Test af VTOL-overgang: Tiltrotorer og tailsitters

Et VTOL-fastvingefly — tiltrotor eller tailsitter — skal flyve i to vidt forskellige aerodynamiske regimer: rotorbåret svæveflyvning (hover) og vingebåret marchflyvning (cruise). Ingen af disse regimer er svære at teste. Den svære del er fasen imellem dem, hvor rotorvaken krydser vingen i alle vinkler fra vertikal til horisontal, og flyet hverken er en helikopter eller en flyvemaskine. Denne fase har et navn i branchen — konverteringskorridoren — og den kræver sit helt eget testprogram.

1. Konverteringskorridoren er en defineret, testet flyvekonvolut

Den tydeligste illustration, der findes, er det fælles NASA/Army XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft , som blev testet i Ames 40- by 80-Foot Wind Tunnel specifikt for at evaluere "flyets ydeevne, stabilitet, kontrol og strukturelle belastninger for flyvetilstande fra helikopter gennem overgangsfasen til flyvemaskinetilstand." Programmet kortlagde eksplicit en konverteringskorridor — de flykonfigurationer, defineret af nacelle-vinkel og lufthastighed, som er sikre at flyve med rotorerne i gang mellem helikopter- og flyvemaskine-yderpunkterne. Selve nacelle-vinklen måles i forhold til skroget: 0° er flyvemaskinetilstand, 90° er helikoptertilstand, og enhver vinkel derimellem er en særskilt overgangskonfiguration.

Nogle af de overgangsspecifikke resultater fra dette program:

Rotorvaken belastede halen direkte. I lavhastighedsenden af konverteringskonvolutten, ved omkring 60° nacelle-vinkel, oplevede halestrukturen høje vibrationsbelastninger — høje nok til, at den horisontale bjælke overskred sin designgrænse for uendelig levetid. Årsagen blev identificeret med tråd-strømningsvisualisering (tuft flow visualization): en kraftig hvirvel, der rullede over vingespidsen og fejede indad mod halen ved netop denne nacelle-vinkel. Ingen enkeltstående aerodynamisk løsning (vingefences, nacelle-strakes, hvirvelgeneratorer) løste problemet over hele spektret fra hover til flyvemaskine — belastningerne måtte håndteres som et ægte overgangsspecifikt problem og ikke lappes med en universalløsning.
Rotorspids-hvirvler påvirkede halen ved en specifik overgangshastighed. I helikoptertilstand steg de oscillerende belastninger på den horisontale hales monteringsbeslag med lufthastigheden op til omkring 40 knob, hvorefter de faldt hurtigt — rotorspids-hvirvlerne, som kastes nedad under hover, fejer bagud ind i halens bane netop omkring denne hastighed, når fremadflyvningen begynder, for derefter at gå helt fri af halen ved højere hastigheder.
Test af skalamodeller udvider det samme korridorarbejde til moderne fly. NASA og hærens Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM)-program — en 1/4-skala model med dobbeltrotor af Bell/Boeing V-22 Osprey — har fortsat denne linje af tiltrotor-test for hele konvolutten i National Full-Scale Aerodynamics Complex, årtier efter at XV-15-programmet først definerede korridoren.
Sikkerhedskonvolutten er i sig selv en funktion af nacelle-vinklen. Simuleringsarbejde udført for programmet viste, at et dobbelt motorstop over 85° nacelle-vinkel (dybt inde i helikopter-/overgangstilstand) var den ene fejltilstand, der kunne forårsage farlig bladflapping og belastninger — som kun kunne reddes ved at reducere nacelle-vinklen inden for 5 sekunder. Fuld konvertering fra 95° til 0° kunne udføres på 11 sekunder. Under 85° var der slet ikke behov for nogen særlig redningsaktion. Overgangsregimet har med andre ord sine egne sikkerhedsgrænser, som hover og cruise ikke deler.

2. Tailsitters medfører et relateret, men særskilt problem

En tailsitter foretager overgangen ved at pitche hele flyskroget fra vertikal til horisontal, hvilket betyder, at dens vinge og skrog bevæger sig gennem meget høje indfallsvinkler — langt forbi det punkt, hvor et fastvingefly normalt ville stalle — før flyet er vingebåret. Publiceret vindtunnel-arbejde om tailsitter-aerodynamik har specifikt fokuseret på dette: test af hele flyet (vinge, skrog og stabilisator samlet, ikke kun en isoleret bæreplan) over hele det indfallsvinkelområde, som overgangsmanøvren faktisk bevæger sig igennem. Dette skyldes, at de aerodynamiske kræfter i dette regime er svære at forudsige ud fra teori alene, og de flyvedynamiske modeller, der bruges til at designe overgangscontrolleren, afhænger direkte af disse vindtunnel-data.

Interaktionen mellem propel og vinge komplicerer dette yderligere: ved høj indfallsvinkel og lav lufthastighed afhænger den kraft, propellen inducerer vinkelret på sin trykakse, af indfallsvinkel, lufthastighed, flapudslag og trykkraft på én gang og på en ikke-lineær måde — en sammenhæng, som separate tests af kun propel og kun vinge ikke vil afsløre.

