تست انتقال (ترانزیشن) در پهپادهای عمودپرواز (VTOL) بالثابت: تیلتروتورها و تیلسیترها
چرا کریدور انتقال بین هاور و کروز، مسئله تست اختصاصی خود را برای تیلتروتورها و تیلسیترها دارد و برنامه XV-15 چه چیزی را کشف کرد.
یک هواگرد عمودپرواز (VTOL) بالثابت — تیلتروتور یا تیلسیتر — باید در دو رژیم آیرودینامیکی کاملاً متفاوت پرواز کند: پرواز درجا (هاور) متکی بر روتور و پرواز پیمایشی (کروز) متکی بر بال. هیچکدام از این دو رژیم، بخش دشوار تست نیستند. بخش دشوار، فاز بین آنهاست؛ جایی که جریان پسرَو (wake) روتو ر در هر زاویهای از عمودی تا افقی از روی بال عبور میکند و هواگرد نه یک هلیکوپتر است و نه یک هواپیما. این فاز در صنعت نامی دارد — کریدور تبدیل (conversion corridor) — و نیازمند برنامه تست اختصاصی خود است.
۱. کریدور تبدیل یک پوشش پروازی تعریفشده و تستشده است
واضحترین نمونه ثبتشده، هواگرد تحقیقاتی تیلتروتور XV-15 مشترک ناسا و ارتش آمریکا است که در تونل باد ۴۰ در ۸۰ فوت ایمز (Ames) بهطور خاص برای ارزیابی «عملکرد، پایداری، کنترل و بارهای سازهای هواگرد در حالتهای پروازی از هلیکوپتر تا انتقال و حالت هواپیما» تست شد. این برنامه بهصراحت یک کریدور تبدیل را ترسیم کرد — پیکربندیهای هواگرد، که با زاویه نصب ناسل (محفظه موتور) و سرعت هوا تعریف میشوند و پرواز با روتورهای روشن در حد فاصل حالتهای هلیکوپتر و هواپیما در آنها ایمن است. زاویه نصب ناسل نسبت به بدنه اندازهگیری میشود: 0° حالت هواپیما است، 90° حالت هلیکوپتر است و هر زاویهای بین این دو، یک پیکربندی انتقال مجزا محسوب میشود.
برخی از یافتههای مختص به فاز انتقال در این برنامه عبارتند از:
- جریان پسرَو روتور مستقیماً به دم بار وارد میکرد. در محدوده سرعت پایینِ پوشش تبدیل، در زاویه نصب ناسل حدود 60°، سازه دم بارهای ارتعاشی بالایی را تجربه کرد — به قدری بالا که اسپار افقی از حد طراحی عمر بینهایت خود فراتر رفت. علت این امر با مصورسازی جریان با نخ (tuft) مشخص شد: یک گردابه قوی که روی نوک بال میچرخید و در آن زاویه خاص ناسل، به سمت داخل و روی دم کشیده میشد. هیچ راهحل آیرودینامیکی واحدی (فنسهای بال، استریکهای ناسل، مولدهای گردابه) نتوانست این مشکل را در کل محدوده هاور تا هواپیما حل کند — این بارها باید بهعنوان یک مشکل واقعی و مختص به فاز انتقال مدیریت میشدند، نه اینکه با یک راهحل همهکاره وصلهپینه شوند.
- گردابههای نوک روتور در یک سرعت هوای خاصِ انتقال، دم را تحریک میکردند. در حالت هلیکوپتر، بارهای نوسانی روی زبانههای اتصال دم افقی با افزایش سرعت هوا تا حدود ۴۰ نات افزایش یافت و سپس در سرعتهای بالاتر بهسرعت افت کرد — گردابههای نوک روتور که در حالت هاور به سمت پایین رها میشوند، با شروع پرواز رو به جلو دقیقاً در حوالی همان سرعت به سمت عقب و در مسیر دم کشیده میشوند و سپس در سرعتهای بالاتر کاملاً از دم عبور میکنند.
- تست مدل مقیاسپذیر، همان کار روی کریدور را به هواگردهای مدرن تعمیم میدهد. برنامه مدل آیروآکوستیک تیلتروتور (TRAM) ناسا و ارتش — یک مدل با مقیاس ۱/۴ و روتور دوگانه از بل/بوئینگ V-22 آسپری — این مسیر از تست تیلتروتور در پوشش کامل را در مجتمع ملی آیرودینامیک مقیاس کامل، دههها پس از آنکه برنامه XV-15 برای اولین بار کریدور را تعریف کرد، ادامه داده است.
