذبية على عروات تثبيت الذيل الأفقي مع زيادة سرعة الهواء حتى حوالي 40 عقدة، ثم انخفضت بسرعة بعد ذلك — دوامات أطراف الدوار، التي تتساقط لأسفل أثناء التحويم، تكتسح للخلف في مسار الذيل تحديداً حول تلك السرعة مع بدء الطيران الأمامي، ثم تتجاوز الذيل تماماً عند السرعات الأعلى.
اختبار النماذج المصغرة يوسع نفس أعمال الممر لتشمل الطائرات الحديثة. واصل برنامج النموذج الأيروصوتي للدوار المائل (TRAM) التابع لوكالة ناسا والجيش — وهو نموذج بمقياس 1/4 ثنائي الدوار لطائرة Bell/Boeing V-22 Osprey — هذا المسار من اختبارات الدوار المائل لكامل الغلاف في المجمع الوطني للديناميكا الهوائية بالحجم الطبيعي، وذلك بعد عقود من تحديد برنامج XV-15 للممر لأول مرة.
غلاف الأمان بحد ذاته هو دالة لزاوية حجرة المحرك. وجدت أعمال المحاكاة التي أُجريت للبرنامج أن فشل المحركين المزدوج فوق زاوية ميل 85° لحجرة المحرك (في عمق وضع المروحية/الانتقال) كان حالة الفشل الوحيدة التي يمكن أن تنتج خفقاناً خطيراً للشفرات وأحمالاً عالية — ولا يمكن التعافي منها إلا بتقليل زاوية ميل حجرة المحرك في غضون 5 ثوانٍ. يمكن تنفيذ التحول الكامل من 95° إلى 0° في 11 ثانية. أما تحت 85°، فلم تكن هناك حاجة لأي إجراء تعافي خاص على الإطلاق. بعبارة أخرى، يمتلك النظام الانتقالي حدود أمان خاصة به لا يشترك فيها مع التحويم والطيران الانسيابي.

2. الطائرات التي تجلس على الذيل تحمل مشكلة ذات صلة ولكنها مختلفة

تنتقل الطائرة التي تجلس على الذيل عن طريق إمالة هيكل الطائرة بالكامل من الوضع العمودي إلى الأفقي، مما يعني أن جناحها وهيكلها يمران عبر زوايا هجوم عالية جداً — تتجاوز بكثير النقطة التي تنهار عندها الطائرات ثابتة الجناح عادةً — قبل أن تعتمد الطائرة على أجنحتها في الطيران. استهدفت الأعمال المنشورة حول اختبارات نفق الرياح للديناميكا الهوائية لهذه الطائرات هذا الأمر تحديداً: اختبار الطائرة بالكامل (الجناح، والهيكل، والموازن معاً، وليس مجرد مقطع انسيابي معزول) عبر النطاق الكامل لزاوية الهجوم الذي تمر به مناورة التحول فعلياً، لأن القوى الأيروديناميكية في هذا النظام يصعب التنبؤ بها من النظرية وحدها، وتعتمد نماذج ديناميكا الطيران المستخدمة لتصميم وحدة التحكم في التحول بشكل مباشر على بيانات نفق الرياح تلك.

يزيد التفاعل بين المروحة والجناح من تعقيد هذا الأمر: عند زاوية الهجوم العالية وسرعة الهواء المنخفضة، تعتمد القوة التي تولدها المروحة بشكل عمودي على محور الدفع الخاص بها على زاوية الهجوم، وسرعة الهواء، وانحراف القلابات، والدفع في وقت واحد وبشكل غير خطي — وهي علاقة لن تكشفها الاختبارات المنفصلة للمروحة وحدها والجناح وحده.

3. ما تحتاجه حملة اختبار التحول فعلياً

مسح تحول حقيقي، وليس مجرد نقطتي النهاية. لا تتنبأ بيانات التحويم والطيران الانسيابي بما يحدث عند زوايا حجرة المحرك أو مواقف الميل المتوسطة — ظهرت أسوأ الأحمال في برنامج XV-15 عند زاوية ميل 60° لحجرة المحرك، وهي ليست قريبة من أي من الحدين الأقصيين.
تصوير الجريان عند تقاطع الجناح مع حجرة المحرك أو الجناح مع الهيكل. لم يتم تشخيص مشكلة تحميل الذيل في XV-15 إلا عن طريق تثبيت الخيوط على الجزء الداخلي لحجرة المحرك وتتبع المسار الفعلي للدوامة الناتجة — بيانات القوة وحدها لم تفسر تلك الأحمال.
مراقبة الأحمال الهيكلية على الذيل والجزء الخلفي من الهيكل ، وليس الجناح فقط — بالنسبة للطائرات ذات الدوارات المائلة، يُعد عبور أثر الدوار للذيل عند زوايا تحول محددة نمط فشل موثقاً وغير بديهي.
تغطية النطاق الكامل لزاوية الهجوم الذي تمر به مناورة التحول للطائرة التي تجلس على الذيل ، بما في ذلك تجاوز مرحلة الانهيار التقليدية بكثير، لأن هذا هو النظام الدقيق الذي يجب أن تطير من خلاله وحدة التحكم في التحول.
تضمين الدفع في كل نقطة بيانات للتحول — القوى خارج المحور التي تولدها المروحة أثناء التحول هي دالة لزاوية الهجوم، وسرعة الهواء، والدفع معاً، ولا يمكن فصلها عن الاختبار الأيروديناميكي.

