Aeroelastsuse testimine HALE ja pika lennuajaga mehitamata õhusõidukitele

Pika lennuajaga õhusõiduki maksimaalse tõste- ja takistusjõu suhte saavutamiseks ehitatud tiib on peaaegu definitsiooni järgi paindlik tiib: suur külgsuhe ja minimaalne konstruktsioonikaal on täpselt need, mida ristlemise efektiivsus nõuab, ning mõlemad töötavad otseselt jäikusele vastu. Selle klassi õhusõidukite puhul ei ole tiiva kuju lennul sama, mis joonisel – see paindub ja väändub pidevalt ning see deformatsioon mõjutab aerodünaamikat viisil, mida jäiga tiiva mudel ei suuda esindada.

Aeroelastsus – aerodünaamiliste koormuste, konstruktsiooni paindlikkuse ja lennudünaamika vaheline seos – lakkab olemast selliste õhusõidukite puhul teisejärguline kontroll ja muutub peamiseks projekteerimise aluseks.

1. Mis Heliosega tegelikult juhtus

Kõige selgem ja dokumenteeritum juhtum pärineb NASA-lt endalt. 26. juunil 2003 sattus Heliose prototüübi pika lennuaja konfiguratsioon (HP03) umbes 30 minutit pärast õhkutõusmist atmosfääri turbulentsi. Tiiva V-kuju (dihedraal) – selle otste läbipaine, mis on otsene mõõt selle kohta, kui palju paindlik tiib oli ülespoole paindunud – kasvas ebatavaliselt püsiva 9–12 meetrini (30–40 jalga), mis ületas tunduvalt tavalennule iseloomulikku 3,3–5,1 meetrit (11–17 jalga). NASA uurimine tuvastas, et sellest V-kujust edasi muutus õhusõiduki tangaaživõnkumine dünaamiliselt ebastabiilseks: õhukiiruse hälbed ligikaudu kahekordistusid iga võnketsükliga . Viimases, ninaga allapoole suunatud sööstus ületas õhusõiduk oma maksimaalset projekteeritud õhukiirust enam kui kahekordselt. Sellest tulenev dünaamiline rõhk põhjustas tiiva esiserva sekundaarse konstruktsiooni progresseeruva purunemise, päikesepaneelid ja väliskest rebenesid lahti ning õhusõiduk kaotas võime tekitada tõstejõudu ja kukkus Vaiksesse ookeani. Esimesest katsest probleemi diagnoosida kuni õhusõiduki purunemiseni õhus kulus: 91 sekundit .

2. Miks paindumine toitis ebastabiilsust, mitte ei korrigeerinud seda

NASA õnnetusejärgne analüüs tuvastas mehhanismi ja see on tõeliselt aeroelastne, mitte lihtsalt konstruktsiooni purunemine:

Tõstejõu ümberjaotumine tiivaulatuses. Kui tiib paindus ülespoole, nihkus tõstejõud õhusõiduki keskosast välimiste paneelide poole – ja leiti, et see ümberjaotumine on äärmiselt tundlik isegi nii väikeste tuulepuhangute suhtes nagu 0,15 m/s (0,5 jalga sekundis), mis on palju väiksem kui tegelikult kohatud turbulents.
Iseennast toitev, mitte isekorrigeeriv tsükkel. Juhtimissüsteem reageeris suurenevale V-kujule, kallutades kõrgustüüride tagaservi ülespoole; kuna välimised kõrgustüürid olid fikseeritud, eemaldas see reaktsioon keskosast rohkem tõstejõudu kui otstest – mis surus tiiba veelgi enam suure V-kuju poole, mitte tagasi selle nominaalasendisse.
Suurenev staatiline stabiilsus toitis fugoidset ebastabiilsust. V-kuju kasvades liikus õhusõiduki aerodünaamilise jõu kese raskuskeskmest veelgi kõrgemale, suurendades pikisuunalist staatilist stabiilsust – omadus, mis on tavaliselt rahustav, kuid selle sõiduki puhul leiti, et see suurendas pika perioodiga tangaaživõnkumise ebastabiilsust.
Tangaaži inerts kasvas ligikaudu viiekordselt õnnetuses nähtud V-kuju vahemikus, muutes tiiva paindudes lennurežiimi dünaamikat fundamentaalselt.