- پوشش ایمنی بهخودیخود تابعی از زاویه ناسل است. کارهای شبیهسازی انجامشده برای این برنامه نشان داد که از کار افتادن هر دو موتور در زاویه نصب ناسل بالای 85° (عمیقاً در حالت هلیکوپتر/انتقال) تنها شرایط خرابی بود که میتوانست باعث فلپینگ (بالزدن) خطرناک تیغهها و ایجاد بارهای شدید شود — که تنها با کاهش زاویه ناسل در عرض ۵ ثانیه قابل بازیابی بود. تبدیل کامل از 95° به 0° میتوانست در ۱۱ ثانیه انجام شود. در زوایای زیر 85°، اصلاً نیازی به اقدام بازیابی خاصی نبود. به عبارت دیگر، رژیم انتقال مرزهای ایمنی خاص خود را دارد که در حالتهای هاور و کروز مشترک نیستند.
۲. تیلسیترها مشکل مرتبط اما متمایزی دارند
یک تیلسیتر با تغییر گام (پیچ) کل بدنه از حالت عمودی به افقی، فاز انتقال را انجام میدهد؛ این بدان معناست که بال و بدنه آن پیش از آنکه هواگرد متکی بر بال شود، زوایای حمله بسیار بالایی را طی میکنند — بسیار فراتر از نقطهای که یک هواگرد بالثابت معمولاً در آن دچار واماندگی (استال) میشود. کارهای منتشرشده در زمینه تونل باد روی آیرودینامیک تیلسیترها بهطور خاص این موضوع را هدف قرار دادهاند: تست کل هواگرد (بال، بدنه و پایدارکننده با هم، نه فقط یک ایرفویل ایزوله) در سراسر محدوده زاویه حملهای که مانور انتقال در واقعیت طی میکند، زیرا پیشبینی نیروهای آیرودینامیکی در این رژیم تنها از طریق تئوری دشوار است و مدلهای دینامیک پرواز که برای طراحی کنترلر انتقال استفاده میشوند، مستقیماً به دادههای آن تونل باد وابستهاند.
تعامل ملخ و بال این موضوع را پیچیدهتر میکند: در زاویه حمله بالا و سرعت هوای پایین، نیرویی که ملخ عمود بر محور تراست (رانش) خود القا میکند، بهطور همزمان و غیرخطی به زاویه حمله، سرعت هوا، انحراف فلپ و تراست بستگی دارد — این رابطهای نیست که تستهای مجزای ملخ بهتنهایی و بال بهتنهایی بتوانند آن را آشکار کنند.
۳. یک کمپین تست انتقال در واقع به چه چیزی نیاز دارد
- یک پیمایش تبدیل واقعی، نه فقط دو نقطه انتهایی. دادههای هاور و کروز پیشبینی نمیکنند که در زوایای میانی ناسل یا وضعیتهای گام (پیچ) چه اتفاقی میافتد — بدترین بارهای برنامه XV-15 در زاویه نصب ناسل 60° ظاهر شدند، که اصلاً نزدیک به هیچیک از دو نقطه انتهایی نبود.
- مصورسازی جریان در محل اتصال بال-ناسل یا بال-بدنه. مشکل بارگذاری روی دم در XV-15 تنها با نصب نخ (tufting) در بخش داخلی ناسل و ردیابی مسیر واقعی گردابه حاصل تشخیص داده شد — دادههای نیرو بهتنهایی نمیتوانستند این بارها را توضیح دهند.
- پایش بارهای سازهای روی دم و قسمت عقب بدنه ، ن ه فقط بال — برای یک تیلتروتور، عبور جریان پسرَو روتور از روی دم در زوایای خاص انتقال، یک حالت خرابی مستند و غیربدیهی است.
- پوشش کامل محدوده زاویه حملهای که مانور انتقال تیلسیتر طی میکند ، از جمله بسیار فراتر از استال (واماندگی) مرسوم، زیرا این دقیقاً همان رژیمی است که کنترلر انتقال باید در آن پرواز کند.
- گنجاندن نیروی پیشران در هر نقطه داده انتقال — نیروهای خارج از محورِ القاشده توسط ملخ در طول انتقال، تابعی از زاویه حمله، سرعت هوا و تراست در کنار یکدیگر هستند و از تست آیرودینامیک قابل تفکیک نیستند.
۴. پنج اشتباهی که ما مشاهده میکنیم
- تست کردن فقط در حالتهای هاور و کروز و درونیابی بین آنها. دادههای XV-15 نشان میدهد که بدترین بارها میتوانند در میانه کریدور ظاهر شوند، نه در نقاط انتهایی — درونیابی این موضوع را کاملاً نادیده میگرفت.
