Δοκιμές Μετάβασης VTOL: Tiltrotors και Tailsitters

Ένα αεροσκάφος VTOL σταθερής πτέρυγας — tiltrotor ή tailsitter — πρέπει να πετάξει σε δύο εντελώς διαφορετικά αεροδυναμικά καθεστώτα: την αιώρηση με στροφεία και την πορεία με πτέρυγες. Κανένα από αυτά τα καθεστώτα δεν είναι το δύσκολο κομμάτι των δοκιμών. Το δύσκολο κομμάτι είναι η φάση μεταξύ τους, όπου ο ομόρρους του στροφείου διασχίζει την πτέρυγα σε κάθε γωνία από την κατακόρυφη έως την οριζόντια και το αεροσκάφος δεν είναι ούτε ελικόπτερο ούτε αεροπλάνο. Αυτή η φάση έχει ένα όνομα στη βιομηχανία — ο διάδρομος μετατροπής (conversion corridor) — και απαιτεί το δικό της πρόγραμμα δοκιμών.

1. Ο διάδρομος μετατροπής είναι ένας καθορισμένος, δοκιμασμένος φάκελος πτήσης

Η πιο ξεκάθαρη καταγεγραμμένη απεικόνιση είναι το κοινό Ερευνητικό Αεροσκάφος XV-15 Tilt Rotor της NASA και του Στρατού των ΗΠΑ, το οποίο δοκιμάστηκε στην αεροσήραγγα 40 επί 80 ποδών του Ames ειδικά για την αξιολόγηση «της απόδοσης, της ευστάθειας, του ελέγχου και των δομικών φορτίων του αεροσκάφους για καταστάσεις πτήσης από ελικόπτερο, μέσω της μετάβασης, έως την κατάσταση αεροπλάνου». Το πρόγραμμα χαρτογράφησε ρητά έναν διάδρομο μετατροπής — τις διαμορφώσεις του αεροσκάφους, που καθορίζονται από τη γωνία πρόσπτωσης των ατρακτιδίων (nacelles) και την ταχύτητα αέρα, οι οποίες είναι ασφαλείς για πτήση με ενεργοποιημένα στροφεία μεταξύ των άκρων του ελικοπτέρου και του αεροπλάνου. Η ίδια η γωνία πρόσπτωσης των ατρακτιδίων μετράται σε σχέση με την άτρακτο: 0° είναι η κατάσταση αεροπλάνου, 90° είναι η κατάσταση ελικοπτέρου, και κάθε γωνία ενδιάμεσα αποτελεί μια ξεχωριστή διαμόρφωση μετάβασης.

Ορισμένα από τα ειδικά ευρήματα μετάβασης από αυτό το πρόγραμμα:

