VTOL-transitiotestaus: kääntyväroottoriset ja tailsitterit

Kiinteäsiipisen VTOL-ilma-aluksen — kääntyväroottorisen tai tailsitterin — on lennettävä kahdessa täysin erilaisessa aerodynaamisessa tilassa: roottorien varassa tapahtuvassa leijunnassa ja siipien varassa tapahtuvassa matkalennossa. Kumpikaan näistä tiloista ei ole testauksen vaikein osa. Vaikein osa on niiden välinen vaihe, jossa roottorin jättövirtaus ylittää siiven kaikissa kulmissa pystysuorasta vaakasuoraan, eikä ilma-alus ole helikopteri eikä lentokone. Tällä vaiheella on alalla oma nimensä — konversiokäytävä — ja se vaatii oman testausohjelmansa.

1. Konversiokäytävä on määritelty ja testattu lentoalue

Selkein kirjattu esimerkki on NASAn ja Yhdysvaltain maavoimien yhteinen XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft -tutkimusilma-alus, jota testattiin Amesin 40 x 80 jalan tuulitunnelissa nimenomaan arvioimaan "ilma-aluksen suorituskykyä, vakautta, ohjattavuutta ja rakenteellisia kuormituksia lentotiloissa helikopterista transition kautta lentokonetilaan". Ohjelmassa kartoitettiin yksityiskohtaisesti konversiokäytävä — ilma-aluksen konfiguraatiot, jotka on määritelty moottorikehdon kallistuskulman ja ilmannopeuden perusteella ja joilla on turvallista lentää roottorit päällä helikopteri- ja lentokone-ääripäiden välillä. Moottorikehdon kallistuskulma mitataan suhteessa runkoon: 0° on lentokonetila, 90° on helikopteritila, ja jokainen näiden välinen kulma on erillinen transitiokonfiguraatio.

Joitakin ohjelman transitiospesifisiä havaintoja:

Roottorin jättövirtaus kuormitti suoraan pyrstöä. Konversioalueen matalan nopeuden päässä, noin 60° moottorikehdon kallistuskulmassa, pyrstörakenne koki suuria värähtelykuormituksia — niin suuria, että vaakavakaajan salko ylitti äärettömän kestoiän suunnittelurajansa. Syy tunnistettiin lankojen avulla tehdyllä virtauksen visualisoinnilla: voimakas pyörre, joka vieri siivenkärjen yli ja pyyhkäisi sisäänpäin pyrstöön juuri kyseisellä moottorikehdon kulmalla. Mikään yksittäinen aerodynaaminen korjaus (siipiaidat, moottorikehdon virtausohjaimet, pyörrevirtausgeneraattorit) ei ratkaissut ongelmaa koko leijunnasta lentokoneeseen -alueella — kuormituksia oli hallittava aitoina transitiospesifisinä ongelmina, ei paikattava yhdellä yleisratkaisulla.
Roottorin kärjen pyörteet herättivät pyrstössä värähtelyä tietyssä transition ilmannopeudessa. Helikopteritilassa vaakavakaajan kiinnityskorvakkeiden oskillatoriset kuormitukset kasvoivat ilmannopeuden noustessa noin 40 solmuun ja putosivat sitten nopeasti sen yläpuolella — leijunnassa alaspäin irtoavat roottorin kärjen pyörteet pyyhkäisevät taaksepäin pyrstön reitille juuri kyseisessä nopeudessa eteenpäin suuntautuvan lennon alkaessa, ja ohittavat pyrstön kokonaan suuremmilla nopeuksilla.
Pienoismallitestaus laajentaa saman käytävätyön nykyaikaisiin ilma-aluksiin. NASAn ja maavoimien Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM) -ohjelma — 1/4-mittakaavan kaksoisroottorimalli Bell/Boeing V-22 Ospreystä — on jatkanut tätä koko lentoalueen kattavaa kääntyväroottoristen testausta National Full-Scale Aerodynamics Complex -laitoksessa vuosikymmeniä sen jälkeen, kun XV-15-ohjelma määritteli käytävän ensimmäisen kerran.
Turvallisuusalue itsessään on riippuvainen moottorikehdon kulmasta. Ohjelmaa varten tehty simulointityö osoitti, että kahden moottorin vikaantuminen yli 85° moottorikehdon kallistuskulmassa (syvällä helikopteri-/transitiotilassa) oli ainoa vikatilanne, joka saattoi aiheuttaa vaarallista lapojen lepattamista ja kuormituksia — tilanteesta voitiin toipua vain pienentämällä moottorikehdon kallistuskulmaa 5 sekunnin kuluessa. Täysi konversio 95°:sta 0°:een voitiin suorittaa 11 sekunnissa. Alle 85°:ssa ei tarvittu lainkaan erityisiä toimenpiteitä. Toisin sanoen transitiotilalla on omat turvallisuusrajansa, joita leijunta ja matkalento eivät jaa.

