VTOL ट्रांज़िशन टेस्टिंग: टिल्टरोटर और टेलसिटर

एक फिक्स्ड-विंग VTOL एयरक्राफ्ट — टिल्टरोटर या टेलसिटर — को दो बिल्कुल अलग एयरोडायनामिक (वायुगतिकीय) स्थितियों में उड़ान भरनी होती है: रोटर-आधारित होवर (hover) और विंग-आधारित क्रूज़ (cruise)। इनमें से किसी भी स्थिति का परीक्षण करना मुश्किल हिस्सा नहीं है। मुश्किल हिस्सा उनके बीच का चरण है, जहाँ रोटर वेक (rotor wake) विंग को वर्टिकल (ऊर्ध्वाधर) से हॉरिजॉन्टल (क्षैतिज) तक हर कोण पर पार करता है और एयरक्राफ्ट न तो हेलीकॉप्टर होता है और न ही हवाई जहाज। उद्योग में इस चरण का एक नाम है — कन्वर्जन कॉरिडोर (conversion corridor) — और इसके लिए अपने स्वयं के परीक्षण कार्यक्रम की आवश्यकता होती है。

1. कन्वर्जन कॉरिडोर एक परिभाषित, परीक्षित फ्लाइट एनवलप (flight envelope) है

रिकॉर्ड पर इसका सबसे स्पष्ट उदाहरण संयुक्त NASA/Army XV-15 टिल्ट रोटर रिसर्च एयरक्राफ्ट है, जिसका परीक्षण विशेष रूप से "हेलीकॉप्टर से लेकर ट्रांज़िशन और एयरप्लेन मोड तक के फ्लाइट मोड के लिए एयरक्राफ्ट के प्रदर्शन, स्थिरता, नियंत्रण और संरचनात्मक भार" का मूल्यांकन करने के लिए एम्स (Ames) 40- गुणा 80-फुट विंड टनल में किया गया था। इस कार्यक्रम ने स्पष्ट रूप से एक कन्वर्जन कॉरिडोर को मैप किया — एयरक्राफ्ट कॉन्फ़िगरेशन, जो नैसेल इंसिडेंस (nacelle incidence) और वायु वेग (airspeed) द्वारा परिभाषित होते हैं, और जो हेलीकॉप्टर और एयरप्लेन की चरम सीमाओं के बीच रोटर्स चालू रखकर उड़ान भरने के लिए सुरक्षित हैं। नैसेल इंसिडेंस को धड़ (fuselage) के सापेक्ष मापा जाता है: 0° एयरप्लेन मोड है, 90° हेलीकॉप्टर मोड है, और इनके बीच का हर कोण एक विशिष्ट ट्रांज़िशन कॉन्फ़िगरेशन है。

उस कार्यक्रम से ट्रांज़िशन-विशिष्ट कुछ निष्कर्ष:

