Pruebas de transición VTOL: tiltrotors y tailsitters

Una aeronave VTOL de ala fija —ya sea tiltrotor o tailsitter— tiene que volar en dos regímenes aerodinámicos completamente distintos: el vuelo estacionario sustentado por rotores y el vuelo de crucero sustentado por las alas. Ninguno de estos regímenes es la parte difícil de probar. La parte difícil es la fase intermedia, donde la estela del rotor cruza el ala en todos los ángulos desde la vertical hasta la horizontal y la aeronave no es ni un helicóptero ni un avión. Esa fase tiene un nombre en la industria —el corredor de conversión — y exige su propio programa de pruebas.

1. El corredor de conversión es una envolvente de vuelo definida y probada

La ilustración más clara registrada es la del XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft conjunto de la NASA y el Ejército, probado en el túnel de viento (Ames 40- by 80-Foot Wind Tunnel) específicamente para evaluar "el rendimiento, la estabilidad, el control y las cargas estructurales de la aeronave para los modos de vuelo desde helicóptero, pasando por la transición, hasta el modo avión". El programa trazó explícitamente un corredor de conversión : las configuraciones de la aeronave, definidas por la incidencia de la góndola y la velocidad del aire, que son seguras para volar con los rotores encendidos entre los extremos de helicóptero y avión. La incidencia de la góndola en sí se mide en relación con el fuselaje: 0° es el modo avión, 90° es el modo helicóptero, y cada ángulo intermedio es una configuración de transición distinta.

Algunos de los hallazgos específicos de la transición de ese programa:

La estela del rotor cargaba directamente la cola. En el extremo de baja velocidad de la envolvente de conversión, en torno a los 60° de incidencia de la góndola, la estructura de la cola experimentó altas cargas vibratorias, lo suficientemente altas como para que el larguero horizontal superara su límite de diseño de vida infinita. La causa se identificó mediante la visualización del flujo con hilos (tufts): un fuerte vórtice que rodaba sobre la punta del ala y se desplazaba hacia el interior sobre la cola en ese ángulo específico de la góndola. Ninguna solución aerodinámica individual (escuadras de ala, aletas de góndola, generadores de vórtices) lo resolvió en todo el rango desde el vuelo estacionario hasta el modo avión; las cargas tuvieron que gestionarse como un auténtico problema específico de la transición, no parchearse con una solución única.
Los vórtices de punta de rotor excitaron la cola a una velocidad de transición específica. En el modo helicóptero, las cargas oscilatorias en las orejetas de fijación de la cola horizontal aumentaron con la velocidad del aire hasta unos 40 nudos, y luego cayeron rápidamente por encima de esta; los vórtices de punta de rotor, desprendidos hacia abajo en vuelo estacionario, se desplazan hacia atrás en la trayectoria de la cola específicamente alrededor de esa velocidad a medida que comienza el vuelo de avance, y luego despejan la cola por completo a mayor velocidad.
Las pruebas con modelos a escala amplían el mismo trabajo del corredor a las aeronaves modernas. El programa Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM) de la NASA y el Ejército —un modelo de doble rotor a escala 1/4 del Bell/Boeing V-22 Osprey— ha continuado esta línea de pruebas de tiltrotor de envolvente completa en el National Full-Scale Aerodynamics Complex, décadas después de que el programa XV-15 definiera por primera vez el corredor.
La envolvente de seguridad es en sí misma una función del ángulo de la góndola. El trabajo de simulación realizado para el programa descubrió que un fallo de motor doble por encima de los 85° de incidencia de la góndola (en pleno modo helicóptero/transición) era la única condición de fallo que podía producir un flameo de palas y cargas peligrosas, recuperable únicamente reduciendo la incidencia de la góndola en un plazo de 5 segundos. La conversión completa de 95° a 0° podía ejecutarse en 11 segundos. Por debajo de 85°, no se requería ninguna acción de recuperación especial. El régimen de transición, en otras palabras, tiene sus propios límites de seguridad que el vuelo estacionario y el de crucero no comparten.

2. Los tailsitters presentan un problema relacionado pero distinto

Un tailsitter realiza la transición cabeceando todo el fuselaje de vertical a horizontal, lo que significa que su ala y fuselaje barren ángulos de ataque muy altos —muy por encima de donde una aeronave de ala fija entraría normalmente en pérdida— antes de que la aeronave se sustente en las alas. Los trabajos publicados sobre aerodinámica de tailsitters en el túnel de viento se han centrado específicamente en esto: probar la aeronave completa (ala, fuselaje y estabilizador juntos, no solo un perfil aerodinámico aislado) en todo el rango de ángulos de ataque que la maniobra de transición barre realmente, porque las fuerzas aerodinámicas en este régimen son difíciles de predecir solo a partir de la teoría y los modelos de dinámica de vuelo utilizados para diseñar el controlador de transición dependen directamente de esos datos del túnel de viento.

La interacción hélice-ala agrava esta situación: con un alto ángulo de ataque y baja velocidad del aire, la fuerza que la hélice induce perpendicularmente a su eje de empuje depende del ángulo de ataque, la velocidad del aire, la deflexión de los flaps y el empuje de forma simultánea y no lineal; no es una relación que revelen las pruebas separadas de la hélice sola y el ala sola.

