Аероеластични тестове за HALE и БАС с голяма продължителност на полета

Крило, конструирано за максимално аеродинамично качество при летателен апарат за продължителни полети, почти по дефиниция е гъвкаво крило: голямото удължение и минималното тегло на конструкцията са точно това, което изисква ефективността при крайцерски полет, като и двете работят директно срещу коравината. При този клас летателни апарати формата на крилото в полет не е формата от чертежа — то се огъва и усуква непрекъснато, и тази деформация оказва обратно влияние върху аеродинамиката по начини, които моделът с твърдо крило не може да възпроизведе.

Аероеластичността — връзката между аеродинамичните натоварвания, структурната гъвкавост и динамиката на полета — престава да бъде вторична проверка при този клас летателни апарати и се превръща в основен водещ фактор при проектирането.

1. Какво всъщност се случи с Helios

Най-ясният и най-добре документиран случай е този на самата NASA. На 26 юни 2003 г. конфигурацията за продължителен полет на прототипа Helios (HP03) се сблъсква с атмосферна турбулентност около 30 минути след началото на полета. Напречното V на крилото (dihedral) — отклонението на върха му, което е пряка мярка за това колко гъвкавото крило се е огънало нагоре — нараства до необичайно постоянните 30 до 40 фута, много над типичните 11 до 17 фута при нормален полет. Разследването на NASA установява, че отвъд това напречно V, осцилацията по тангаж на летателния апарат става динамично нестабилна: отклоненията във въздушната скорост приблизително се удвояват при всеки цикъл на осцилацията. При финалното пикиране с носа надолу, летателният апарат надвишава максималната си проектна скорост повече от два пъти. Полученото динамично налягане причинява прогресивно разрушаване на вторичната конструкция на атакуващия ръб на крилото, слънчевите панели и обшивката се откъсват, а летателният апарат губи способността си да генерира подемна сила и пада в Тихия океан. От първия опит за диагностициране на проблема до разрушаването на летателния апарат във въздуха: 91 секунди .

2. Защо огъването подхрани нестабилността, вместо да я коригира

Анализът на NASA след инцидента идентифицира механизма и той е изцяло аероеластичен, а не просто структурна повреда:

Преразпределение на подемната сила по размаха. Тъй като крилото се огъва нагоре, подемната сила се измества от центъра на летателния апарат към външните панели — и е установено, че това преразпределение е силно чувствително към пориви от порядъка на половин фут в секунда, много по-малки от реално срещнатата турбулентност.
Самоподдържащ се цикъл, а не самокоригиращ се. Системата за управление на полета реагира на нарастващото напречно V чрез отклоняване на елеваторите с изходящия ръб нагоре; тъй като външните елеватори са фиксирани, тази реакция отнема повече подемна сила от центъра, отколкото от върховете — което изтласква крилото още повече към формата с голямо напречно V, вместо да го върне към номиналната му форма.
Нарастващата статична стабилност подхранва фугоидната нестабилност. С нарастването на напречното V, центърът на аеродинамичната сила на летателния апарат се измества още по-високо над центъра на тежестта му, увеличавайки надлъжната статична стабилност — свойство, което обикновено е успокояващо, но при това превозно средство е установено, че увеличава нестабилността на дългопериодичната осцилация по тангаж.
Инерционният момент по тангаж нараства приблизително пет пъти в диапазона на напречното V, наблюдаван при инцидента, което фундаментално променя динамиката на режима на полет при огъването на крилото.

Нито едно от тези свойства не е характерно за твърд планер. Те съществуват само защото формата на крилото и аеродинамиката на летателния апарат са свързани — което е точно това, което означава аероеластичност.

3. Какво според собственото разследване на NASA е трябвало да предотврати това

Основните причини в доклада за инцидента са пряко свързани с това как трябва да се тества и проектира този клас летателни апарати: липсата на адекватни методи за анализ води до неточна оценка на риска от ефектите на промяна в конфигурацията (добавяне на концентрирани маси — гондола с горивни клетки и водородни резервоари — към крило, първоначално проектирано с разпределен товар по размаха или "spanloader"), което значително намалява структурните и аероеластичните маржове на летателния апарат, без това намаление да бъде правилно прогнозирано предварително.

Собствените технически препоръки на разследването включват разработване на процедури и техники за наземни тестове, подходящи за този клас превозни средства, за валидиране на нови методи за анализ и прогнози — директен призив за физическо тестване, а не само за симулация, навсякъде, където даден проект се отклонява значително от предишни, доказани в полет конфигурации.

