VTOL-õhusõidukite üleminekufaasi testimine: kaldrootorid ja sabal maandujad

Fikseeritud tiivaga VTOL-õhusõiduk — kaldrootor (tiltrotor) või sabal maanduja (tailsitter) — peab lendama kahes täiesti erinevas aerodünaamilises režiimis: rootoritel põhinev hõljumine ja tiibadel põhinev matklend. Kumbki neist režiimidest ei ole testimise seisukohalt keeruline. Keeruline on nendevaheline faas, kus rootori järelvool ületab tiiba iga nurga all vertikaalsest horisontaalseni ning õhusõiduk ei ole ei kopter ega lennuk. Selles tööstusharus on sellel faasil oma nimi — üleminekukoridor (conversion corridor) — ja see nõuab eraldi testprogrammi.

1. Üleminekukoridor on määratletud ja testitud lennuümbris

Kõige selgem teadaolev näide on NASA ja USA armee ühine XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft , mida testiti Amesi 40 × 80 jala suuruses tuuletunnelis spetsiaalselt selleks, et hinnata "õhusõiduki jõudlust, stabiilsust, juhitavust ja struktuurseid koormusi lennurežiimides alates kopterist kuni ülemineku- ja lennukirežiimini". Programm kaardistas selgesõnaliselt üleminekukoridori — õhusõiduki konfiguratsioonid, mis on määratletud mootorigondli kalde ja õhukiirusega ning millega on ohutu lennata töötavate rootoritega kopteri ja lennuki äärmuste vahel. Mootorigondli kallet ennast mõõdetakse kere suhtes: 0° on lennukirežiim, 90° on kopterirežiim ja iga nurk nende vahel on eraldiseisev üleminekukonfiguratsioon.

Selle programmi mõned spetsiifilised üleminekufaasi leiud:

Rootori järelvool koormas otseselt saba. Üleminekuümbrise madala kiirusega osas, umbes 60° mootorigondli kalde juures, koges sabastruktuur suuri vibratsioonikoormusi — piisavalt suuri, et horisontaalne tala ületas oma lõpmatu eluea projekteerimispiiri. Põhjus tuvastati vooluse visualiseerimisel tupsude abil: tugev keeris, mis rullus üle tiivaotsa ja liikus sissepoole sabale just selle spetsiifilise gondli nurga all. Ükski üksik aerodünaamiline lahendus (tiivaharjad, gondli suunajad, keerisegeneraatorid) ei lahendanud seda kogu hõljumisest lennukini ulatuvas vahemikus — koormusi tuli hallata kui tõelist üleminekuspetsiifilist probleemi, mitte lappida universaalse lahendusega.
Rootori otsakeerised ergastasid saba spetsiifilisel ülemineku õhukiirusel. Kopterirežiimis tõusid horisontaalsaba kinnituskõrvade võnkuvad koormused koos õhukiirusega kuni umbes 40 sõlmeni ja langesid seejärel kiiresti — rootori otsakeerised, mis hõljumisel liiguvad allapoole, pühivad edasilennu alguses just selle kiiruse juures tahapoole saba teele ning mööduvad sabast täielikult alles suuremal kiirusel.
Mõõtkavamudelite testimine laiendab sama koridoritööd kaasaegsetele õhusõidukitele. NASA ja armee TRAM (Tilt Rotor Aeroacoustic Model) programm — Bell/Boeing V-22 Osprey 1/4 mõõtkavas kahe rootoriga mudel — on jätkanud seda täisümbrisega kaldrootorite testimise suunda riiklikus täismõõtmelises aerodünaamikakompleksis (National Full-Scale Aerodynamics Complex) aastakümneid pärast seda, kui XV-15 programm koridori esmakordselt määratles.
Ohutusümbris on ise mootorigondli nurga funktsioon. Programmi raames tehtud simulatsioonitööd näitasid, et kahe mootori rike üle 85° gondli kalde juures (sügaval kopteri-/üleminekurežiimis) oli ainus rikkeseisund, mis võis põhjustada ohtlikku labade laperdamist ja koormusi — millest taastumine oli võimalik vaid gondli kalde vähendamisega 5 sekundi jooksul. Täielik üleminek 95° pealt 0° peale oli teostatav 11 sekundiga. Alla 85° polnud mingeid erilisi taastumismeetmeid üldse vaja. Teisisõnu, üleminekurežiimil on oma ohutuspiirid, mida hõljumine ja matklend ei jaga.