रोटर वेक ने सीधे टेल (tail) पर भार डाला। कन्वर्जन एनवलप के कम गति वाले छोर पर, लगभग 60° नैसेल इंसिडेंस पर, टेल संरचना पर उच्च कंपन भार (vibratory loads) देखा गया — इतना अधिक कि हॉरिजॉन्टल स्पार अपनी अनंत-जीवन डिज़ाइन सीमा को पार कर गया। इसका कारण टफ्ट फ्लो विज़ुअलाइज़ेशन (tuft flow visualization) से पहचाना गया: एक मजबूत भंवर (vortex) जो विंगटिप के ऊपर से घूमता हुआ उस विशिष्ट नैसेल कोण पर टेल के अंदरूनी हिस्से तक पहुँचता है। किसी भी एक एयरोडायनामिक सुधार (विंग फेंस, नैसेल स्ट्रेक्स, वोर्टेक्स जनरेटर) ने इसे पूरे होवर-से-एयरप्लेन रेंज में हल नहीं किया — भार को एक वास्तविक ट्रांज़िशन-विशिष्ट समस्या के रूप में प्रबंधित किया जाना था, न कि किसी एक-आकार-फिट समाधान के साथ।
रोटर टिप वोर्टिसेस ने एक विशिष्ट ट्रांज़िशन वायु वेग पर टेल को उत्तेजित किया। हेलीकॉप्टर मोड में, हॉरिजॉन्टल टेल अटैच लग्स पर ऑसिलेटरी (दोलनकारी) भार वायु वेग के साथ लगभग 40 नॉट्स तक बढ़ गया, फिर इसके ऊपर तेजी से गिर गया — रोटर टिप वोर्टिसेस, जो होवर में नीचे की ओर गिरते हैं, फॉरवर्ड फ्लाइट शुरू होने पर विशेष रूप से उस गति के आसपास टेल के पथ में पीछे की ओर बहते हैं, और फिर उच्च गति पर टेल को पूरी तरह से पार कर जाते हैं।
स्केल-मॉडल परीक्षण उसी कॉरिडोर कार्य को आधुनिक एयरक्राफ्ट तक बढ़ाता है। NASA और आर्मी के टिल्ट रोटर एयरोअकॉस्टिक मॉडल (TRAM) कार्यक्रम — बेल/बोइंग V-22 ऑस्प्रे का 1/4-स्केल, डुअल-रोटर मॉडल — ने XV-15 कार्यक्रम द्वारा पहली बार कॉरिडोर को परिभाषित करने के दशकों बाद, नेशनल फुल-स्केल एयरोडायनामिक्स कॉम्प्लेक्स में फुल-एनवलप टिल्टरोटर परीक्षण की इस श्रृंखला को जारी रखा है।
सुरक्षा एनवलप स्वयं नैसेल कोण का एक फलन (function) है। कार्यक्रम के लिए किए गए सिमुलेशन कार्य में पाया गया कि 85° नैसेल इंसिडेंस (हेलीकॉप्टर/ट्रांज़िशन मोड में गहराई पर) से ऊपर डुअल-इंजन विफलता एक ऐसी विफलता स्थिति थी जो खतरनाक ब्लेड फ्लैपिंग और भार पैदा कर सकती थी — जिसे केवल 5 सेकंड के भीतर नैसेल इंसिडेंस को कम करके ही रिकवर किया जा सकता था। 95° से 0° तक पूर्ण कन्वर्जन 11 सेकंड में निष्पादित किया जा सकता था। 85° से नीचे, किसी विशेष रिकवरी कार्रवाई की बिल्कुल आवश्यकता नहीं थी। दूसरे शब्दों में, ट्रांज़िशन व्यवस्था की अपनी सुरक्षा सीमाएँ होती हैं जो होवर और क्रूज़ में साझा नहीं होती हैं。

2. टेलसिटर एक संबंधित लेकिन अलग समस्या लाते हैं

एक टेलसिटर पूरे एयरफ्रेम को वर्टिकल से हॉरिजॉन्टल में पिच करके ट्रांज़िशन करता है, जिसका अर्थ है कि इसके विंग और धड़ बहुत उच्च एंगल ऑफ अटैक (angle of attack) से गुजरते हैं — जो उस बिंदु से काफी आगे होता है जहाँ एक फिक्स्ड-विंग एयरक्राफ्ट सामान्य रूप से स्टॉल (stall) हो जाता है — इससे पहले कि एयरक्राफ्ट विंग-आधारित हो जाए। टेलसिटर एयरोडायनामिक्स पर प्रकाशित विंड टनल कार्य ने विशेष रूप से इसे लक्षित किया है: पूर्ण एयरक्राफ्ट (विंग, धड़ और स्टेबलाइज़र एक साथ, न कि केवल एक अलग एयरफॉइल) का परीक्षण उस संपूर्ण एंगल-ऑफ-अटैक रेंज में करना जिससे ट्रांज़िशन पैंतरेबाज़ी वास्तव में गुजरती है, क्योंकि इस व्यवस्था में एयरोडायनामिक बलों की भविष्यवाणी केवल सिद्धांत से करना मुश्किल है और ट्रांज़िशन कंट्रोलर को डिज़ाइन करने के लिए उपयोग किए जाने वाले फ्लाइट-डायनामिक्स मॉडल सीधे उस विंड टनल डेटा पर निर्भर करते हैं。

प्रोपेलर-विंग इंटरैक्शन इसे और जटिल बनाता है: उच्च एंगल ऑफ अटैक और कम वायु वेग पर, प्रोपेलर अपने थ्रस्ट अक्ष के लंबवत जो बल उत्पन्न करता है, वह एक साथ और गैर-रैखिक (nonlinearly) रूप से एंगल ऑफ अटैक, वायु वेग, फ्लैप डिफ्लेक्शन और थ्रस्ट पर निर्भर करता है — यह ऐसा संबंध नहीं है जिसे अलग-अलग प्रोपेलर-अलोन और विंग-अलोन परीक्षण प्रकट कर सकें。