Ükski neist ei ole jäiga lennukikere omadus. Need eksisteerivad ainult seetõttu, et tiiva kuju ja õhusõiduki aerodünaamika olid omavahel seotud – mis ongi täpselt see, mida aeroelastsus tähendab.

3. Mida NASA enda uurimuse kohaselt oleks pidanud märkama

Õnnetuse raportis toodud algpõhjused on otseselt seotud sellega, kuidas sellise klassi õhusõidukeid tuleks testida ja projekteerida: piisavate analüüsimeetodite puudumine viis konfiguratsioonimuutuse (kontsentreeritud masside – kütuseelemendi kapsli ja vesinikupaakide – lisamine tiivale, mis oli algselt kavandatud hajutatud koormusega ehk "spanloader" tüüpi) mõjude ebatäpse riskihindamiseni, mis vähendas oluliselt õhusõiduki konstruktsioonilisi ja aeroelastseid varusid, ilma et seda vähenemist oleks eelnevalt õigesti prognoositud.

Uurimise enda tehnilised soovitused hõlmavad sellele sõidukiklassile sobivate maapealsete katseprotseduuride ja -tehnikate väljatöötamist uute analüüsimeetodite ja prognooside valideerimiseks – see on otsene üleskutse füüsilisele testimisele, mitte ainult simulatsioonile, alati, kui projekt erineb oluliselt varasematest lennul tõestatud konfiguratsioonidest.

4. Mida paindliku tiiva aeroelastne katsekampaania tegelikult vajab

Jäikuse järgi skaleeritud mudel, mitte ainult geomeetriliselt skaleeritud. Et aeroelastne käitumine skaleeruks õigesti, peab mudeli konstruktsiooni jäikuse jaotus vastama täissuuruses õhusõidukile, mitte ainult selle väliskujule – geomeetriliselt täpne, kuid liiga jäik mudel lihtsalt varjab seda seost, mille leidmiseks test tehaksegi.
Puhangureaktsiooni testimine, mitte ainult püsiseisundi polaarid. Heliose ebastabiilsuse vallandasid tuulepuhangud suurusjärgus 0,15 m/s (0,5 jalga sekundis) – piisavalt väikesed, et ainult stabiilsed, ilma puhanguteta tuuletunneli andmed poleks seda tundlikkust kunagi paljastanud.
Sünkroniseeritud konstruktsiooniline ja aerodünaamiline mõõteinstrumentatsioon. Tiiva läbipainet, väänet ja dünaamilisi koormusi tuleb mõõta koos jõudude ja momentidega sama katse käigus, et nendevaheline seos saaks jäädvustatud, mitte eraldi tuletatud.
Testimine kõigis massi ja koormusjaotuse konfiguratsioonides, millega õhusõiduk tegelikult lendama hakkab , mitte ainult baasstsenaariumi korral – kontsentreeritud versus hajutatud kasuliku koorma mass muudab aeroelastset varu, nagu Helios otseselt demonstreeris.
Tiiva kuju reaalajas jälgimine testi ajal , peegeldades NASA enda soovitust mõõta V-kuju reaalajas visuaalse ekraani abil – Heliose hävitanud ebastabiilsus oli lennumeeskonnale nähtamatu, kuni olukord oli juba pöördumatu.