- صرفنظر کردن از مصورسازی جریان به این دلیل که لودسلها «یک عدد را نشان میدهند». تیم XV-15 علت بارهای روی دم — یک گردابه خاص در نوک ب ال در یک زاویه خاص ناسل — را تنها از طریق نصب نخ (tufting) پیدا کرد؛ دادههای نیرو بهتنهایی به آنها میگفت که مشکلی وجود دارد، اما دلیل آن را نمیگفت.
- در نظر گرفتن انتقال تیلسیتر بهعنوان «فقط یک پیمایش بزرگ زاویه حمله» روی یک بال ایزوله. تعامل بدنه، پایدارکننده و ملخ همگی در این زوایا اهمیت دارند — قطبیِ (polar) یک بال ایزوله نمیتواند رفتار کل هواگرد را که کنترلر انتقال به آن نیاز دارد، بازتولید کند.
- فرض اینکه یک راهحل واحد (استریکها، فنسها، مولدهای گردابه) بارها را در کل کریدور پاکسازی میکند. در برنامه XV-15، راهحلهایی که به دم افقی کمک کردند، بارهای روی باله عمودی را بدتر کردند — راهحلهای کریدور انتقال باید در سراسر کل پوشش پروازی ارزیابی شوند، نه فقط در یک شرایط خاص.
- عدم تست پوشش خرابی، و اکتفا به پوشش اسمی. مرز ایمنی وابسته به زاویه ناسل که در XV-15 یافت شد (85° بهعنوان آستانه برای خرابی قابلبازیابی هر دو موتور) مشخصاً از تحلیل اختصاصی رژیم انتقال به دست آمد — این موضوع در تست شرایط اسمی بهتنهایی خود را نشان نمیداد.
۵. این موض وع برای برنامه شما چه معنایی دارد
مکانیسم انتقال خود — تیلتروتور یا تیلسیتر — و کریدور تبدیل هدف خود را به ما بگویید ، و ما یک کمپین تست را برنامهریزی خواهیم کرد که کل پوشش انتقال را در بر بگیرد، نه فقط نقاط انتهایی هاور و کروز آن را. مطالعه مرتبط: مقاله جامع ما در مورد
[Article not found: long-range-fixed-wing-uas-wind-tunnel-testing].
منابع و یادداشتها
- برنامه تونل باد هواگرد تحقیقاتی تیلتروتور XV-15 (تونل باد ۴۰ در ۸۰ فوت ایمز، اهداف تست شامل حالت هلیکوپتر تا انتقال به حالت هواپیما با قابلیت تونل تا ۱۷۰ نات، مفهوم کریدور تبدیل، قرارداد زاویه نصب ناسل 0° هواپیما / 90° هلیکوپتر، بارگذاری روی دم ناشی از گردابههای نوک بال در زاویه نصب ناسل 60° که از طریق مصورسازی با نخ تشخیص داده شد، تحریک دم توسط گردابه نوک روتور که در حدود ۴۰ نات در حالت هلیکوپتر به اوج میرسد، آستانه ایمنی خرابی هر دو موتور در زاویه نصب ناسل 85° با پنجره بازیابی ۵ ثانیهای، و تبدیل کامل 95° به 0° در ۱۱ ثانیه): 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).
- مقیاس و مبنای برنامه مدل آیروآکوستیک تیلتروتور (TRAM) (مقیاس ۱/۴ از بل/بوئینگ V-22 آسپری، روتور ایزوله تستشده در تونل باد آلمان-هلند، مدل روتور دوگانه با دهانه کامل تستشده در بخش ۴۰ در ۸۰ فوت مجتمع ملی آیرودینامیک مقیاس کامل در ناسا ایمز): NASA Ames Research Center, "Tiltrotor Aeroacoustic Model".
- آیرودینامیک انتقال تیلسیتر (تست تونل باد کل هواگرد در سراسر محدوده زاویه حملهای که توسط مانور انتقال طی میشود، و کوپلینگ غیرخطی نیروی خارج از محور القاشده توسط ملخ با زاویه حمله، سرعت هوا، انحراف فلپ و تراست) بهطور کلی با تحقیقات منتشرشده تونل باد تیلسیترها مطابقت دارد؛ توصیف TunnelTech از رویکرد تست، منعکسکننده رویه مهندسی خود ما برای این کلاس از هواگردها است.
- راهنمای متدولوژی تست (پیمایشهای کامل تبدیل، مصورسازی جریان در محل اتصال، پایش سازهای دم، ارزیابی راهحل در کل پوشش پروازی) رویه مهندسی TunnelTech است که مستقیماً از یافتههای مستند XV-15 در بالا الهام گرفته شده است.