2. Sabal maandujatel (tailsitter) on sarnane, kuid eraldiseisev probleem

Sabal maanduja teeb ülemineku, kallutades kogu lennukikere vertikaalsest horisontaalseks, mis tähendab, et selle tiib ja kere läbivad väga suuri kohtumisnurki — palju kaugemale punktist, kus fikseeritud tiivaga õhusõiduk tavaliselt variseks (stall) —, enne kui õhusõiduk hakkab tiibadel lendama. Avaldatud tuuletunneli uuringud sabal maandujate aerodünaamika kohta on keskendunud just sellele: kogu õhusõiduki (tiib, kere ja stabilisaator koos, mitte ainult isoleeritud tiivaprofiil) testimisele kogu kohtumisnurkade vahemikus, mida üleminekumanööver tegelikult läbib, sest aerodünaamilisi jõude selles režiimis on pelgalt teooria põhjal raske ennustada ning üleminekukontrolleri projekteerimiseks kasutatavad lennudünaamika mudelid sõltuvad otseselt nendest tuuletunneli andmetest.

Propelleri ja tiiva vastastikmõju teeb selle veelgi keerulisemaks: suure kohtumisnurga ja madala õhukiiruse korral sõltub jõud, mille propeller indutseerib oma tõukejõu teljega risti, samaaegselt ja mittelineaarselt kohtumisnurgast, õhukiirusest, tagatiiva (flap) asendist ja tõukejõust — see ei ole seos, mida eraldiseisvad propelleri ja tiiva testid paljastaksid.

3. Mida ülemineku testikampaania tegelikult vajab

Tõelist üleminekuvahemiku läbimist, mitte ainult kahte lõpp-punkti. Hõljumise ja matklennu andmed ei ennusta, mis juhtub vahepealsete gondli nurkade või tangaažinurkade juures — XV-15 programmi suurimad koormused ilmnesid 60° gondli kalde juures, mis ei asu kummagi äärmuse lähedal.
Vooluse visualiseerimist tiiva-gondli või tiiva-kere ühenduskohas. XV-15 saba koormuse probleem diagnoositi alles sisemise gondli tupsutamisega ja jälgides, kuhu tekkiv keeris tegelikult liikus — pelgalt jõuandmed koormusi ei selgitanud.
Struktuurse koormuse jälgimist sabal ja tagakere osas , mitte ainult tiival — kaldrootori puhul on rootori järelvoolu liikumine üle saba spetsiifiliste üleminekunurkade juures dokumenteeritud ja mitte-ilmne rikkerežiim.
Sabal maanduja üleminekumanöövri kogu kohtumisnurkade vahemiku katmist , sealhulgas kaugele üle tavapärase varisemispiiri, kuna just see on režiim, mille üleminekukontroller peab läbima.
Käitursüsteemi kaasamist igasse ülemineku andmepunkti — propelleri indutseeritud teljevälised jõud ülemineku ajal on kohtumisnurga, õhukiiruse ja tõukejõu ühine funktsioon, mida ei saa aerodünaamilisest testist eraldada.

