Essais de transition VTOL : rotors basculants et tailsitters

Un aéronef VTOL à voilure fixe — à rotors basculants ou tailsitter — doit voler dans deux régimes aérodynamiques complètement différents : le vol stationnaire sustenté par les rotors et le vol de croisière porté par la voilure. Aucun de ces régimes n'est la partie la plus difficile à tester. La difficulté réside dans la phase intermédiaire, où le sillage du rotor traverse l'aile sous tous les angles, de la verticale à l'horizontale, et où l'aéronef n'est ni un hélicoptère ni un avion. Cette phase porte un nom dans l'industrie — le couloir de conversion — et elle exige son propre programme d'essais.

1. Le couloir de conversion est un domaine de vol défini et testé

L'illustration la plus claire à ce jour est le XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft conjoint de la NASA et de l'armée américaine, testé dans la soufflerie de 40 par 80 pieds d'Ames spécifiquement pour évaluer « les performances, la stabilité, le contrôle et les charges structurales de l'aéronef pour les modes de vol allant de l'hélicoptère au mode avion en passant par la transition ». Le programme a explicitement cartographié un couloir de conversion — les configurations de l'aéronef, définies par l'incidence des nacelles et la vitesse de l'air, qui permettent de voler en toute sécurité avec les rotors actifs entre les extrêmes de l'hélicoptère et de l'avion. L'incidence des nacelles elle-même est mesurée par rapport au fuselage : 0° correspond au mode avion, 90° au mode hélicoptère, et chaque angle intermédiaire constitue une configuration de transition distincte.

Voici quelques-unes des conclusions spécifiques à la transition tirées de ce programme :

Le sillage du rotor chargeait directement l'empennage. À l'extrémité basse vitesse du domaine de conversion, autour de 60° d'incidence des nacelles, la structure de l'empennage a subi des charges vibratoires élevées — suffisamment élevées pour que le longeron horizontal dépasse sa limite de conception de durée de vie infinie. La cause a été identifiée grâce à la visualisation de l'écoulement par fils de laine : un fort tourbillon s'enroulant sur le saumon d'aile et balayant vers l'intérieur sur l'empennage à cet angle de nacelle spécifique. Aucune solution aérodynamique unique (cloisons d'aile, virures de nacelle, générateurs de tourbillons) ne l'a résolu sur l'ensemble de la plage allant du vol stationnaire au mode avion — les charges devaient être gérées comme un véritable problème spécifique à la transition, et non corrigées par une solution universelle.
Les tourbillons d'extrémité de rotor excitaient l'empennage à une vitesse de transition spécifique. En mode hélicoptère, les charges oscillatoires sur les ferrures d'attache de l'empennage horizontal augmentaient avec la vitesse de l'air jusqu'à environ 40 nœuds, puis chutaient rapidement au-delà — les tourbillons d'extrémité de rotor, rejetés vers le bas en vol stationnaire, balayent vers l'arrière dans la trajectoire de l'empennage spécifiquement autour de cette vitesse lorsque le vol d'avancement commence, puis dégagent entièrement l'empennage à une vitesse plus élevée.
Les essais sur maquettes à l'échelle étendent ce même travail sur le couloir aux aéronefs modernes. Le programme Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM) de la NASA et de l'armée — une maquette à l'échelle 1/4 à double rotor du Bell/Boeing V-22 Osprey — a poursuivi cette lignée d'essais de rotors basculants sur l'ensemble du domaine de vol au National Full-Scale Aerodynamics Complex, des décennies après que le programme XV-15 a défini le couloir pour la première fois.
Le domaine de sécurité est lui-même fonction de l'angle des nacelles. Les travaux de simulation réalisés pour le programme ont révélé qu'une panne des deux moteurs au-dessus de 85° d'incidence des nacelles (profondément en mode hélicoptère/transition) était la seule condition de défaillance pouvant produire un battement des pales et des charges dangereux — récupérable uniquement en réduisant l'incidence des nacelles dans les 5 secondes. La conversion complète de 95° à 0° pouvait être exécutée en 11 secondes. En dessous de 85°, aucune action de récupération spéciale n'était nécessaire. Le régime de transition, en d'autres termes, possède ses propres limites de sécurité que le vol stationnaire et la croisière ne partagent pas.

2. Les tailsitters posent un problème connexe mais distinct

Un tailsitter effectue sa transition en basculant l'ensemble de la cellule de la verticale à l'horizontale, ce qui signifie que son aile et son fuselage balayent des angles d'incidence très élevés — bien au-delà du point de décrochage normal d'un aéronef à voilure fixe — avant que l'aéronef ne soit porté par la voilure. Les travaux publiés sur les essais en soufflerie concernant l'aérodynamique des tailsitters ont spécifiquement ciblé ce point : tester l'aéronef complet (aile, fuselage et stabilisateur ensemble, et non pas seulement un profil aérodynamique isolé) sur toute la plage d'angles d'incidence que la manœuvre de transition balaye réellement, car les forces aérodynamiques dans ce régime sont difficiles à prédire à partir de la seule théorie et les modèles de dynamique du vol utilisés pour concevoir le contrôleur de transition dépendent directement de ces données de soufflerie.

L'interaction hélice-aile complique cela : à un angle d'incidence élevé et à faible vitesse de l'air, la force que l'hélice induit perpendiculairement à son axe de poussée dépend simultanément et de manière non linéaire de l'angle d'incidence, de la vitesse de l'air, du braquage des volets et de la poussée — une relation que des essais séparés sur l'hélice seule et l'aile seule ne révéleront pas.

