VTOL-Transitionstests: Kipprotor-Flugzeuge und Tailsitter

Ein VTOL-Starrflügler – ob Kipprotor oder Tailsitter – muss zwei völlig unterschiedliche aerodynamische Flugzustände beherrschen: den rotorgestützten Schwebeflug und den flügelgestützten Reiseflug. Keiner dieser beiden Flugzustände ist schwer zu testen. Der schwierige Teil ist die Phase dazwischen, in der der Rotor-Nachlauf den Flügel in jedem Winkel von vertikal bis horizontal kreuzt und das Fluggerät weder ein Hubschrauber noch ein Flugzeug ist. Diese Phase hat in der Branche einen Namen – den Konversionskorridor – und erfordert ein eigenes Testprogramm.

1. Der Konversionskorridor ist eine definierte, getestete Flugenveloppe

Das deutlichste dokumentierte Beispiel ist das gemeinsame XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft von NASA und US Army, das im 40- mal 80-Fuß-Windkanal in Ames speziell getestet wurde, um „Flugleistung, Stabilität, Steuerung und strukturelle Belastungen für Flugzustände vom Hubschrauber- über den Transitions- bis zum Flugzeugmodus“ zu bewerten. Das Programm kartierte explizit einen Konversionskorridor – jene Flugzeugkonfigurationen, definiert durch Gondelneigung und Luftgeschwindigkeit, die zwischen den Extremen Hubschrauber und Flugzeug mit laufenden Rotoren sicher geflogen werden können. Die Gondelneigung selbst wird relativ zum Rumpf gemessen: 0° entspricht dem Flugzeugmodus, 90° dem Hubschraubermodus, und jeder Winkel dazwischen stellt eine eigene Transitionskonfiguration dar.

Einige der transitionsspezifischen Erkenntnisse aus diesem Programm:

Der Rotor-Nachlauf belastete das Leitwerk direkt. Am unteren Geschwindigkeitsende der Konversionsenveloppe, bei etwa 60° Gondelneigung, war die Leitwerksstruktur hohen Schwingungsbelastungen ausgesetzt – hoch genug, dass der horizontale Holm seine Dauerfestigkeitsgrenze überschritt. Die Ursache wurde durch Strömungssichtbarmachung mit Wollfäden identifiziert: Ein starker Wirbel, der über die Flügelspitze rollte und bei genau diesem Gondelwinkel nach innen auf das Leitwerk traf. Keine einzelne aerodynamische Anpassung (Grenzschichtzäune, Gondel-Strakes, Wirbelgeneratoren) löste das Problem über den gesamten Bereich vom Schwebeflug bis zum Flugzeugmodus – die Belastungen mussten als echtes transitionsspezifisches Problem behandelt und konnten nicht mit einer Universallösung behoben werden.
Rotorblattspitzenwirbel regten das Leitwerk bei einer bestimmten Transitions-Luftgeschwindigkeit an. Im Hubschraubermodus stiegen die oszillierenden Belastungen an den Befestigungsösen des Höhenleitwerks mit zunehmender Luftgeschwindigkeit bis auf etwa 40 Knoten an und fielen darüber hinaus rapide ab – die im Schwebeflug nach unten abgelösten Rotorblattspitzenwirbel wandern bei Beginn des Vorwärtsflugs genau bei dieser Geschwindigkeit nach hinten in die Bahn des Leitwerks und verfehlen das Leitwerk bei höheren Geschwindigkeiten dann vollständig.
Tests mit maßstabsgetreuen Modellen übertragen dieselbe Korridorarbeit auf moderne Flugzeuge. Das Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM)-Programm von NASA und US Army – ein Doppelrotormodell der Bell/Boeing V-22 Osprey im Maßstab 1:4 – hat diese Art von Kipprotor-Tests über die gesamte Enveloppe im National Full-Scale Aerodynamics Complex fortgesetzt, Jahrzehnte nachdem das XV-15-Programm den Korridor erstmals definiert hatte.
Die Sicherheitsenveloppe selbst ist eine Funktion des Gondelwinkels. Simulationsarbeiten für das Programm ergaben, dass ein Ausfall beider Triebwerke bei einer Gondelneigung von über 85° (tief im Hubschrauber-/Transitionsmodus) der einzige Fehlerzustand war, der gefährliches Blattflappen und hohe Belastungen verursachen konnte – abfangbar nur durch eine Reduzierung der Gondelneigung innerhalb von 5 Sekunden. Die vollständige Konversion von 95° auf 0° konnte in 11 Sekunden durchgeführt werden. Unterhalb von 85° waren überhaupt keine speziellen Abfangmaßnahmen erforderlich. Mit anderen Worten: Der Transitionsbereich hat seine eigenen Sicherheitsgrenzen, die im Schwebe- und Reiseflug nicht vorkommen.