4. Viis viga, mida me näeme

Ainult hõljumise ja matklennu testimine ning nendevaheline interpoleerimine. XV-15 andmed näitavad, et suurimad koormused võivad ilmneda koridori keskel, mitte kummaski lõpp-punktis — interpoleerimine oleks selle täielikult kahe silma vahele jätnud.
Vooluse visualiseerimise vahelejätmine, sest jõuandurid "näitavad numbrit." XV-15 meeskond leidis saba koormuste põhjuse — spetsiifilise tiivaotsa keerise spetsiifilise gondli nurga all — ainult tupsutamise abil; jõuandmed üksi ütlesid neile, et probleem on olemas, kuid mitte miks.
Sabal maanduja ülemineku käsitlemine kui "lihtsalt suurt kohtumisnurga vahemikku" isoleeritud tiival. Kere, stabilisaatori ja propelleri vastastikmõju on nende nurkade juures oluline — isoleeritud tiiva polaar ei taasesita kogu õhusõiduki käitumist, mida üleminekukontroller vajab.
Eeldamine, et üks lahendus (suunajad, tiivaharjad, keerisegeneraatorid) eemaldab koormused kogu koridori ulatuses. XV-15 programmi puhul muutsid horisontaalsaba aidanud lahendused vertikaalkiilu koormused hullemaks — üleminekukoridori lahendusi tuleb hinnata kogu lennuümbrise ulatuses, mitte ainult ühes tingimuses.
Rikkeümbrise testimata jätmine, testides ainult nominaalset. XV-15 puhul leitud gondli nurgast sõltuv ohutuspiir (85° kui taastuva kahe mootori rikke lävi) tulenes spetsiaalselt üleminekurežiimi pühendatud analüüsist — see poleks ilmnenud ainult nominaaltingimuste testimisel.

5. Mida see teie programmi jaoks tähendab

Öelge meile oma üleminekumehhanism — kaldrootor või sabal maanduja — ja teie siht-üleminekukoridor , ning me kavandame testikampaania, mis katab kogu üleminekuümbrise, mitte ainult selle hõljumise ja matklennu lõpp-punkte. Seotud lugemine: meie koondartikkel teemal

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

Allikad ja märkused

XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft tuuletunneli programm (Amesi 40 × 80 jala suurune tuuletunnel, testieesmärgid hõlmasid kopterirežiimist üleminekut lennukirežiimile kuni tunneli võimekuseni 170 sõlme, üleminekukoridori kontseptsioon, gondli kalde konventsioon 0° lennuk / 90° kopter, saba koormus tiivaotsa keeristest 60° gondli kalde juures, mis diagnoositi tupsude visualiseerimise abil, rootori otsakeerise saba ergastuse haripunkt kopterirežiimis 40 sõlme lähedal, kahe mootori rikke ohutuslävi 85° gondli kalde juures koos 5-sekundilise taastumisaknaga ning täielik 95° kuni 0° üleminek 11 sekundiga): 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) programmi mõõtkava ja alus (Bell/Boeing V-22 Osprey 1/4 mõõtkavas, isoleeritud rootorit testiti Saksa-Hollandi tuuletunnelis, täisulatusega kahe rootoriga mudelit testiti NASA Amesi riikliku täismõõtmelise aerodünaamikakompleksi 40 × 80 jala suuruses sektsioonis): NASA Ames Research Center, "Tiltrotor Aeroacoustic Model".
Sabal maandujate ülemineku aerodünaamika (kogu õhusõiduki tuuletunneli testimine kogu kohtumisnurkade vahemikus, mida üleminekumanööver läbib, ning propelleri indutseeritud teljevälise jõu mittelineaarne seos kohtumisnurga, õhukiiruse, tagatiiva asendi ja tõukejõuga) on laias laastus kooskõlas avaldatud sabal maandujate tuuletunneli uuringutega; TunnelTech'i testimisviisi iseloomustus peegeldab meie enda inseneripraktikat selle õhusõidukiklassi puhul.
Testimismetoodika juhised (täielikud üleminekuvahemiku läbimised, ühenduskohtade vooluse visualiseerimine, saba struktuuri jälgimine, täisümbrise lahenduste hindamine) on TunnelTech'i inseneripraktika, mis tugineb otseselt ülaltoodud dokumenteeritud XV-15 leidudele.

Fikseeritud tiivaga VTOL-õhusõidukite üleminekufaasi testimine: kaldrootorid ja sabal maandujad