3. एक ट्रांज़िशन परीक्षण अभियान को वास्तव में क्या चाहिए

एक वास्तविक कन्वर्जन स्वीप, न कि केवल दो अंतिम बिंदु। होवर और क्रूज़ डेटा यह भविष्यवाणी नहीं करते हैं कि मध्यवर्ती नैसेल कोणों या पिच एटीट्यूड पर क्या होता है — XV-15 कार्यक्रम के सबसे खराब भार 60° नैसेल इंसिडेंस पर दिखाई दिए, जो किसी भी चरम सीमा के करीब नहीं थे।
विंग-नैसेल या विंग-धड़ जंक्शन पर फ्लो विज़ुअलाइज़ेशन। XV-15 टेल-लोडिंग समस्या का निदान केवल इनबोर्ड नैसेल की टफ्टिंग (tufting) करके और यह पता लगाकर किया गया था कि परिणामी भंवर वास्तव में कहाँ गया — केवल बल डेटा ने भार की व्याख्या नहीं की।
टेल और पिछले धड़ पर संरचनात्मक भार की निगरानी , न कि केवल विंग पर — एक टिल्टरोटर के लिए, विशिष्ट ट्रांज़िशन कोणों पर टेल को पार करने वाला रोटर वेक एक प्रलेखित, और गैर-स्पष्ट, विफलता मोड है।
उस पूर्ण एंगल-ऑफ-अटैक रेंज की कवरेज जिससे एक टेलसिटर की ट्रांज़िशन पैंतरेबाज़ी गुजरती है , जिसमें पारंपरिक स्टॉल से काफी आगे तक शामिल है, क्योंकि यह ठीक वही व्यवस्था है जिससे ट्रांज़िशन कंट्रोलर को उड़ान भरनी होती है।
प्रत्येक ट्रांज़िशन डेटा बिंदु में प्रणोदन (propulsion) शामिल होना — ट्रांज़िशन के दौरान प्रोपेलर-प्रेरित ऑफ-एक्सिस बल एक साथ एंगल ऑफ अटैक, वायु वेग और थ्रस्ट का एक फलन हैं, जिन्हें एयरोडायनामिक परीक्षण से अलग नहीं किया जा सकता है。

4. पाँच गलतियाँ जो हम देखते हैं

केवल होवर और क्रूज़ का परीक्षण करना और उनके बीच इंटरपोलेट (interpolate) करना। XV-15 डेटा से पता चलता है कि सबसे खराब भार कॉरिडोर के मध्य में दिखाई दे सकते हैं, न कि किसी भी अंतिम बिंदु पर — इंटरपोलेशन इसे पूरी तरह से चूक गया होता।
फ्लो विज़ुअलाइज़ेशन को छोड़ना क्योंकि लोड सेल (load cells) "एक संख्या दिखाते हैं।" XV-15 टीम ने टेल भार का कारण — एक विशिष्ट नैसेल कोण पर एक विशिष्ट विंगटिप भंवर — केवल टफ्टिंग के माध्यम से पाया; केवल बल डेटा ने उन्हें बताया कि एक समस्या थी, यह नहीं कि क्यों।
टेलसिटर ट्रांज़िशन को एक अलग विंग पर "केवल एक बड़े एंगल-ऑफ-अटैक स्वीप" के रूप में मानना। इन कोणों पर धड़, स्टेबलाइज़र और प्रोपेलर इंटरैक्शन सभी मायने रखते हैं — एक आइसोलेटेड-विंग पोलर उस पूर्ण-एयरक्राफ्ट व्यवहार को पुन: उत्पन्न नहीं करेगा जिसकी ट्रांज़िशन कंट्रोलर को आवश्यकता होती है।
यह मान लेना कि एक एकल सुधार (स्ट्रेक्स, फेंस, वोर्टेक्स जनरेटर) पूरे कॉरिडोर में भार को साफ कर देगा। XV-15 कार्यक्रम पर, जिन सुधारों ने हॉरिजॉन्टल टेल की मदद की, उन्होंने वर्टिकल फिन भार को और खराब कर दिया — ट्रांज़िशन-कॉरिडोर सुधारों का मूल्यांकन पूरे एनवलप में किया जाना चाहिए, न कि केवल एक स्थिति पर।
विफलता एनवलप का परीक्षण न करना, केवल नाममात्र (nominal) का परीक्षण करना। XV-15 पर पाई गई नैसेल-कोण-निर्भर सुरक्षा सीमा (एक रिकवर करने योग्य डुअल-इंजन विफलता के लिए सीमा के रूप में 85°) विशेष रूप से ट्रांज़िशन व्यवस्था के समर्पित विश्लेषण से आई थी — यह केवल नाममात्र-स्थिति परीक्षण में दिखाई नहीं देती。

