בדיקות מעבר ל-VTOL כנף קבועה: Tiltrotors ו-Tailsitters
מדוע מסדרון המעבר בין ריחוף לשיוט מהווה בעיית בדיקה בפני עצמה עבור Tiltrotors ו-Tailsitters, ומה גילתה תוכנית ה-XV-15.
כלי טיס VTOL בעל כנף קבועה — Tiltrotor או Tailsitter — נדרש לטוס בשני משטרי אווירודינמיקה שונים לחלוטין: ריחוף מבוסס-רוטור ושיוט מבוסס-כנף. אף אחד מהמשטרים הללו אינו החלק הקשה לבדיקה. החלק הקשה הוא השלב שביניהם, שבו שובל הרוטור חוצה את הכנף בכל זווית, מאנכית ועד אופקית, וכלי הטיס אינו מסוק ואינו מטוס. לשלב זה יש שם בתעשייה — מסדרון ההמרה (conversion corridor) — והוא דורש תוכנית בדיקות משלו.
1. מסדרון ההמרה הוא מעטפת טיסה מוגדרת ונבדקת
ההמחשה הברורה ביותר המתועדת היא של XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft , פרויקט משותף של נאס"א וצבא ארה"ב, שנבדק במנהרת רוח בגודל 40 על 80 רגל במרכז איימס (Ames), במטרה ספציפית להעריך "ביצועי כלי טיס, יציבות, בקרה ועומסים מבניים עבור מצבי טיסה ממסוק, דרך מעבר, ועד למצב מטוס". התוכנית מיפתה במפורש מסדרון המרה — תצורות כלי הטיס, המוגדרות על ידי זווית בתי המנוע (nacelle incidence) ומהירות האוויר, שבהן בטוח לטוס עם רוטורים פועלים בין מצבי הקיצון של מסוק ומטוס. זווית בתי המנוע עצמה נמדדת ביחס לגוף המטוס: 0° הוא מצב מטוס, 90° הוא מצב מסוק, וכל זווית שביניהם היא תצורת מעבר מובחנת.
כמה מהממצאים הספציפיים לשלב המעבר מתוכנית זו:
- שובל הרוטור העמיס ישירות על הזנב. בקצה המהירות הנמוכה של מעטפת ההמרה, סביב זווית בתי מנוע של 60°, מבנה הזנב חווה עומסי רעידות גבוהים — גבוהים מספיק כדי שקורת הרוחב תחרוג מגבול תכנון אורך החיים האינסופי שלה. הגורם זוהה באמצעות הדמיית זרימה עם חוטי צמר (tuft flow visualization): מערבולת חזקה שהתגלגלה מעל קצה הכנף ונסחפה פנימה אל עבר הזנ ב בזווית הספציפית הזו. אף פתרון אווירודינמי בודד (גדרות כנף, מסיטי זרימה על בתי המנוע, מחוללי מערבולות) לא פתר זאת לאורך כל טווח המעבר מריחוף למטוס — היה צורך לנהל את העומסים כבעיה אמיתית הספציפית לשלב המעבר, ולא לטלאות אותה בפתרון אחיד.
- מערבולות קצה הרוטור עוררו את הזנב במהירות אוויר ספציפית במעבר. במצב מסוק, עומסים תנודתיים על אוזני החיבור של הזנב האופקי עלו עם מהירות האוויר עד לכ-40 קשר, ואז צנחו במהירות מעליה — מערבולות קצה הרוטור, הניתקות כלפי מטה בריחוף, נסחפות לאחור אל נתיב הזנב במיוחד סביב מהירות זו עם תחילת הטיסה קדימה, ולאחר מכן מפנות את הזנב לחלוטין במהירות גבוהה יותר.
- בדיקות מודל מוקטן מרחיבות את אותה עבודת מסדרון לכלי טיס מודרניים. תוכנית המודל האווירואקוסטי לרוטור-מטה (TRAM) של נאס"א וצבא ארה"ב — מודל בקנה מידה 1/4 בעל רוטור כפול של ה-Bell/Boeing V-22 Osprey — המשיכה קו זה של בדיקות Tiltrotor במעטפת מלאה במתחם האווירודינמיקה הלאומי בקנה מידה מלא, עשרות שנים לאחר שתוכנית ה-XV-15 הגדירה לראשונה את המסדרון.