5. Viis viga, mida me näeme

Jäikuse käsitlemine konstruktsioonilise kinnitusena, eraldiseisvalt aerodünaamilisest katseprogrammist. Paindliku tiivaga õhusõiduki puhul on konstruktsiooniline ja aerodünaamiline testimine üks ja sama probleem, mitte kaks eraldi asja, mida järjestikku linnukesega märkida.
Testimine ainult stabiilsetes, puhanguteta tingimustes. Konfiguratsioon, mis tundub sujuvas voolus täiesti stabiilne, võib olla tundlik palju väiksemate puhangute suhtes, kui intuitsioon vihjab.
Eeldamine, et konfiguratsioonimuutus on "väike", kuna see ei muuda välist kontuuri. Heliose saatuslik muutus oli massi lisamine, mitte kuju muutmine – ja see vähendas siiski tugevalt õhusõiduki varusid.
Lennujuhtimisseaduse valideerimine jäiga keha mudeli põhjal. Juhtimissüsteem, mis reageerib jäigale lennukikerele õigesti, võib aeroelastset ebastabiilsust aktiivselt halvendada, täpselt nii, nagu tegi kõrgustüüri reaktsioon HP03-2 puhul.
Reaalajas kuju jälgimise vahelejätmine, sest "mudel ei liigu nii palju." Heliose normaalse ja ebastabiilse V-kuju vahelist varu mõõdeti 75-meetrisel (247-jalasel) tiival kümnetes jalgades – see on kõrvalekalle, mida on lihtne alahinnata, kuni see on mõõteriistadega varustatud.

6. Mida see teie programmi jaoks tähendab

Rääkige meile oma tiiva konstruktsioonilisest konfiguratsioonist ja plaanitavatest massimuutustest ning me kavandame jäikuse järgi skaleeritud aeroelastse katsekampaania – sealhulgas puhangureaktsiooni –, mis on loodud tabama seoseid, mis puhtalt aerodünaamilise või puhtalt konstruktsioonilise testi puhul märkamata jääksid. Seotud lugemine: meie koondartikkel teemal

Pikamaa mehitamata õhusõidukite (UAV) aerodünaamilised katsetused

Kõrgustes lendavate HALE-õhusõidukite aerodünaamika

sama õhusõiduki kohta.

Allikad ja märkused

Täielik ülevaade Heliose prototüübi HP03-2 õnnetusest (26. juuni 2003): V-kuju kasv 9–12 meetrini (30–40 jalga) võrreldes normaalse 3,3–5,1 meetriga (11–17 jalga), tangaaživõnkumine koos õhukiiruse hälvete kahekordistumisega iga tsükliga, projekteeritud õhukiiruse ületamine enam kui kahekordselt, progresseeruv konstruktsiooni purunemine, 91 sekundit esimesest diagnoosist kuni purunemiseni, tõstejõu ümberjaotumise tundlikkus tiivaulatuses isegi 0,15 m/s (0,5 ft/sec) puhangute suhtes, kõrgustüüri/V-kuju tagasisideahel, staatilise stabiilsuse versus fugoidse ebastabiilsuse mehhanism, tangaaži inertsi ligikaudu viiekordne kasv, algpõhjused ja soovitus sõidukiklassile sobivate maapealsete katseprotseduuride jaoks: Noll, T.E., Ishmael, S.D., Henwood, B., Perez-Davis, M.E., Tiffany, G.C., Madura, J., Gaier, M., Brown, J.M., Wierzbanowski, T., "Technical Findings, Lessons Learned, and Recommendations Resulting from the Helios Prototype Vehicle Mishap," NASA/Langley, Dryden, Glenn, Ames ja Kennedy uurimiskeskused koos AeroVironment Inc.-iga (NASA Technical Reports Server, dokument 20070022260), viidates täielikule uurimusele: Noll et al., "Investigation of the Helios Prototype Aircraft Mishap," Volume I – Mishap Report, jaanuar 2004.
Õhusõiduki taust (75-meetrine ehk 247-jalane tiivaulatus, külgsuhe 30,9:1, lendtiiva konfiguratsioon): kooskõlas meie avaldatud artikliga HALE kõrgmäestiku aerodünaamikast, mis käsitleb üksikasjalikult sama õhusõiduki aerodünaamilist disaini.
Testimismetoodika soovitused (jäikuse järgi skaleeritud mudelid, puhangureaktsiooni testimine, sünkroniseeritud konstruktsiooniline/aerodünaamiline mõõteinstrumentatsioon, kuju jälgimine reaalajas) on TunnelTech inseneripraktika, mis vastab otseselt viidatud NASA uurimuse maapealsete testide soovitustele.

Aeroelastsus ja puhangureaktsioon pika lennuajaga ja suure külgsuhtega tiibade puhul