2. Tailsitter bringen ein verwandtes, aber eigenständiges Problem mit sich

Ein Tailsitter vollzieht die Transition, indem er die gesamte Flugzeugzelle von der Vertikalen in die Horizontale neigt. Das bedeutet, dass Flügel und Rumpf sehr hohe Anstellwinkel durchlaufen – weit über den Punkt hinaus, an dem ein Starrflügler normalerweise einen Strömungsabriss erleiden würde –, bevor das Flugzeug flügelgestützt fliegt. Veröffentlichte Windkanal-Studien zur Tailsitter-Aerodynamik haben genau dies ins Visier genommen: das Testen des gesamten Flugzeugs (Flügel, Rumpf und Leitwerk zusammen, nicht nur ein isoliertes Tragflächenprofil) über den kompletten Anstellwinkelbereich, den das Transitionsmanöver tatsächlich durchläuft. Die aerodynamischen Kräfte in diesem Bereich sind allein aus der Theorie schwer vorherzusagen, und die flugdynamischen Modelle, die zur Auslegung des Transitionsreglers verwendet werden, hängen direkt von diesen Windkanal-Daten ab.

Die Interaktion zwischen Propeller und Flügel verschärft dies: Bei hohem Anstellwinkel und niedriger Luftgeschwindigkeit hängt die Kraft, die der Propeller senkrecht zu seiner Schubachse induziert, gleichzeitig und nichtlinear von Anstellwinkel, Luftgeschwindigkeit, Klappenausschlag und Schub ab – ein Zusammenhang, den separate Tests nur für den Propeller und nur für den Flügel nicht aufdecken können.

3. Was eine Transitions-Testkampagne wirklich erfordert

Einen echten Konversionsdurchlauf, nicht nur die beiden Endpunkte. Daten aus dem Schwebe- und Reiseflug lassen keine Rückschlüsse darauf zu, was bei mittleren Gondelwinkeln oder Nicklagen passiert – die schlimmsten Belastungen im XV-15-Programm traten bei 60° Gondelneigung auf, also weit entfernt von beiden Extremen.
Strömungssichtbarmachung am Übergang zwischen Flügel und Gondel oder Flügel und Rumpf. Das Problem der Leitwerksbelastung bei der XV-15 wurde nur diagnostiziert, indem die innere Gondel mit Wollfäden versehen und verfolgt wurde, wohin der resultierende Wirbel tatsächlich wanderte – Kraftdaten allein konnten die Belastungen nicht erklären.
Überwachung der strukturellen Belastung am Leitwerk und am hinteren Rumpf , nicht nur am Flügel – bei einem Kipprotor ist der Rotor-Nachlauf, der das Leitwerk bei bestimmten Transitionswinkeln kreuzt, ein dokumentierter und nicht offensichtlicher Fehlermodus.
Abdeckung des gesamten Anstellwinkelbereichs, den das Transitionsmanöver eines Tailsitters durchläuft , einschließlich weit jenseits des konventionellen Strömungsabrisses, da genau dies der Bereich ist, den der Transitionsregler durchfliegen muss.
Einbeziehung des Antriebs in jeden Transitions-Datenpunkt – propellerinduzierte außeraxiale Kräfte während der Transition sind eine Funktion von Anstellwinkel, Luftgeschwindigkeit und Schub zusammen und lassen sich nicht vom aerodynamischen Test trennen.