3. Hvad en overgangstestkampagne faktisk kræver

Et ægte konverteringssweep, ikke kun de to yderpunkter. Hover- og cruise-data forudsiger ikke, hvad der sker ved mellemliggende nacelle-vinkler eller pitch-vinkler — XV-15-programmets værste belastninger opstod ved 60° nacelle-vinkel, langt fra begge yderpunkter.
Strømningsvisualisering ved overgangen mellem vinge-nacelle eller vinge-skrog. XV-15's halebelastningsproblem blev kun diagnosticeret ved at sætte tråde (tufting) på den indvendige nacelle og spore, hvor den resulterende hvirvel faktisk bevægede sig hen — kraftdata alene kunne ikke forklare belastningerne.
Overvågning af strukturel belastning på halen og det bageste skrog , ikke kun vingen — for en tiltrotor er rotorvaken, der krydser halen ved specifikke overgangsvinkler, en dokumenteret og ikke-åbenlys fejltilstand.
Dækning af hele det indfallsvinkelområde, som en tailsitters overgangsmanøvre bevæger sig igennem , herunder langt forbi konventionelt stall, da det netop er det regime, overgangscontrolleren skal flyve igennem.
Fremdrift inkluderet i hvert overgangsdatapunkt — propelinducerede off-axis-kræfter under overgangen er en funktion af indfallsvinkel, lufthastighed og trykkraft tilsammen, og kan ikke adskilles fra den aerodynamiske test.

4. Fem fejl, vi ser

Kun at teste hover og cruise og interpolere mellem dem. XV-15-dataene viser, at de værste belastninger kan opstå midt i korridoren, ikke ved nogen af yderpunkterne — interpolation ville have overset det fuldstændigt.
At springe strømningsvisualisering over, fordi vejecellerne "viser et tal." XV-15-teamet fandt kun årsagen til halebelastningerne — en specifik vingespids-hvirvel ved en specifik nacelle-vinkel — gennem tufting; kraftdataene alene fortalte dem, at der var et problem, men ikke hvorfor.
At behandle tailsitter-overgangen som "bare et stort indfallsvinkelsweep" på en isoleret vinge. Interaktionen mellem skrog, stabilisator og propel har alt at sige ved disse vinkler — en polar for en isoleret vinge vil ikke reproducere den adfærd for hele flyet, som overgangscontrolleren har brug for.
At antage, at en enkelt løsning (strakes, fences, hvirvelgeneratorer) vil rydde op i belastningerne over hele korridoren. På XV-15-programmet gjorde løsninger, der hjalp den horisontale hale, belastningerne på den vertikale finne værre — løsninger til konverteringskorridoren skal evalueres over hele konvolutten, ikke kun ved én tilstand.
Ikke at teste fejlkonvolutten, men kun den nominelle. Den nacelle-vinkelafhængige sikkerhedsgrænse, der blev fundet på XV-15 (85° som tærsklen for et dobbelt motorstop, der kunne reddes), kom fra en dedikeret analyse af specifikt overgangsregimet — den ville ikke være dukket op ved test af nominelle tilstande alene.

5. Hvad dette betyder for dit program

Fortæl os om din overgangsmekanisme — tiltrotor eller tailsitter — og din ønskede konverteringskorridor , så sammensætter vi en testkampagne, der dækker hele overgangskonvolutten, ikke kun yderpunkterne for hover og cruise. Relateret læsning: vores hub-artikel om

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

Kilder og noter

XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft vindtunnel-program (Ames 40- by 80-Foot Wind Tunnel, testmål der dækker helikopter gennem overgang til flyvemaskinetilstand op til 170 knob tunnelkapacitet, konceptet med konverteringskorridoren, konvention for nacelle-vinkel på 0° flyvemaskine / 90° helikopter, halebelastning fra vingespids-hvirvler ved 60° nacelle-vinkel diagnosticeret via tuft-visualisering, halepåvirkning fra rotorspids-hvirvler der topper nær 40 knob i helikoptertilstand, sikkerhedstærsklen for dobbelt motorstop ved 85° nacelle-vinkel med et 5-sekunders redningsvindue, og fuld 95°-til-0° konvertering på 11 sekunder): 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).
Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM)-programmets skala og grundlag (1/4-skala af Bell/Boeing V-22 Osprey, isoleret rotor testet i German-Dutch Wind Tunnel, fuldspænds dobbeltrotormodel testet i 40- by 80-foot sektionen af National Full-Scale Aerodynamics Complex hos NASA Ames): NASA Ames Research Center, "Tiltrotor Aeroacoustic Model".
Tailsitter-overgangsaerodynamik (vindtunnel-test af hele flyet over det indfallsvinkelområde, der gennemløbes af overgangsmanøvren, og ikke-lineær kobling af propelinduceret off-axis-kraft med indfallsvinkel, lufthastighed, flapudslag og trykkraft) er i store træk i overensstemmelse med publiceret vindtunnel-forskning for tailsitters; TunnelTechs karakterisering af testtilgangen afspejler vores egen ingeniørpraksis for denne flyklasse.
Vejledning i testmetodologi (fulde konverteringssweeps, strømningsvisualisering ved overgange, overvågning af halestruktur, evaluering af løsninger for hele konvolutten) er TunnelTechs ingeniørpraksis, direkte baseret på de dokumenterede XV-15-resultater ovenfor.

Test af VTOL-overgang for fastvingefly: Tiltrotorer og tailsitters