5. आपके कार्यक्रम के लिए इसका क्या अर्थ है

हमें अपना ट्रांज़िशन तंत्र — टिल्टरोटर या टेलसिटर — और अपना लक्षित कन्वर्जन कॉरिडोर बताएं , और हम एक परीक्षण अभियान की रूपरेखा तैयार करेंगे जो पूर्ण ट्रांज़िशन एनवलप को कवर करता है, न कि केवल इसके होवर और क्रूज़ अंतिम बिंदुओं को। संबंधित पठन:

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पर हमारा हब लेख。

स्रोत और नोट्स

XV-15 टिल्ट रोटर रिसर्च एयरक्राफ्ट विंड टनल कार्यक्रम (एम्स 40- गुणा 80-फुट विंड टनल, 170 नॉट्स टनल क्षमता तक हेलीकॉप्टर से ट्रांज़िशन के माध्यम से एयरप्लेन मोड को कवर करने वाले परीक्षण उद्देश्य, कन्वर्जन कॉरिडोर अवधारणा, 0° एयरप्लेन / 90° हेलीकॉप्टर का नैसेल इंसिडेंस कन्वेंशन, टफ्ट विज़ुअलाइज़ेशन के माध्यम से निदान किए गए 60° नैसेल इंसिडेंस पर विंगटिप वोर्टिसेस से टेल लोडिंग, हेलीकॉप्टर मोड में 40 नॉट्स के पास रोटर-टिप-वोर्टेक्स टेल उत्तेजना का चरम, 5-सेकंड रिकवरी विंडो के साथ 85° नैसेल इंसिडेंस पर डुअल-इंजन-विफलता सुरक्षा सीमा, और 11 सेकंड में पूर्ण 95° से 0° कन्वर्जन): वीबर्ग, जे.ए., मैसेल, एम.डी., "विंड-टनल टेस्ट्स ऑफ द XV-15 टिल्ट रोटर एयरक्राफ्ट," NASA टेक्निकल मेमोरेंडम 81177 / AVRADCOM टेक्निकल रिपोर्ट TR-80-A-3, 1980 (NASA Technical Reports Server, document 19800015802)।
टिल्ट रोटर एयरोअकॉस्टिक मॉडल (TRAM) कार्यक्रम पैमाना और आधार (बेल/बोइंग V-22 ऑस्प्रे का 1/4 पैमाना, जर्मन-डच विंड टनल में परीक्षण किया गया आइसोलेटेड रोटर, NASA एम्स में नेशनल फुल-स्केल एयरोडायनामिक्स कॉम्प्लेक्स के 40- गुणा 80-फुट सेक्शन में परीक्षण किया गया फुल-स्पैन डुअल-रोटर मॉडल): NASA Ames Research Center, "Tiltrotor Aeroacoustic Model"।
टेलसिटर ट्रांज़िशन एयरोडायनामिक्स (ट्रांज़िशन पैंतरेबाज़ी द्वारा कवर की गई एंगल-ऑफ-अटैक रेंज में पूर्ण-एयरक्राफ्ट विंड टनल परीक्षण, और एंगल ऑफ अटैक, वायु वेग, फ्लैप डिफ्लेक्शन और थ्रस्ट के साथ प्रोपेलर-प्रेरित ऑफ-एक्सिस बल का गैर-रैखिक युग्मन) प्रकाशित टेलसिटर विंड टनल अनुसंधान के साथ व्यापक रूप से सुसंगत है; परीक्षण दृष्टिकोण का TunnelTech का लक्षण वर्णन इस एयरक्राफ्ट वर्ग के लिए हमारे स्वयं के इंजीनियरिंग अभ्यास को दर्शाता है।
परीक्षण-पद्धति मार्गदर्शन (पूर्ण कन्वर्जन स्वीप, जंक्शन फ्लो विज़ुअलाइज़ेशन, टेल संरचनात्मक निगरानी, फुल-एनवलप फिक्स मूल्यांकन) TunnelTech इंजीनियरिंग अभ्यास है, जो सीधे ऊपर प्रलेखित XV-15 निष्कर्षों द्वारा सूचित है।

फिक्स्ड-विंग VTOL ट्रांज़िशन टेस्टिंग: टिल्टरोटर और टेलसिटर