4. خمسة أخطاء نلاحظها

اختبار التحويم والطيران الانسيابي فقط والاستيفاء بينهما. تُظهر بيانات XV-15 أن أسوأ الأحمال يمكن أن تظهر في منتصف الممر، وليس عند أي من نقطتي النهاية — كان الاستيفاء سيتجاهل ذلك تماماً.
تخطي تصوير الجريان لأن خلايا الحمل "تُظهر رقماً". لم يكتشف فريق XV-15 سبب أحمال الذيل — دوامة محددة عند طرف الجناح بزاوية محددة لحجرة المحرك — إلا من خلال استخدام الخيوط؛ بيانات القوة وحدها أخبرتهم بوجود مشكلة، ولكن ليس سببها.
التعامل مع تحول الطائرة التي تجلس على الذيل على أنه "مجرد مسح كبير لزاوية الهجوم" على جناح معزول. التفاعل بين الهيكل، والموازن، والمروحة يهم جميعاً عند هذه الزوايا — لن يعيد المنحنى القطبي لجناح معزول إنتاج سلوك الطائرة بالكامل الذي تحتاجه وحدة التحكم في التحول.
افتراض أن حلاً واحداً (زعانف، حواجز، مولدات دوامات) سينظف الأحمال عبر الممر بأكمله. في برنامج XV-15، أدت الحلول التي ساعدت الذيل الأفقي إلى تفاقم أحمال الزعنفة العمودية — يجب تقييم حلول ممر التحول عبر الغلاف بأكمله، وليس عند حالة واحدة.
عدم اختبار غلاف الفشل، والاكتفاء بالغلاف الاسمي فقط. جاء حد الأمان المعتمد على زاوية حجرة المحرك والذي تم اكتشافه في XV-15 (85° كحد أدنى لفشل المحركين المزدوج القابل للتعافي) من تحليل مخصص للنظام الانتقالي تحديداً — ولم يكن ليظهر في اختبارات الحالة الاسمية وحدها.

5. ماذا يعني هذا لبرنامجك

أخبرنا بآلية التحول الخاصة بك — سواء كانت طائرة ذات دوارات مائلة أو طائرة تجلس على الذيل — وممر التحول المستهدف ، وسنقوم بتحديد نطاق حملة اختبار تمسح غلاف التحول بالكامل، وليس فقط نقطتي النهاية للتحويم والطيران الانسيابي. قراءة ذات صلة: مقالنا الرئيسي حول

[Article not found: long-range-fixed-wing-uas-wind-tunnel-testing]

المصادر والملاحظات

برنامج نفق الرياح لطائرة الأبحاث ذات الدوارات المائلة XV-15 (نفق الرياح Ames بأبعاد 40 × 80 قدماً، أهداف الاختبار تغطي وضع المروحية مروراً بالتحول إلى وضع الطائرة حتى قدرة نفق تبلغ 170 عقدة، مفهوم ممر التحول، اصطلاح زاوية ميل حجرة المحرك 0° للطائرة / 90° للمروحية، تحميل الذيل من دوامات أطراف الجناح عند زاوية ميل 60° لحجرة المحرك والذي تم تشخيصه عبر تصوير الخيوط، إثارة الذيل بدوامات أطراف الدوار التي تبلغ ذروتها بالقرب من 40 عقدة في وضع المروحية، حد الأمان لفشل المحركين المزدوج عند زاوية ميل 85° لحجرة المحرك مع نافذة تعافي مدتها 5 ثوانٍ، والتحول الكامل من 95° إلى 0° في 11 ثانية): Weiberg, J.A., Maisel, M.D., "Wind-Tunnel Tests of the XV-15 Tilt Rotor Aircraft," NASA Technical Memorandum 81177 / AVRADCOM Technical Report TR-80-A-3, 1980 (NASA Technical Reports Server, document 19800015802).
مقياس وأساس برنامج النموذج الأيروصوتي للدوار المائل (TRAM) (مقياس 1/4 لطائرة Bell/Boeing V-22 Osprey، دوار معزول تم اختباره في نفق الرياح الألماني-الهولندي، نموذج ثنائي الدوار بكامل الامتداد تم اختباره في قسم 40 × 80 قدماً من المجمع الوطني للديناميكا الهوائية بالحجم الطبيعي في NASA Ames): NASA Ames Research Center, "Tiltrotor Aeroacoustic Model".
الديناميكا الهوائية لتحول الطائرات التي تجلس على الذيل (اختبار نفق الرياح للطائرة بالكامل عبر نطاق زاوية الهجوم الذي تمسحه مناورة التحول، والاقتران غير الخطي للقوة خارج المحور التي تولدها المروحة مع زاوية الهجوم، وسرعة الهواء، وانحراف القلابات، والدفع) يتوافق بشكل عام مع أبحاث نفق الرياح المنشورة حول هذه الطائرات؛ يعكس توصيف TunnelTech لنهج الاختبار ممارستنا الهندسية الخاصة لهذه الفئة من الطائرات.
إرشادات منهجية الاختبار (مسوحات التحول الكاملة، تصوير الجريان عند التقاطعات، مراقبة هيكل الذيل، تقييم الحلول لكامل الغلاف) هي ممارسة هندسية خاصة بـ TunnelTech، ومستمدة مباشرة من نتائج XV-15 الموثقة أعلاه.

اختبارات التحول لطائرات الإقلاع والهبوط العمودي (VTOL) ثابتة الجناح: الطائرات ذات الدوارات المائلة والطائرات التي تجلس على الذيل