Testování přechodových fází VTOL: Tiltrotory a tailsittery

Letoun VTOL s pevným křídlem — tiltrotor nebo tailsitter — musí létat ve dvou zcela odlišných aerodynamických režimech: visení na rotorech a cestovní let na křídle. Žádný z těchto režimů nepředstavuje z hlediska testování tu nejtěžší část. Nejtěžší částí je fáze mezi nimi, kdy úplav rotoru přechází přes křídlo pod všemi úhly od vertikálního po horizontální a letoun není ani vrtulníkem, ani letadlem. Tato fáze má v oboru svůj název — přechodový koridor — a vyžaduje svůj vlastní testovací program.

1. Přechodový koridor je definovaná a testovaná letová obálka

Nejjasnějším zaznamenaným příkladem je společný výzkumný letoun NASA a americké armády XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft , testovaný v aerodynamickém tunelu Ames 40- by 80-Foot Wind Tunnel specificky za účelem vyhodnocení „výkonnosti letounu, stability, řízení a strukturálního zatížení pro letové režimy od vrtulníku přes přechodovou fázi až po režim letadla.“ Program explicitně zmapoval přechodový koridor — konfigurace letounu, definované úhlem sklonu gondoly a rychlostí vzduchu, při kterých je bezpečné létat se zapnutými rotory mezi extrémy vrtulníku a letadla. Samotný úhel sklonu gondoly se měří vzhledem k trupu: 0° je režim letadla, 90° je režim vrtulníku a každý úhel mezi nimi představuje odlišnou přechodovou konfiguraci.

Některé ze zjištění tohoto programu specifických pro přechodovou fázi:

Úplav rotoru přímo zatěžoval ocasní plochy. Na nízkorychlostním konci přechodové obálky, při úhlu sklonu gondoly přibližně 60°, vykazovala ocasní konstrukce vysoké vibrační zatížení — natolik vysoké, že horizontální nosník překročil svůj konstrukční limit pro nekonečnou životnost. Příčina byla identifikována pomocí vizualizace proudění pomocí vláken: silný vír převalující se přes konec křídla a směřující dovnitř na ocasní plochy při tomto specifickém úhlu gondoly. Žádná samostatná aerodynamická úprava (aerodynamické plůtky na křídle, aerodynamické hřebeny na gondole, generátory vírů) to nevyřešila v celém rozsahu od visení po letadlo — zatížení se muselo řešit jako skutečný problém specifický pro přechodovou fázi, nikoliv záplatovat univerzálním řešením.
Víry na koncích rotorů budily ocasní plochy při specifické rychlosti vzduchu v přechodové fázi. V režimu vrtulníku oscilační zatížení na závěsech horizontální ocasní plochy rostlo s rychlostí vzduchu až do přibližně 40 uzlů a nad touto hodnotou rychle kleslo — víry z konců rotorů, které při visení směřují dolů, se při zahájení dopředného letu snášejí dozadu do dráhy ocasních ploch právě kolem této rychlosti, a při vyšší rychlosti se ocasním plochám zcela vyhnou.
Testování zmenšených modelů rozšiřuje stejnou práci na koridoru i na moderní letouny. Program NASA a armády Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM) — model letounu Bell/Boeing V-22 Osprey se dvěma rotory v měřítku 1:4 — pokračoval v této linii testování tiltrotorů v plné obálce v komplexu National Full-Scale Aerodynamics Complex, desítky let poté, co program XV-15 poprvé definoval tento koridor.
Samotná bezpečnostní obálka je funkcí úhlu gondoly. Simulační práce provedené pro tento program zjistily, že selhání obou motorů při úhlu sklonu gondoly nad 85° (hluboko v režimu vrtulníku/přechodu) bylo jedinou poruchovou situací, která mohla vyvolat nebezpečné mávání listů a zatížení — situaci bylo možné zachránit pouze snížením úhlu gondoly do 5 sekund. Úplný přechod z 95° na 0° bylo možné provést za 11 sekund. Pod 85° nebyla nutná vůbec žádná zvláštní záchranná akce. Jinými slovy, přechodový režim má své vlastní bezpečnostní hranice, které visení a cestovní let nesdílejí.

2. Tailsittery přinášejí související, ale odlišný problém

Tailsitter přechází klopením celého draku z vertikální do horizontální polohy, což znamená, že jeho křídlo a trup procházejí velmi vysokými úhly náběhu — daleko za hranicí, kde by letoun s pevným křídlem normálně ztratil vztlak — než je letoun nesen křídlem. Publikované práce z aerodynamických tunelů týkající se aerodynamiky tailsitterů se zaměřily specificky na toto: testování celého letounu (křídlo, trup a stabilizátor dohromady, nikoliv pouze izolovaný profil křídla) v celém rozsahu úhlů náběhu, kterým přechodový manévr skutečně prochází, protože aerodynamické síly v tomto režimu je obtížné předpovědět pouze z teorie a modely letové dynamiky používané k návrhu řídicí jednotky přechodu přímo závisí na těchto datech z aerodynamického tunelu.

Interakce vrtule a křídla to ještě komplikuje: při vysokém úhlu náběhu a nízké rychlosti vzduchu závisí síla, kterou vrtule indukuje kolmo na osu svého tahu, na úhlu náběhu, rychlosti vzduchu, výchylce klapek a tahu současně a nelineárně — to není vztah, který by odhalily oddělené testy samotné vrtule a samotného křídla.