2. Tailsittereihin liittyy samankaltainen mutta erillinen ongelma

Tailsitter tekee transition kallistamalla koko runkoa pystysuorasta vaakasuoraan, mikä tarkoittaa, että sen siipi ja runko pyyhkäisevät erittäin suurten kohtauskulmien läpi — selvästi yli sen pisteen, jossa kiinteäsiipinen ilma-alus normaalisti sakkaisi — ennen kuin ilma-alus on siipien varassa. Julkaistu tuulitunnelitutkimus tailsitterien aerodynamiikasta on kohdistunut erityisesti tähän: koko ilma-aluksen (siipi, runko ja vakaaja yhdessä, ei vain eristetty siipiprofiili) testaamiseen koko sillä kohtauskulma-alueella, jonka transitioliike todellisuudessa käy läpi. Tämä johtuu siitä, että aerodynaamisia voimia tässä tilassa on vaikea ennustaa pelkän teorian pohjalta, ja transitio-ohjaimen suunnittelussa käytetyt lentodynamiikkamallit riippuvat suoraan näistä tuulitunnelitiedoista.

Potkurin ja siiven välinen vuorovaikutus monimutkaistaa tätä: suurella kohtauskulmalla ja alhaisella ilmannopeudella voima, jonka potkuri indusoi kohtisuoraan työntövoima-akseliinsa nähden, riippuu kohtauskulmasta, ilmannopeudesta, laippojen poikkeamasta ja työntövoimasta samanaikaisesti ja epälineaarisesti — tämä ei ole suhde, joka paljastuisi erillisissä pelkän potkurin ja pelkän siiven testeissä.

3. Mitä transitiotestauskampanja todella vaatii

Todellinen konversiopyyhkäisy, ei vain kahta päätepistettä. Leijunta- ja matkalentotiedot eivät ennusta, mitä tapahtuu välimuotoisilla moottorikehdon kulmilla tai nousukulmilla — XV-15-ohjelman pahimmat kuormitukset ilmenivät 60° moottorikehdon kallistuskulmassa, kaukana kummastakaan ääripäästä.
Virtauksen visualisointi siiven ja moottorikehdon tai siiven ja rungon liitoskohdassa. XV-15:n pyrstön kuormitusongelma diagnosoitiin vasta kiinnittämällä lankoja sisempään moottorikehtoon ja seuraamalla, minne syntyvä pyörre todellisuudessa meni — pelkät voimatiedot eivät selittäneet kuormituksia.
Rakenteellisen kuormituksen valvonta pyrstössä ja takarungossa , ei vain siivessä — kääntyväroottorisessa ilma-aluksessa roottorin jättövirtaus, joka ylittää pyrstön tietyissä transitiokulmissa, on dokumentoitu ja ei-ilmeinen vikaantumistila.
Tailsitterin transitioliikkeen läpikäymän koko kohtauskulma-alueen kattavuus , mukaan lukien selvästi yli tavanomaisen sakkauksen, koska juuri tämän alueen läpi transitio-ohjaimen on lennettävä.
Propulsio mukana jokaisessa transition datapisteessä — potkurin indusoimat akselin ulkopuoliset voimat transition aikana ovat riippuvaisia kohtauskulmasta, ilmannopeudesta ja työntövoimasta yhdessä, eikä niitä voida erottaa aerodynaamisesta testistä.