- מעטפת הבטיחות עצמה היא פונקציה של זווית בתי המנוע. עבודת סימולציה שבוצעה עבור התוכנית מצאה שכשל מנוע כפול מעל זווית של 85° (עמוק בתוך מצב מסוק/מעבר) היה מצב הכשל היחיד שיכול לייצר נפנוף להבים ועומסים מסוכנים — שניתן להתאושש מהם רק על ידי הפחתת זווית בתי המנוע תוך 5 שניות. המרה מלאה מ-95° ל-0° יכלה להתבצע ב-11 שניות. מתחת ל-85°, לא נדרשה כל פעולת התאוששות מיוחדת. במילים אחרות, למשטר המעבר יש גבולות בטיחות משלו שאינם משותפים למצבי הריחוף והשיוט.
2. מטוסי Tailsitter נושאים בעיה קשורה אך נפרדת
מטוס Tailsitter מבצע מעבר על ידי עלרוד (pitching) של כל שלדת המטוס ממצב אנכי לאופקי, מה שאומר שהכנף וגוף המטוס שלו חולפים דרך זוויות התקפה גבוהות מאוד — הרבה מעבר לנקודה שבה מטוס כנף קבועה היה מזדקר בדרך כלל — לפני שכלי הטיס נישא על ידי הכנפיים. עבודות שפורסמו על בדיקות מנהרת רוח באווירודינמיקה של Tailsitter התמקדו בדיוק בזה: בדיקת כלי הטיס השלם (כנף, גוף מטוס ומייצב יחד, לא רק פרופיל אווירודינמי מבודד) לאורך כל טווח זוויות ההתקפה שתמרון המעבר חולף דרכו בפועל, מכיוון שקשה לחזות את הכוחות האווירודינמיים במשטר זה מתיאוריה בלבד, ומודלי דינמיקת הטיסה המשמשים לתכנון בקר המעבר תלויים ישירות בנתוני מנהרת רוח אלו.
האינטר אקציה בין המדחף לכנף מחמירה זאת: בזווית התקפה גבוהה ומהירות אוויר נמוכה, הכוח שהמדחף משרה בניצב לציר הדחף שלו תלוי בזווית ההתקפה, מהירות האוויר, הטיית המדפים והדחף בו-זמנית ובאופן לא ליניארי — זהו אינו קשר שבדיקות נפרדות של המדחף לבדו והכנף לבדה יחשפו.
3. מה באמת נדרש ממסע בדיקות מעבר
- סריקת המרה אמיתית, לא רק שתי נקודות הקצה. נתוני ריחוף ושיוט אינם חוזים מה קורה בזוויות ביניים של בתי המנוע או בזוויות עלרוד — העומסים הגרועים ביותר בתוכנית ה-XV-15 הופיעו בזווית של 60°, רחוק מאוד מכל אחד ממצבי הקיצון.
- הדמיית זרימה בצומת כנף-בית מנוע או כנף-גוף מטוס. בעיית העומס על הזנב ב-XV-15 אובחנה רק על ידי הצמדת חוטי צמר (tufting) לחלק הפנימי של בית המנוע ומעקב אחר לאן המערבולת שנוצרה באמת הלכה — נתוני כוח לבדם לא הסבירו את העומסים.
- ניטור עומסים מבניים על הזנב וחלקה האחורי של שלדת המטוס , לא רק על הכנף — עבור Tiltrotor, שובל רוטור החוצה את הזנב בזוויות מעבר ספציפיות הוא מצב כשל מתועד, ואינו מובן מאליו.
- כיסוי של כל טווח זוויות ההתקפה שתמרון המעבר של Tailsitter חולף דרכו , כולל הרבה מעבר להזדקרות קונבנציונלית, שכן זהו בדיוק המשטר שדרכו בקר המעבר צריך לטוס.
- הנעה כלולה בכל נקודת נתונים של המעבר — כוחות מחוץ לציר המושרים על ידי המדחף במהלך המעבר הם פונקציה של זווית התקפה, מהירות אוויר ודחף יחד, ואינם ניתנים להפרדה מהבדיקה האווירודינמית.
4. חמש טעויות שאנו רואים
- בדיקת ריחוף ושיוט בלבד וביצוע אינטרפולציה ביניהם. נתוני ה-XV-15 מראים שהעומסים הגרועים ביותר יכולים להופיע באמצע המסדרון, לא באף אחת מנקודות הקצה — אינטרפולציה הייתה מפספסת זאת לחלוטין.
