Тестване на прехода при VTOL: тилтротори и тейлситъри

Един VTOL летателен апарат с фиксирано крило — тилтротор или тейлситър — трябва да лети в два напълно различни аеродинамични режима: висене, поддържано от роторите, и крейсерски полет, поддържан от крилото. Нито един от тези режими не е трудната част за тестване. Трудната част е фазата между тях, където следата от ротора пресича крилото под всякакъв ъгъл от вертикален до хоризонтален, а летателният апарат не е нито хеликоптер, нито самолет. Тази фаза си има име в индустрията — преходен коридор — и изисква своя собствена програма за изпитване.

1. Преходният коридор е дефинирана, тествана полетна обвивка

Най-ясната илюстрация в историята е съвместният проект на НАСА и Армията на САЩ XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft , тестван в аеродинамичния тунел Ames 40- by 80-Foot Wind Tunnel специално за оценка на „летателните характеристики, стабилността, управлението и структурните натоварвания за полетни режими от хеликоптер през преход до самолетен режим“. Програмата изрично картографира преходен коридор — конфигурациите на летателния апарат, определени от наклона на гондолата и скоростта на въздуха, които са безопасни за полет с включени ротори между крайностите на хеликоптер и самолет. Самият наклон на гондолата се измерва спрямо фюзелажа: 0° е самолетен режим, 90° е хеликоптерен режим, а всеки ъгъл между тях е отделна преходна конфигурация.

Някои от специфичните за прехода открития от тази програма:

Следата от ротора натоварва директно опашката. В края на преходната обвивка с ниска скорост, при около 60° наклон на гондолата, структурата на опашката е подложена на високи вибрационни натоварвания — достатъчно високи, за да може хоризонталният лонжерон да надвиши проектния си лимит за безкраен живот. Причината е идентифицирана чрез визуализация на потока с нишки: силен вихър, преминаващ над върха на крилото и насочващ се навътре към опашката при този специфичен ъгъл на гондолата. Нито едно единично аеродинамично решение (аеродинамични гребени, ребра на гондолата, генератори на вихри) не решава проблема в целия диапазон от висене до самолетен режим — натоварванията е трябвало да бъдат управлявани като истински специфичен за прехода проблем, а не да се кърпят с универсално решение.
Вихрите от върховете на ротора възбуждат опашката при специфична скорост на прехода. В хеликоптерен режим осцилиращите натоварвания върху свързващите уши на хоризонталната опашка нарастват със скоростта на въздуха до около 40 възела, след което спадат бързо над нея — вихрите от върховете на ротора, отделящи се надолу при висене, се насочват назад към пътя на опашката точно около тази скорост, когато започва полетът напред, след което напълно подминават опашката при по-висока скорост.
Тестването на мащабни модели разширява същата работа по коридора към съвременните летателни апарати. Програмата на НАСА и Армията Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM) — модел в мащаб 1/4 с два ротора на Bell/Boeing V-22 Osprey — продължава тази линия на тестване на тилтротори в пълна обвивка в National Full-Scale Aerodynamics Complex, десетилетия след като програмата XV-15 за първи път дефинира коридора.
Самата обвивка на безопасност е функция на ъгъла на гондолата. Симулационната работа, извършена за програмата, установява, че отказ на двата двигателя над 85° наклон на гондолата (дълбоко в хеликоптерен/преходен режим) е единственото условие за отказ, което може да доведе до опасно махово движение на лопатките и натоварвания — възстановимо само чрез намаляване на наклона на гондолата в рамките на 5 секунди. Пълната конверсия от 95° до 0° може да се изпълни за 11 секунди. Под 85° изобщо не е необходимо специално действие за възстановяване. С други думи, преходният режим има свои собствени граници на безопасност, които висенето и крейсерският полет не споделят.

2. Тейлситърите носят свързан, но различен проблем

Тейлситърът извършва преход чрез накланяне на целия планер от вертикално в хоризонтално положение, което означава, че неговото крило и фюзелаж преминават през много високи ъгли на атака — далеч отвъд точката, където самолет с фиксирано крило обикновено би изпаднал в срив — преди летателният апарат да се поддържа от крилото. Публикуваните изследвания в аеродинамичен тунел върху аеродинамиката на тейлситърите са насочени специално към това: тестване на целия летателен апарат (крило, фюзелаж и стабилизатор заедно, а не само изолиран аеродинамичен профил) в целия диапазон на ъгъла на атака, през който реално преминава маневрата на прехода, тъй като аеродинамичните сили в този режим са трудни за прогнозиране само от теорията, а моделите на динамиката на полета, използвани за проектиране на контролера на прехода, зависят пряко от тези данни от аеродинамичния тунел.

Взаимодействието между витлото и крилото усложнява това: при висок ъгъл на атака и ниска скорост на въздуха, силата, която витлото индуцира перпендикулярно на оста си на тяга, зависи едновременно и нелинейно от ъгъла на атака, скоростта на въздуха, отклонението на задкрилките и тягата — зависимост, която отделните тестове само на витлото и само на крилото няма да разкрият.