Ο ομόρρους του στροφείου φόρτιζε απευθείας την ουρά. Στο άκρο χαμηλής ταχύτητας του φακέλου μετατροπής, σε γωνία πρόσπτωσης ατρακτιδίου περίπου 60°, η δομή της ουράς δέχτηκε υψηλά δονητικά φορτία — αρκετά υψηλά ώστε η οριζόντια δοκός να υπερβεί το όριο σχεδιασμού άπειρης διάρκειας ζωής της. Η αιτία εντοπίστηκε με οπτικοποίηση ροής με νήματα (tuft flow visualization): μια ισχυρή δίνη που κυλούσε πάνω από το ακροπτερύγιο και σάρωνε προς τα μέσα πάνω στην ουρά στη συγκεκριμένη γωνία ατρακτιδίου. Καμία μεμονωμένη αεροδυναμική λύση (wing fences, nacelle strakes, γεννήτριες στροβίλων) δεν το έλυσε σε όλο το εύρος από την αιώρηση έως το αεροπλάνο — τα φορτία έπρεπε να αντιμετωπιστούν ως ένα γνήσιο πρόβλημα ειδικό για τη μετάβαση, και όχι να μπαλωθούν με μια λύση γενικής εφαρμογής.
Οι ακραίοι στρόβιλοι του στροφείου διεγείραν την ουρά σε μια συγκεκριμένη ταχύτητα αέρα μετάβασης. Στην κατάσταση ελικοπτέρου, τα ταλαντωτικά φορτία στα σημεία σύνδεσης της οριζόντιας ουράς αυξάνονταν με την ταχύτητα αέρα έως περίπου τους 40 κόμβους, και στη συνέχεια έπεφταν ραγδαία πάνω από αυτήν — οι ακραίοι στρόβιλοι του στροφείου, που απορρίπτονται προς τα κάτω κατά την αιώρηση, σαρώνουν προς τα πίσω στην πορεία της ουράς ειδικά γύρω από αυτή την ταχύτητα καθώς ξεκινά η εμπρόσθια πτήση, και στη συνέχεια απομακρύνονται εντελώς από την ουρά σε υψηλότερη ταχύτητα.
Οι δοκιμές μοντέλων υπό κλίμακα επεκτείνουν την ίδια εργασία διαδρόμου στα σύγχρονα αεροσκάφη. Το πρόγραμμα Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM) της NASA και του Στρατού — ένα μοντέλο διπλού στροφείου κλίμακας 1/4 του Bell/Boeing V-22 Osprey — συνέχισε αυτή τη γραμμή δοκιμών tiltrotor πλήρους φακέλου στο National Full-Scale Aerodynamics Complex, δεκαετίες αφότου το πρόγραμμα XV-15 καθόρισε για πρώτη φορά τον διάδρομο.
Ο φάκελος ασφαλείας είναι από μόνος του συνάρτηση της γωνίας του ατρακτιδίου. Εργασίες προσομοίωσης που έγιναν για το πρόγραμμα διαπίστωσαν ότι μια βλάβη διπλού κινητήρα πάνω από 85° γωνία πρόσπτωσης ατρακτιδίου (βαθιά στην κατάσταση ελικοπτέρου/μετάβασης) ήταν η μόνη συνθήκη βλάβης που μπορούσε να προκαλέσει επικίνδυνη πτερύγιση (flapping) και φορτία στα πτερύγια — ανακτήσιμη μόνο με τη μείωση της γωνίας πρόσπτωσης του ατρακτιδίου εντός 5 δευτερολέπτων. Η πλήρης μετατροπή από 95° σε 0° μπορούσε να εκτελεστεί σε 11 δευτερόλεπτα. Κάτω από τις 85°, δεν απαιτούνταν καμία απολύτως ειδική ενέργεια ανάκτησης. Το καθεστώς μετάβασης, με άλλα λόγια, έχει τα δικά του όρια ασφαλείας που δεν μοιράζονται η αιώρηση και η πορεία.

2. Τα Tailsitters φέρουν ένα σχετικό αλλά διακριτό πρόβλημα

Ένα tailsitter μεταβαίνει αλλάζοντας την πρόνευση (pitch) ολόκληρου του αεροσκάφους από κατακόρυφη σε οριζόντια, πράγμα που σημαίνει ότι η πτέρυγα και η άτρακτός του σαρώνουν μέσα από πολύ υψηλές γωνίες προσβολής — πολύ πέρα από το σημείο όπου ένα αεροσκάφος σταθερής πτέρυγας θα πάθαινε κανονικά απώλεια στήριξης (stall) — προτού το αεροσκάφος στηριχθεί στις πτέρυγές του. Δημοσιευμένες εργασίες σε αεροσήραγγα σχετικά με την αεροδυναμική των tailsitter έχουν στοχεύσει ειδικά σε αυτό: τη δοκιμή ολόκληρου του αεροσκάφους (πτέρυγα, άτρακτος και σταθερωτής μαζί, όχι μόνο μια απομονωμένη αεροτομή) σε όλο το εύρος της γωνίας προσβολής που πραγματικά σαρώνει ο ελιγμός μετάβασης, επειδή οι αεροδυναμικές δυνάμεις σε αυτό το καθεστώς είναι δύσκολο να προβλεφθούν μόνο από τη θεωρία και τα μοντέλα δυναμικής πτήσης που χρησιμοποιούνται για τον σχεδιασμό του ελεγκτή μετάβασης εξαρτώνται άμεσα από αυτά τα δεδομένα της αεροσήραγγας.

Η αλληλεπίδραση έλικα-πτέρυγας το επιδεινώνει αυτό: σε υψηλή γωνία προσβολής και χαμηλή ταχύτητα αέρα, η δύναμη που επάγει ο έλικας κάθετα στον άξονα ώσης του εξαρτάται από τη γωνία προσβολής, την ταχύτητα αέρα, την απόκλιση των πτερυγίων καμπυλότητας (flaps) και την ώση ταυτόχρονα και μη γραμμικά — μια σχέση που δεν θα αποκαλύψουν οι ξεχωριστές δοκιμές μόνο του έλικα και μόνο της πτέρυγας.