3. Co testovací kampaň přechodové fáze skutečně potřebuje

Skutečný průchod přechodovou fází, nejen dva koncové body. Data z visení a cestovního letu nepředpovídají, co se stane při středních úhlech gondoly nebo polohách klopení — nejhorší zatížení v programu XV-15 se objevilo při úhlu sklonu gondoly 60°, což není ani blízko jednomu z extrémů.
Vizualizace proudění na spoji křídlo-gondola nebo křídlo-trup. Problém se zatížením ocasních ploch u XV-15 byl diagnostikován pouze pomocí vláken na vnitřní straně gondoly a sledováním, kam výsledný vír skutečně směřuje — samotná data o silách toto zatížení nevysvětlila.
Monitorování strukturálního zatížení na ocasních plochách a zadní části trupu , nejen na křídle — u tiltrotoru je úplav rotoru přecházející přes ocasní plochy při specifických úhlech přechodu zdokumentovaným a ne zcela zřejmým způsobem selhání.
Pokrytí celého rozsahu úhlů náběhu, kterým prochází přechodový manévr tailsitteru , včetně hodnot daleko za běžnou ztrátou vztlaku, protože to je přesně ten režim, kterým musí řídicí jednotka přechodu proletět.
Pohon zahrnutý v každém datovém bodě přechodu — mimooosé síly indukované vrtulí během přechodu jsou funkcí úhlu náběhu, rychlosti vzduchu a tahu dohromady, nelze je oddělit od aerodynamického testu.

4. Pět chyb, které vídáme

Testování pouze visení a cestovního letu a interpolace mezi nimi. Data z XV-15 ukazují, že nejhorší zatížení se může objevit uprostřed koridoru, nikoliv v koncových bodech — interpolace by to zcela minula.
Vynechání vizualizace proudění, protože siloměry „ukazují číslo.“ Tým XV-15 našel příčinu zatížení ocasních ploch — specifický vír na konci křídla při specifickém úhlu gondoly — pouze pomocí vláken; samotná data o silách jim řekla, že existuje problém, ale ne proč.
Považování přechodu tailsitteru za „jen velký průchod úhly náběhu“ na izolovaném křídle. Interakce trupu, stabilizátoru a vrtule hrají při těchto úhlech roli — polára izolovaného křídla nereprodukuje chování celého letounu, které řídicí jednotka přechodu potřebuje.
Předpoklad, že jediná úprava (aerodynamické hřebeny, plůtky, generátory vírů) vyčistí zatížení v celém koridoru. V programu XV-15 úpravy, které pomohly horizontální ocasní ploše, zhoršily zatížení vertikální ocasní plochy — úpravy přechodového koridoru je třeba vyhodnocovat v celé obálce, nikoliv pouze při jedné podmínce.
Netestování poruchové obálky, pouze té nominální. Bezpečnostní hranice závislá na úhlu gondoly zjištěná u XV-15 (85° jako práh pro zachranitelné selhání obou motorů) vzešla ze specializované analýzy specificky pro přechodový režim — při testování pouze nominálních podmínek by se neukázala.

5. Co to znamená pro váš program

Sdělte nám svůj přechodový mechanismus — tiltrotor nebo tailsitter — a váš cílový přechodový koridor , a my navrhneme testovací kampaň, která projde celou přechodovou obálkou, nejen jejími koncovými body pro visení a cestovní let. Související čtení: náš hlavní článek o

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

Zdroje a poznámky

Program aerodynamického tunelu XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft (Ames 40- by 80-Foot Wind Tunnel, cíle testů pokrývající režimy od vrtulníku přes přechod až po režim letadla do kapacity tunelu 170 uzlů, koncept přechodového koridoru, konvence úhlu sklonu gondoly 0° letadlo / 90° vrtulník, zatížení ocasních ploch víry z konců křídel při úhlu gondoly 60° diagnostikované pomocí vizualizace vlákny, buzení ocasních ploch víry z konců rotorů vrcholící blízko 40 uzlů v režimu vrtulníku, bezpečnostní práh při selhání obou motorů při úhlu gondoly 85° s 5sekundovým oknem pro záchranu a úplný přechod z 95° na 0° za 11 sekund): 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).
Měřítko a základ programu Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM) (měřítko 1:4 letounu Bell/Boeing V-22 Osprey, izolovaný rotor testovaný v German-Dutch Wind Tunnel, model se dvěma rotory o plném rozpětí testovaný v sekci 40 x 80 stop komplexu National Full-Scale Aerodynamics Complex v NASA Ames): NASA Ames Research Center, „Tiltrotor Aeroacoustic Model“.
Aerodynamika přechodu tailsitteru (testování celého letounu v aerodynamickém tunelu v rozsahu úhlů náběhu, kterým prochází přechodový manévr, a nelineární vazba mimooosé síly indukované vrtulí s úhlem náběhu, rychlostí vzduchu, výchylkou klapek a tahem) je obecně v souladu s publikovaným výzkumem tailsitterů v aerodynamických tunelech; charakteristika testovacího přístupu společnosti TunnelTech odráží naši vlastní inženýrskou praxi pro tuto třídu letounů.
Pokyny k metodice testování (úplné průchody přechodem, vizualizace proudění ve spojích, monitorování struktury ocasních ploch, vyhodnocení úprav v celé obálce) představují inženýrskou praxi společnosti TunnelTech, přímo vycházející z výše zdokumentovaných zjištění programu XV-15.

Testování přechodových fází VTOL letounů s pevným křídlem: Tiltrotory a tailsittery