- דילוג על הדמיית זרימה מכיוון שתאי העומס "מראים מספר". צוות ה-XV-15 מצא את הגורם לעומסי הזנב — מערבולת קצה כנף ספציפית בזווית בית מנוע ספציפית — רק באמצעות חוטי צמר; נתוני הכוח לבדם אמרו להם שיש בעיה, לא מדוע.
- התייחסות למעבר של Tailsitter כ"רק סריקת זווית התקפה גדולה" על כנף מבודדת. האינטראקציה בין גוף המטוס, המייצב והמדחף חשובה כולה בזוויות אלו — פולרה של כנף מבודדת לא תשחזר את התנהגות כלי הטיס המלא שבקר המעבר זקוק לה.
- הנחה שפתרון בודד (מסיטי זרימה, גדרות כנף, מחוללי מערבולות) ינקה את העומסים לאורך כל המסדרון. בתוכנית ה-XV-15, פתרונות שעזרו לזנב האופקי החמירו את העומסים על הסנפיר האנכי — פתרונות למסדרון המעבר צריכים להיבחן לאורך כל המעטפת, לא בתנאי אחד.
- אי-בדיקת מעטפת הכשל, אלא רק את המעטפת הנומינלית. גבול הבטיחות התלוי בזווית בית המנוע שנמצא ב-XV-15 (85° כסף לכשל מנוע כפול שניתן להתאושש ממנו) הגיע מניתוח ייעודי של משטר המעבר באופן ספציפי — הוא לא היה מופיע בבדיקות תנאים נומינליים בלבד.
5. מה זה אומר עבור התוכנית שלך
ספרו לנו מהו מנגנון המעבר שלכם — Tiltrotor או Tailsitter — ומהו מסדרון ההמרה המיועד שלכם , ואנו נתכנן מסע בדיקות הסורק את מעטפת המעבר המלאה, לא רק את נקודות הקצה של הריחוף והשיוט. קריאה קשורה: מאמר המרכז שלנו בנושא
[Article not found: long-range-fixed-wing-uas-wind-tunnel-testing].
מקורות והערות
- תוכנית מנהרת רוח של XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft (מנהרת רוח 40 על 80 רגל במרכז איימס, יעדי בדיקה המכסים מצב מסוק דרך מעבר למצב מטוס עד ליכולת מנהרה של 170 קשר, קונספט מסדרון ההמרה, מוסכמת זווית בתי מנוע של 0° מטוס / 90° מסוק, עומס על הזנב ממערבולות קצה כנף בזווית של 60° שאובחן באמצעות הדמיית חוטי צמר, עירור זנב ממערבולות קצה רוטור המגיע לשיא סביב 40 קשר במצב מסוק, סף הבטיחות לכשל מנוע כפול בזווית של 85° עם חלון התאוששות של 5 שניות, והמרה מלאה מ-95° ל-0° ב-11 שניות): 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).
- קנה המידה והבסיס של תוכנית Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM) (קנה מידה 1/4 של ה-Bell/Boeing V-22 Osprey, רוטור מבודד שנבדק במנהרת הרוח הגרמנית-הולנדית, מודל רוטור כפול במוטת כנפיים מלאה שנבדק במקטע 40 על 80 רגל של מתחם האווירודינמיקה הלאומי בקנה מידה מלא במרכז איימס של נאס"א): NASA Ames Research Center, "Tiltrotor Aeroacoustic Model".
- אווירודינמיקת מעבר של Tailsitter (בדיקות מנהרת רוח של כלי טיס שלם לאורך טווח זוויות ההתקפה הנסרק על ידי תמרון המעבר, וצימוד לא ליניארי של כוח מחוץ לציר המושרה על ידי המדחף עם זווית התקפה, מהירות אוויר, הטיית מדפים ודחף) עקבית באופן נרחב עם מחקרי מנהרת רוח שפורסמו בנושא Tailsitter; האפיון של TunnelTech לגישת הבדיקה משקף את הפרקטיקה ההנדסית שלנו עבור מחלקת כלי טיס זו.
- הנחיות מתודולוגיית בדיקה (סריקות המרה מלאות, הדמיית זרימה בצמתים, ניטור מבני של הזנב, הערכת פתרונות במעטפת מלאה) הן פרקטיקה הנדסית של TunnelTech, המבוססת ישירות על ממצאי ה-XV-15 המתועדים לעיל.