3. Ce dont une campagne d'essais de transition a réellement besoin

Un véritable balayage de conversion, pas seulement les deux points finaux. Les données de vol stationnaire et de croisière ne prédisent pas ce qui se passe à des angles de nacelle ou des assiettes intermédiaires — les pires charges du programme XV-15 sont apparues à 60° d'incidence des nacelles, loin de l'un ou l'autre des extrêmes.
Visualisation de l'écoulement à la jonction aile-nacelle ou aile-fuselage. Le problème de charge de l'empennage du XV-15 n'a été diagnostiqué qu'en plaçant des fils de laine sur la nacelle intérieure et en traçant la trajectoire réelle du tourbillon résultant — les seules données de force n'expliquaient pas les charges.
Surveillance des charges structurales sur l'empennage et le fuselage arrière , pas seulement sur l'aile — pour un rotor basculant, le sillage du rotor traversant l'empennage à des angles de transition spécifiques est un mode de défaillance documenté et non évident.
Couverture de la plage complète d'angles d'incidence balayée par la manœuvre de transition d'un tailsitter , y compris bien au-delà du décrochage conventionnel, puisque c'est précisément le régime que le contrôleur de transition doit traverser.
Propulsion incluse dans chaque point de données de transition — les forces hors axe induites par l'hélice pendant la transition sont fonction de l'angle d'incidence, de la vitesse de l'air et de la poussée combinés, et ne peuvent être séparées de l'essai aérodynamique.

4. Cinq erreurs que nous observons

Ne tester que le vol stationnaire et la croisière et interpoler entre les deux. Les données du XV-15 montrent que les pires charges peuvent apparaître au milieu du couloir, et non à l'un des points finaux — l'interpolation serait passée complètement à côté.
Ignorer la visualisation de l'écoulement parce que les capteurs de force « affichent un chiffre ». L'équipe du XV-15 n'a trouvé la cause des charges sur l'empennage — un tourbillon de saumon d'aile spécifique à un angle de nacelle spécifique — que grâce aux fils de laine ; les données de force seules leur indiquaient qu'il y avait un problème, mais pas pourquoi.
Traiter la transition du tailsitter comme « juste un grand balayage d'angle d'incidence » sur une aile isolée. L'interaction entre le fuselage, le stabilisateur et l'hélice a toute son importance à ces angles — une polaire d'aile isolée ne reproduira pas le comportement de l'aéronef complet dont le contrôleur de transition a besoin.
Supposer qu'une seule solution (virures, cloisons, générateurs de tourbillons) éliminera les charges sur l'ensemble du couloir. Dans le cadre du programme XV-15, les solutions qui ont aidé l'empennage horizontal ont aggravé les charges sur la dérive verticale — les solutions pour le couloir de transition doivent être évaluées sur l'ensemble du domaine de vol, et non dans une seule condition.
Ne pas tester le domaine de défaillance, mais uniquement le domaine nominal. La limite de sécurité dépendante de l'angle des nacelles trouvée sur le XV-15 (85° comme seuil pour une panne récupérable des deux moteurs) provenait d'une analyse dédiée spécifiquement au régime de transition — elle ne serait pas apparue lors de seuls essais en conditions nominales.

5. Ce que cela signifie pour votre programme

Indiquez-nous votre mécanisme de transition — rotors basculants ou tailsitter — et votre couloir de conversion cible , et nous définirons une campagne d'essais qui balayera l'ensemble du domaine de transition, et pas seulement ses points finaux de vol stationnaire et de croisière. Lecture connexe : notre article central sur

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Sources et notes

Programme d'essais en soufflerie du XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft (soufflerie Ames de 40 par 80 pieds, objectifs d'essais couvrant le mode hélicoptère jusqu'au mode avion en passant par la transition jusqu'à une capacité de soufflerie de 170 nœuds, le concept de couloir de conversion, la convention d'incidence des nacelles de 0° pour l'avion / 90° pour l'hélicoptère, la charge de l'empennage due aux tourbillons de saumon d'aile à 60° d'incidence des nacelles diagnostiquée via la visualisation par fils de laine, l'excitation de l'empennage par les tourbillons d'extrémité de rotor culminant près de 40 nœuds en mode hélicoptère, le seuil de sécurité en cas de panne des deux moteurs à 85° d'incidence des nacelles avec une fenêtre de récupération de 5 secondes, et la conversion complète de 95° à 0° en 11 secondes) : 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).
Échelle et base du programme Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM) (échelle 1/4 du Bell/Boeing V-22 Osprey, rotor isolé testé dans la soufflerie germano-néerlandaise, maquette à double rotor de pleine envergure testée dans la section de 40 par 80 pieds du National Full-Scale Aerodynamics Complex à la NASA Ames) : NASA Ames Research Center, « Tiltrotor Aeroacoustic Model ».
L'aérodynamique de transition des tailsitters (essais en soufflerie de l'aéronef complet sur la plage d'angles d'incidence balayée par la manœuvre de transition, et couplage non linéaire de la force hors axe induite par l'hélice avec l'angle d'incidence, la vitesse de l'air, le braquage des volets et la poussée) est globalement cohérente avec les recherches publiées sur les essais en soufflerie des tailsitters ; la caractérisation de l'approche d'essai par TunnelTech reflète notre propre pratique d'ingénierie pour cette classe d'aéronefs.
Les directives de méthodologie d'essai (balayages de conversion complets, visualisation de l'écoulement aux jonctions, surveillance structurale de l'empennage, évaluation des solutions sur l'ensemble du domaine de vol) relèvent de la pratique d'ingénierie de TunnelTech, directement inspirée par les conclusions documentées du XV-15 ci-dessus.

Essais de transition des VTOL à voilure fixe : rotors basculants et tailsitters