3. От какво реално се нуждае една кампания за тестване на прехода

Истинско сканиране на конверсията, а не само на двете крайни точки. Данните от висенето и крейсерския полет не прогнозират какво се случва при междинни ъгли на гондолата или ъгли на тангажа — най-лошите натоварвания в програмата XV-15 се появяват при 60° наклон на гондолата, далеч от която и да е от крайностите.
Визуализация на потока при съединението крило-гондола или крило-фюзелаж. Проблемът с натоварването на опашката при XV-15 е диагностициран само чрез поставяне на нишки на вътрешната част на гондолата и проследяване накъде реално отива полученият вихър — данните за силите сами по себе си не обясняват натоварванията.
Мониторинг на структурното натоварване на опашката и задната част на фюзелажа , а не само на крилото — за един тилтротор следата от ротора, пресичаща опашката при специфични ъгли на преход, е документиран и неочевиден режим на отказ.
Покритие на пълния диапазон на ъгъла на атака, през който преминава маневрата на прехода на тейлситъра , включително далеч отвъд конвенционалния срив, тъй като това е точно режимът, през който контролерът на прехода трябва да лети.
Включване на задвижването във всяка точка от данни за прехода — индуцираните от витлото извъносови сили по време на прехода са функция на ъгъла на атака, скоростта на въздуха и тягата заедно, и не могат да бъдат отделени от аеродинамичния тест.

4. Пет грешки, които виждаме

Тестване само на висене и крейсерски полет и интерполиране между тях. Данните от XV-15 показват, че най-лошите натоварвания могат да се появят в средата на коридора, а не в някоя от крайните точки — интерполацията би ги пропуснала напълно.
Пропускане на визуализацията на потока, защото силоизмервателните клетки „показват число“. Екипът на XV-15 открива причината за натоварванията на опашката — специфичен вихър от върха на крилото при специфичен ъгъл на гондолата — само чрез нишки; данните за силите сами по себе си им казват, че има проблем, но не и защо.
Третиране на прехода на тейлситъра като „просто голямо сканиране на ъгъла на атака“ върху изолирано крило. Взаимодействието на фюзелажа, стабилизатора и витлото има значение при тези ъгли — полярата на изолирано крило няма да възпроизведе поведението на целия летателен апарат, от което се нуждае контролерът на прехода.
Допускане, че едно единствено решение (ребра, гребени, генератори на вихри) ще изчисти натоварванията в целия коридор. В програмата XV-15 решенията, които помагат на хоризонталната опашка, влошават натоварванията на вертикалния стабилизатор — решенията за преходния коридор трябва да се оценяват в цялата обвивка, а не при едно условие.
Нетестване на обвивката на отказите, а само на номиналната. Зависещата от ъгъла на гондолата граница на безопасност, открита при XV-15 (85° като праг за възстановим отказ на двата двигателя), идва от специализиран анализ конкретно на преходния режим — тя не би се появила само при тестване в номинални условия.

5. Какво означава това за вашата програма

Кажете ни вашия механизъм за преход — тилтротор или тейлситър — и вашия целеви преходен коридор , и ние ще планираме тестова кампания, която сканира пълната преходна обвивка, а не само крайните ѝ точки на висене и крейсерски полет. Свързано четиво: нашата основна статия за

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

Източници и бележки

Програма за изпитване в аеродинамичен тунел на XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft (Ames 40- by 80-Foot Wind Tunnel, цели на теста, покриващи режими от хеликоптер през преход до самолетен режим при капацитет на тунела до 170 възела, концепцията за преходен коридор, конвенция за наклон на гондолата от 0° за самолет / 90° за хеликоптер, натоварване на опашката от вихри от върха на крилото при 60° наклон на гондолата, диагностицирано чрез визуализация с нишки, възбуждане на опашката от вихри от върховете на ротора с пик близо до 40 възела в хеликоптерен режим, праг на безопасност при отказ на двата двигателя при 85° наклон на гондолата с 5-секунден прозорец за възстановяване и пълна конверсия от 95° до 0° за 11 секунди): 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).
Мащаб и база на програмата Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM) (мащаб 1/4 на Bell/Boeing V-22 Osprey, изолиран ротор, тестван в German-Dutch Wind Tunnel, модел с пълен размах и два ротора, тестван в секцията 40 на 80 фута на National Full-Scale Aerodynamics Complex в NASA Ames): NASA Ames Research Center, "Tiltrotor Aeroacoustic Model".
Аеродинамиката на прехода при тейлситърите (тестване на целия летателен апарат в аеродинамичен тунел в целия диапазон на ъгъла на атака, обхванат от маневрата на прехода, и нелинейното свързване на индуцираната от витлото извъносова сила с ъгъла на атака, скоростта на въздуха, отклонението на задкрилките и тягата) е в голяма степен съвместима с публикуваните изследвания в аеродинамичен тунел за тейлситъри; характеризирането на подхода за тестване от страна на TunnelTech отразява нашата собствена инженерна практика за този клас летателни апарати.
Насоките за методологията на тестване (пълни сканирания на конверсията, визуализация на потока в съединенията, мониторинг на структурата на опашката, оценка на решенията в пълната обвивка) са инженерна практика на TunnelTech, пряко информирана от документираните по-горе открития за XV-15.

Тестване на прехода при VTOL с фиксирано крило: тилтротори и тейлситъри