3. Lo que realmente necesita una campaña de pruebas de transición

Un verdadero barrido de conversión, no solo los dos puntos extremos. Los datos de vuelo estacionario y de crucero no predicen lo que ocurre en ángulos de góndola o actitudes de cabeceo intermedios; las peores cargas del programa XV-15 aparecieron a 60° de incidencia de la góndola, muy lejos de cualquiera de los extremos.
Visualización del flujo en la unión ala-góndola o ala-fuselaje. El problema de carga en la cola del XV-15 solo se diagnosticó colocando hilos (tufting) en la góndola interior y rastreando hacia dónde iba realmente el vórtice resultante; los datos de fuerza por sí solos no explicaban las cargas.
Monitorización de cargas estructurales en la cola y el fuselaje trasero , no solo en el ala: para un tiltrotor, la estela del rotor que cruza la cola en ángulos de transición específicos es un modo de fallo documentado y nada obvio.
Cobertura de todo el rango de ángulos de ataque que barre la maniobra de transición de un tailsitter , incluyendo mucho más allá de la pérdida convencional, ya que ese es precisamente el régimen a través del cual tiene que volar el controlador de transición.
Propulsión incluida en cada punto de datos de transición : las fuerzas fuera del eje inducidas por la hélice durante la transición son una función conjunta del ángulo de ataque, la velocidad del aire y el empuje, y no se pueden separar de la prueba aerodinámica.

4. Cinco errores que observamos

Probar solo el vuelo estacionario y el de crucero e interpolar entre ellos. Los datos del XV-15 muestran que las peores cargas pueden aparecer en el medio del corredor, no en ninguno de los extremos; la interpolación lo habría pasado por alto por completo.
Omitir la visualización del flujo porque las células de carga "muestran un número". El equipo del XV-15 solo encontró la causa de las cargas en la cola —un vórtice específico en la punta del ala a un ángulo específico de la góndola— mediante el uso de hilos (tufting); los datos de fuerza por sí solos les indicaron que había un problema, pero no el porqué.
Tratar la transición del tailsitter como "solo un gran barrido de ángulo de ataque" en un ala aislada. La interacción del fuselaje, el estabilizador y la hélice son importantes en estos ángulos; una polar de ala aislada no reproducirá el comportamiento de la aeronave completa que necesita el controlador de transición.
Asumir que una única solución (aletas, escuadras, generadores de vórtices) limpiará las cargas en todo el corredor. En el programa XV-15, las soluciones que ayudaron a la cola horizontal empeoraron las cargas de la aleta vertical; las soluciones para el corredor de transición deben evaluarse en toda la envolvente, no en una sola condición.
No probar la envolvente de fallos, solo la nominal. El límite de seguridad dependiente del ángulo de la góndola encontrado en el XV-15 (85° como umbral para un fallo de motor doble recuperable) provino de un análisis dedicado específicamente al régimen de transición; no habría aparecido solo en las pruebas de condiciones nominales.

5. Lo que esto significa para su programa

Indíquenos su mecanismo de transición —tiltrotor o tailsitter— y su corredor de conversión objetivo , y diseñaremos una campaña de pruebas que barra toda la envolvente de transición, no solo sus puntos extremos de vuelo estacionario y crucero. Lectura relacionada: nuestro artículo principal sobre

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Fuentes y notas

Programa del túnel de viento del XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft (Ames 40- by 80-Foot Wind Tunnel, objetivos de prueba que abarcan desde el modo helicóptero hasta el modo avión pasando por la transición con una capacidad del túnel de hasta 170 nudos, el concepto de corredor de conversión, la convención de incidencia de la góndola de 0° avión / 90° helicóptero, la carga en la cola por vórtices de punta de ala a 60° de incidencia de la góndola diagnosticada mediante visualización con hilos, la excitación de la cola por vórtices de punta de rotor que alcanza su punto máximo cerca de los 40 nudos en modo helicóptero, el umbral de seguridad de fallo de motor doble a 85° de incidencia de la góndola con una ventana de recuperación de 5 segundos, y la conversión completa de 95° a 0° en 11 segundos): 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).
Escala y base del programa Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM) (escala 1/4 del Bell/Boeing V-22 Osprey, rotor aislado probado en el túnel de viento germano-holandés, modelo de doble rotor de envergadura completa probado en la sección de 40 por 80 pies del National Full-Scale Aerodynamics Complex en NASA Ames): NASA Ames Research Center, "Tiltrotor Aeroacoustic Model".
La aerodinámica de transición de los tailsitters (pruebas en el túnel de viento de la aeronave completa en todo el rango de ángulos de ataque barrido por la maniobra de transición, y el acoplamiento no lineal de la fuerza fuera del eje inducida por la hélice con el ángulo de ataque, la velocidad del aire, la deflexión de los flaps y el empuje) es en gran medida coherente con la investigación publicada sobre túneles de viento para tailsitters; la caracterización del enfoque de pruebas por parte de TunnelTech refleja nuestra propia práctica de ingeniería para esta clase de aeronaves.
La orientación sobre la metodología de pruebas (barridos de conversión completos, visualización del flujo en las uniones, monitorización estructural de la cola, evaluación de soluciones en toda la envolvente) es una práctica de ingeniería de TunnelTech, directamente fundamentada en los hallazgos documentados del XV-15 mencionados anteriormente.

Pruebas de transición para VTOL de ala fija: tiltrotors y tailsitters