4. Viisi yleistä virhettä

Testataan vain leijuntaa ja matkalentoa ja interpoloidaan niiden välillä. XV-15-tiedot osoittavat, että pahimmat kuormitukset voivat ilmetä keskellä käytävää, ei kummassakaan päätepisteessä — interpolointi olisi jättänyt tämän täysin huomaamatta.
Virtauksen visualisoinnin ohittaminen, koska voima-anturit "näyttävät numeron". XV-15-tiimi löysi pyrstön kuormitusten syyn — tietyn siivenkärjen pyörteen tietyssä moottorikehdon kulmassa — vain lankojen avulla; pelkät voimatiedot kertoivat heille, että ongelma oli olemassa, mutta eivät syytä siihen.
Tailsitterin transition käsitteleminen "vain suurena kohtauskulmapyyhkäisynä" eristetyllä siivellä. Rungon, vakaajan ja potkurin vuorovaikutuksella on kaikilla merkitystä näissä kulmissa — eristetyn siiven polaarit eivät toista koko ilma-aluksen käyttäytymistä, jota transitio-ohjain tarvitsee.
Oletetaan, että yksi korjaus (virtausohjaimet, siipiaidat, pyörrevirtausgeneraattorit) puhdistaa kuormitukset koko käytävän alueella. XV-15-ohjelmassa korjaukset, jotka auttoivat vaakavakaajaa, pahensivat sivuvakaajan kuormituksia — transitiokäytävän korjaukset on arvioitava koko lentoalueella, ei vain yhdessä olosuhteessa.
Vikaantumisalueen testaamatta jättäminen, testataan vain nimellistä aluetta. XV-15:ssä havaittu moottorikehdon kulmasta riippuvainen turvallisuusraja (85° kynnyksenä toivuttavissa olevalle kahden moottorin vikaantumiselle) saatiin nimenomaan transitiotilan erillisestä analyysistä — se ei olisi tullut esiin pelkässä nimellisolosuhteiden testauksessa.

5. Mitä tämä tarkoittaa ohjelmallesi

Kerro meille transitiomekanismisi — kääntyväroottorinen tai tailsitter — ja tavoittelemasi konversiokäytävä , niin suunnittelemme testauskampanjan, joka pyyhkäisee koko transitioalueen, ei vain sen leijunta- ja matkalentopäätepisteitä. Aiheeseen liittyvää luettavaa: pääartikkelimme aiheesta

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

Lähteet ja huomautukset

XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft -tuulitunneliohjelma (Amesin 40 x 80 jalan tuulitunneli, testitavoitteet kattavat helikopteritilasta transition kautta lentokonetilaan jopa 170 solmun tunnelikapasiteetilla, konversiokäytävän konsepti, moottorikehdon kallistuskulman käytäntö 0° lentokone / 90° helikopteri, siivenkärjen pyörteistä johtuva pyrstön kuormitus 60° moottorikehdon kallistuskulmassa diagnosoituna lankavisualisoinnilla, roottorin kärjen pyörteen aiheuttama pyrstön heräte, joka on huipussaan lähellä 40 solmua helikopteritilassa, kahden moottorin vikaantumisen turvallisuuskynnys 85° moottorikehdon kallistuskulmassa 5 sekunnin toipumisikkunalla, ja täysi 95°–0° konversio 11 sekunnissa): 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) -ohjelman mittakaava ja perusta (1/4-mittakaavan Bell/Boeing V-22 Osprey, eristetty roottori testattu saksalais-hollantilaisessa tuulitunnelissa, täyden kärkivälin kaksoisroottorimalli testattu NASA Amesin National Full-Scale Aerodynamics Complexin 40 x 80 jalan osastolla): NASA Ames Research Center, "Tiltrotor Aeroacoustic Model".
Tailsitterin transition aerodynamiikka (koko ilma-aluksen tuulitunnelitestaus transitioliikkeen pyyhkäisemällä kohtauskulma-alueella sekä potkurin indusoiman akselin ulkopuolisen voiman epälineaarinen kytkeytyminen kohtauskulmaan, ilmannopeuteen, laippojen poikkeamaan ja työntövoimaan) on laajalti yhdenmukainen julkaistun tailsitter-tuulitunnelitutkimuksen kanssa; TunnelTechin luonnehdinta testauslähestymistavasta heijastaa omaa suunnittelukäytäntöämme tälle ilma-alusluokalle.
Testausmetodologian ohjeistus (täydet konversiopyyhkäisyt, liitoskohtien virtauksen visualisointi, pyrstön rakenteellinen valvonta, koko lentoalueen korjausten arviointi) on TunnelTechin suunnittelukäytäntöä, joka perustuu suoraan edellä dokumentoituihin XV-15-havaintoihin.

Kiinteäsiipisten VTOL-ilma-alusten transitiotestaus: kääntyväroottoriset ja tailsitterit