3. Τι πραγματικά χρειάζεται μια εκστρατεία δοκιμών μετάβασης

Μια πραγματική σάρωση μετατροπής, όχι μόνο τα δύο ακραία σημεία. Τα δεδομένα αιώρησης και πορείας δεν προβλέπουν τι συμβαίνει σε ενδιάμεσες γωνίες ατρακτιδίου ή στάσεις πρόνευσης — τα χειρότερα φορτία του προγράμματος XV-15 εμφανίστηκαν σε γωνία πρόσπτωσης ατρακτιδίου 60°, πουθενά κοντά σε κανένα από τα δύο άκρα.
Οπτικοποίηση ροής στην ένωση πτέρυγας-ατρακτιδίου ή πτέρυγας-ατράκτου. Το πρόβλημα φόρτισης της ουράς του XV-15 διαγνώστηκε μόνο με την τοποθέτηση νημάτων (tufting) στο εσωτερικό ατρακτίδιο και την παρακολούθηση του πού πραγματικά πήγε η προκύπτουσα δίνη — τα δεδομένα δυνάμεων από μόνα τους δεν εξηγούσαν τα φορτία.
Παρακολούθηση δομικών φορτίων στην ουρά και την οπίσθια άτρακτο , όχι μόνο στην πτέρυγα — για ένα tiltrotor, ο ομόρρους του στροφείου που διασχίζει την ουρά σε συγκεκριμένες γωνίες μετάβασης είναι μια τεκμηριωμένη, και μη προφανής, λειτουργία αστοχίας.
Κάλυψη ολόκληρου του εύρους γωνίας προσβολής που σαρώνει ο ελιγμός μετάβασης ενός tailsitter , συμπεριλαμβανομένου και πολύ πέρα από τη συμβατική απώλεια στήριξης, καθώς αυτό ακριβώς είναι το καθεστώς μέσα από το οποίο πρέπει να πετάξει ο ελεγκτής μετάβασης.
Η πρόωση να περιλαμβάνεται σε κάθε σημείο δεδομένων μετάβασης — οι επαγόμενες από τον έλικα δυνάμεις εκτός άξονα κατά τη μετάβαση είναι συνάρτηση της γωνίας προσβολής, την ταχύτητα αέρα και την ώση μαζί, και δεν μπορούν να διαχωριστούν από την αεροδυναμική δοκιμή.

4. Πέντε λάθη που βλέπουμε

Δοκιμή μόνο της αιώρησης και της πορείας και παρεμβολή μεταξύ τους. Τα δεδομένα του XV-15 δείχνουν ότι τα χειρότερα φορτία μπορεί να εμφανιστούν στη μέση του διαδρόμου, όχι σε κάποιο από τα ακραία σημεία — η παρεμβολή θα το είχε χάσει εντελώς.
Παράλειψη της οπτικοποίησης ροής επειδή οι δυναμοκυψέλες «δείχνουν έναν αριθμό». Η ομάδα του XV-15 βρήκε την αιτία των φορτίων της ουράς — μια συγκεκριμένη δίνη ακροπτερυγίου σε μια συγκεκριμένη γωνία ατρακτιδίου — μόνο μέσω της χρήσης νημάτων (tufting)· τα δεδομένα δυνάμεων από μόνα τους τους έδειξαν ότι υπήρχε πρόβλημα, όχι το γιατί.
Αντιμετώπιση της μετάβασης του tailsitter ως «απλώς μια μεγάλη σάρωση γωνίας προσβολής» σε μια απομονωμένη πτέρυγα. Η αλληλεπίδραση της ατράκτου, του σταθερωτή και του έλικα έχουν όλα σημασία σε αυτές τις γωνίες — μια πολική καμπύλη απομονωμένης πτέρυγας δεν θα αναπαραγάγει τη συμπεριφορά ολόκληρου του αεροσκάφους που χρειάζεται ο ελεγκτής μετάβασης.
Η υπόθεση ότι μια μεμονωμένη λύση (strakes, fences, γεννήτριες στροβίλων) θα καθαρίσει τα φορτία σε όλο τον διάδρομο. Στο πρόγραμμα XV-15, οι λύσεις που βοήθησαν την οριζόντια ουρά έκαναν τα φορτία του κάθετου σταθερωτή χειρότερα — οι λύσεις του διαδρόμου μετάβασης πρέπει να αξιολογούνται σε όλο τον φάκελο, όχι σε μία μόνο συνθήκη.
Μη δοκιμή του φακέλου βλάβης, παρά μόνο του ονομαστικού. Το όριο ασφαλείας που εξαρτάται από τη γωνία του ατρακτιδίου και βρέθηκε στο XV-15 (85° ως το όριο για μια ανακτήσιμη βλάβη διπλού κινητήρα) προήλθε από ειδική ανάλυση του καθεστώτος μετάβασης συγκεκριμένα — δεν θα είχε εμφανιστεί μόνο με δοκιμές σε ονομαστικές συνθήκες.