4. Fünf Fehler, die wir beobachten

Nur Schwebeflug und Reiseflug testen und dazwischen interpolieren. Die XV-15-Daten zeigen, dass die schlimmsten Belastungen in der Mitte des Korridors auftreten können, nicht an den Endpunkten – eine Interpolation hätte dies völlig übersehen.
Verzicht auf Strömungssichtbarmachung, weil die Kraftmessdosen „eine Zahl anzeigen“. Das XV-15-Team fand die Ursache für die Leitwerksbelastungen – einen spezifischen Flügelspitzenwirbel bei einem bestimmten Gondelwinkel – nur durch Wollfäden heraus; die Kraftdaten allein zeigten nur, dass es ein Problem gab, aber nicht warum.
Die Tailsitter-Transition als „nur einen großen Anstellwinkel-Durchlauf“ an einem isolierten Flügel behandeln. Die Interaktion von Rumpf, Leitwerk und Propeller ist bei diesen Winkeln von entscheidender Bedeutung – die Polare eines isolierten Flügels kann das Verhalten des gesamten Flugzeugs, das der Transitionsregler benötigt, nicht reproduzieren.
Die Annahme, dass eine einzige Anpassung (Strakes, Grenzschichtzäune, Wirbelgeneratoren) die Belastungen im gesamten Korridor beseitigt. Beim XV-15-Programm verschlimmerten Anpassungen, die dem Höhenleitwerk halfen, die Belastungen der Seitenflosse – Lösungen für den Transitionskorridor müssen über die gesamte Enveloppe hinweg bewertet werden, nicht nur unter einer Bedingung.
Die Fehlerenveloppe nicht testen, sondern nur die nominale. Die bei der XV-15 gefundene gondelwinkelabhängige Sicherheitsgrenze (85° als Schwellenwert für einen abfangbaren Ausfall beider Triebwerke) stammte aus einer gezielten Analyse speziell des Transitionsbereichs – sie wäre bei Tests unter reinen Nominalbedingungen nicht aufgefallen.

5. Was das für Ihr Programm bedeutet

Nennen Sie uns Ihren Transitionsmechanismus – Kipprotor oder Tailsitter – und Ihren angestrebten Konversionskorridor , und wir konzipieren eine Testkampagne, die die gesamte Transitionsenveloppe abdeckt, nicht nur die Endpunkte Schwebeflug und Reiseflug. Weiterführende Lektüre: unser Übersichtsartikel zu

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Quellen und Anmerkungen

Windkanalprogramm des XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft (Ames 40- mal 80-Fuß-Windkanal, Testziele umfassten Hubschrauber- über Transitions- bis Flugzeugmodus bis zu einer Kanalkapazität von 170 Knoten, das Konzept des Konversionskorridors, die Konvention der Gondelneigung von 0° Flugzeug / 90° Hubschrauber, Leitwerksbelastung durch Flügelspitzenwirbel bei 60° Gondelneigung, diagnostiziert durch Wollfaden-Sichtbarmachung, Leitwerksanregung durch Rotorblattspitzenwirbel mit einem Spitzenwert bei etwa 40 Knoten im Hubschraubermodus, die Sicherheitsschwelle für den Ausfall beider Triebwerke bei 85° Gondelneigung mit einem 5-Sekunden-Zeitfenster zum Abfangen sowie die vollständige Konversion von 95° auf 0° in 11 Sekunden): 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, Dokument 19800015802).
Maßstab und Basis des Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM)-Programms (Maßstab 1:4 der Bell/Boeing V-22 Osprey, isolierter Rotor getestet im Deutsch-Niederländischen Windkanal, Doppelrotormodell mit voller Spannweite getestet in der 40- mal 80-Fuß-Sektion des National Full-Scale Aerodynamics Complex bei NASA Ames): NASA Ames Research Center, „Tiltrotor Aeroacoustic Model“.
Tailsitter-Transitionsaerodynamik (Windkanaltests des gesamten Flugzeugs über den vom Transitionsmanöver durchlaufenen Anstellwinkelbereich sowie die nichtlineare Kopplung der propellerinduzierten außeraxialen Kraft mit Anstellwinkel, Luftgeschwindigkeit, Klappenausschlag und Schub) stimmt weitgehend mit veröffentlichter Tailsitter-Windkanalforschung überein; die Charakterisierung des Testansatzes durch TunnelTech spiegelt unsere eigene Ingenieurspraxis für diese Flugzeugklasse wider.
Leitfaden zur Testmethodik (vollständige Konversionsdurchläufe, Strömungssichtbarmachung an Übergängen, strukturelle Überwachung des Leitwerks, Bewertung von Anpassungen über die gesamte Enveloppe) entspricht der Ingenieurspraxis von TunnelTech, die direkt auf den oben dokumentierten XV-15-Erkenntnissen basiert.

VTOL-Transitionstests für Starrflügler: Kipprotor-Flugzeuge und Tailsitter