4. Какво всъщност изисква една кампания за аероеластични тестове на гъвкаво крило

Модел с мащабирана коравина, а не само с мащабирана геометрия. За да се мащабира правилно аероеластичното поведение, разпределението на структурната коравина на модела трябва да съответства на пълноразмерния летателен апарат, а не само на външната му форма — геометрично точен, но прекалено корав модел просто ще скрие връзката, която тестът има за цел да открие.
Тестване на реакцията на пориви, а не само стационарни поляри. Нестабилността на Helios е предизвикана от пориви от порядъка на половин фут в секунда — достатъчно малки, за да може данните от стационарен аеродинамичен тунел без пориви никога да не разкрият тази чувствителност.
Синхронизирана структурна и аеродинамична измервателна апаратура. Огъването на крилото, усукването и динамичните натоварвания трябва да се измерват заедно със силите и моментите, в един и същ пуск, така че връзката между тях да бъде уловена, а не изведена поотделно.
Тестване при всички конфигурации на масата и разпределението на натоварването, с които летателният апарат реално ще лети , а не само при базовия случай — концентрираната спрямо разпределената маса на полезния товар променя аероеластичния марж, както Helios демонстрира директно.
Мониторинг на формата на крилото в реално време по време на теста , отразявайки собствената препоръка на NASA за измерване на напречното V в реално време с визуален дисплей — нестабилността, която унищожи Helios, е била невидима за екипажа, докато не е станала необратима.

5. Пет грешки, които виждаме

Разглеждане на коравината като структурно одобрение, отделно от програмата за аеродинамични тестове. При летателен апарат с гъвкаво крило структурните и аеродинамичните тестове са един и същ проблем, а не два отделни, които да се отмятат последователно.
Тестване само при стационарни условия без пориви. Конфигурация, която изглежда напълно стабилна при плавен поток, може да бъде чувствителна към пориви, много по-малки, отколкото интуицията подсказва.
Допускане, че промяната в конфигурацията е „незначителна“, защото не променя външния контур. Фаталната промяна при Helios е добавянето на маса, а не промяната на формата — и въпреки това тя драстично намалява маржовете на летателния апарат.
Валидиране на закон за управление на полета спрямо модел на твърдо тяло. Система за управление, която реагира правилно при твърд планер, може активно да влоши аероеластичната нестабилност, точно както реакцията на елеваторите при HP03-2.
Пропускане на мониторинга на формата в реално време, защото „моделът не се движи толкова много“. Маржът между нормалното и нестабилното напречно V при Helios е измерен в десетки футове при 247-футово крило — отклонение, което е лесно да се подцени, докато не бъде измерено с апаратура.

6. Какво означава това за вашата програма

Споделете с нас структурната конфигурация на вашето крило и всички планирани промени в масата , и ние ще планираме кампания за аероеластични тестове с мащабирана коравина — включително реакция на пориви — изградена така, че да улови връзката, която чисто аеродинамичен или чисто структурен тест би пропуснал. Свързано четиво: нашата основна статия за

Аеродинамични изпитания на БПЛА с голям обсег

Аеродинамика на HALE на голяма височина

за същия летателен апарат.

Източници и бележки

Пълен отчет за инцидента с прототипа Helios HP03-2 (26 юни 2003 г.): нарастване на напречното V до 30–40 фута спрямо нормалните 11–17 фута, осцилация по тангаж с отклонения във въздушната скорост, удвояващи се на всеки цикъл, превишаване на проектната скорост повече от два пъти, прогресивно структурно разрушаване, 91 секунди от първата диагноза до разпадането, чувствителност на преразпределението на подемната сила по размаха към пориви от едва 0,5 ft/sec, цикълът на обратна връзка елеватор/напречно V, механизмът статична стабилност спрямо фугоидна нестабилност, приблизително петкратното нарастване на инерционния момент по тангаж, основните причини и препоръката за процедури за наземни тестове, подходящи за класа превозни средства: Noll, T.E., Ishmael, S.D., Henwood, B., Perez-Davis, M.E., Tiffany, G.C., Madura, J., Gaier, M., Brown, J.M., Wierzbanowski, T., "Technical Findings, Lessons Learned, and Recommendations Resulting from the Helios Prototype Vehicle Mishap," NASA/Langley, Dryden, Glenn, Ames and Kennedy Research Centers with AeroVironment Inc. (NASA Technical Reports Server, document 20070022260), цитирайки пълното разследване в Noll et al., "Investigation of the Helios Prototype Aircraft Mishap," Volume I – Mishap Report, януари 2004 г.
Данни за летателния апарат (247-футов размах на крилото, удължение 30,9:1, конфигурация „летящо крило“): в съответствие с нашата публикувана статия за височинната аеродинамика на HALE, която разглежда подробно аеродинамичния дизайн на същия летателен апарат.
Препоръките за методологията на тестване (модели с мащабирана коравина, тестване на реакцията на пориви, синхронизирана структурна/аеродинамична измервателна апаратура, мониторинг на формата в реално време) са инженерна практика на TunnelTech, която директно отговаря на препоръките за наземни тестове в цитираното разследване на NASA.

Аероеластичност и реакция на пориви при крила с голямо удължение за продължителни полети