5. Τι σημαίνει αυτό για το πρόγραμμά σας

Πείτε μας τον μηχανισμό μετάβασής σας — tiltrotor ή tailsitter — και τον διάδρομο μετατροπής-στόχο σας , και θα σχεδιάσουμε μια εκστρατεία δοκιμών που σαρώνει ολόκληρο τον φάκελο μετάβασης, όχι μόνο τα ακραία σημεία αιώρησης και πορείας. Σχετική ανάγνωση: το κεντρικό μας άρθρο για

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

Πηγές και σημειώσεις

Πρόγραμμα αεροσήραγγας του Ερευνητικού Αεροσκάφους XV-15 Tilt Rotor (Αεροσήραγγα 40 επί 80 ποδών του Ames, στόχοι δοκιμών που καλύπτουν την κατάσταση ελικοπτέρου μέσω της μετάβασης σε κατάσταση αεροπλάνου έως και 170 κόμβους ικανότητας της σήραγγας, η έννοια του διαδρόμου μετατροπής, η σύμβαση γωνίας πρόσπτωσης ατρακτιδίου 0° αεροπλάνο / 90° ελικόπτερο, η φόρτιση της ουράς από τους στρόβιλους ακροπτερυγίου σε γωνία πρόσπτωσης ατρακτιδίου 60° που διαγνώστηκε μέσω οπτικοποίησης με νήματα, η διέγερση της ουράς από τον ακραίο στρόβιλο του στροφείου που κορυφώνεται κοντά στους 40 κόμβους σε κατάσταση ελικοπτέρου, το όριο ασφαλείας βλάβης διπλού κινητήρα σε γωνία πρόσπτωσης ατρακτιδίου 85° με παράθυρο ανάκτησης 5 δευτερολέπτων, και η πλήρης μετατροπή από 95° σε 0° σε 11 δευτερόλεπτα): 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).
Κλίμακα και βάση του προγράμματος Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM) (κλίμακα 1/4 του Bell/Boeing V-22 Osprey, απομονωμένο στροφείο που δοκιμάστηκε στη Γερμανο-Ολλανδική Αεροσήραγγα, μοντέλο διπλού στροφείου πλήρους εκπετάσματος που δοκιμάστηκε στο τμήμα 40 επί 80 ποδών του National Full-Scale Aerodynamics Complex στο NASA Ames): NASA Ames Research Center, "Tiltrotor Aeroacoustic Model".
Η αεροδυναμική μετάβασης των tailsitter (δοκιμές ολόκληρου του αεροσκάφους σε αεροσήραγγα σε όλο το εύρος της γωνίας προσβολής που σαρώνεται από τον ελιγμό μετάβασης, και η μη γραμμική σύζευξη της επαγόμενης από τον έλικα δύναμης εκτός άξονα με τη γωνία προσβολής, την ταχύτητα αέρα, την απόκλιση των flaps και την ώση) είναι σε γενικές γραμμές συνεπής με τη δημοσιευμένη έρευνα αεροσήραγγας για tailsitter· ο χαρακτηρισμός της προσέγγισης δοκιμών από την TunnelTech αντικατοπτρίζει τη δική μας μηχανική πρακτική για αυτή την κατηγορία αεροσκαφών.
Η καθοδήγηση μεθοδολογίας δοκιμών (πλήρεις σαρώσεις μετατροπής, οπτικοποίηση ροής ενώσεων, παρακολούθηση δομής ουράς, αξιολόγηση λύσεων πλήρους φακέλου) αποτελεί μηχανική πρακτική της TunnelTech, άμεσα ενημερωμένη από τα τεκμηριωμένα ευρήματα του XV-15 παραπάνω.

Δοκιμές Μετάβασης VTOL Σταθερής Πτέρυγας: Tiltrotors και Tailsitters