Ispitivanje tranzicije VTOL zrakoplova: Tiltrotori i tailsitteri

VTOL zrakoplov s fiksnim krilima — tiltrotor ili tailsitter — mora letjeti u dva potpuno različita aerodinamička režima: lebdjenje na rotoru i krstarenje na krilima. Niti jedan od tih režima nije težak za ispitivanje. Teži dio je faza između njih, gdje turbulentni trag rotora prelazi preko krila pod svakim kutom od vertikalnog do horizontalnog, a zrakoplov nije ni helikopter ni avion. Ta faza u industriji ima svoje ime — koridor konverzije — i zahtijeva vlastiti program ispitivanja.

1. Koridor konverzije je definirana, ispitana anvelopa leta

Najjasniji zabilježeni primjer je zajednički projekt NASA-e i američke vojske, XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft , ispitan u zračnom tunelu Ames 40- by 80-Foot Wind Tunnel specifično za procjenu "performansi zrakoplova, stabilnosti, upravljivosti i strukturnih opterećenja za režime leta od helikoptera, preko tranzicije, do avionskog režima." Program je eksplicitno mapirao koridor konverzije — konfiguracije zrakoplova, definirane nagibom gondole i brzinom zraka, koje su sigurne za let s uključenim rotorima između helikopterskih i avionskih ekstrema. Sam nagib gondole mjeri se u odnosu na trup: 0° je avionski režim, 90° je helikopterski režim, a svaki kut između predstavlja zasebnu tranzicijsku konfiguraciju.

Neki od specifičnih nalaza vezanih uz tranziciju iz tog programa:

Trag rotora izravno je opterećivao rep. Na donjoj granici brzine anvelope konverzije, pri nagibu gondole od oko 60°, struktura repa bila je izložena visokim vibracijskim opterećenjima — dovoljno visokim da je horizontalna ramenjača premašila svoju projektnu granicu beskonačnog vijeka trajanja. Uzrok je identificiran pomoću vizualizacije strujanja nitima (tuftovima): snažan vrtlog koji se prelijevao preko vrha krila i prelazio prema unutra na rep pri tom specifičnom kutu gondole. Nijedno pojedinačno aerodinamičko rješenje (aerodinamičke pregrade na krilu, stabilizatori na gondoli, generatori vrtloga) nije to riješilo u cijelom rasponu od lebdjenja do avionskog leta — opterećenja su se morala rješavati kao stvarni problem specifičan za tranziciju, a ne krpati univerzalnim rješenjem.
Vrtlozi s vrhova rotora pobuđivali su rep pri specifičnoj brzini zraka u tranziciji. U helikopterskom režimu, oscilatorna opterećenja na priključnim ušicama horizontalnog repa rasla su s brzinom zraka do oko 40 čvorova, a zatim su naglo padala iznad te brzine — vrtlozi s vrhova rotora, koji se pri lebdjenju odbacuju prema dolje, prelaze unatrag u putanju repa upravo oko te brzine kada započinje let prema naprijed, a zatim pri većoj brzini potpuno zaobilaze rep.
Ispitivanje na modelima u mjerilu proširuje isti rad na koridoru na moderne zrakoplove. Program Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM) NASA-e i vojske — model s dva rotora u mjerilu 1/4 zrakoplova Bell/Boeing V-22 Osprey — nastavio je ovaj smjer ispitivanja tiltrotora u punoj anvelopi u kompleksu National Full-Scale Aerodynamics Complex, desetljećima nakon što je program XV-15 prvi put definirao koridor.
Sama sigurnosna anvelopa ovisi o kutu gondole. Simulacije provedene za program otkrile su da je otkazivanje oba motora iznad 85° nagiba gondole (duboko u helikopterskom/tranzicijskom režimu) bio jedini uvjet kvara koji je mogao proizvesti opasno lepršanje lopatica i opterećenja — iz kojeg se moglo izvući samo smanjenjem nagiba gondole unutar 5 sekundi. Potpuna konverzija s 95° na 0° mogla se izvesti u 11 sekundi. Ispod 85° nije bila potrebna nikakva posebna radnja za oporavak. Drugim riječima, tranzicijski režim ima vlastite sigurnosne granice koje lebdjenje i krstarenje ne dijele.

2. Tailsitteri donose srodan, ali drugačiji problem

Tailsitter prelazi iz jednog režima u drugi naginjanjem cijelog trupa iz vertikalnog u horizontalni položaj, što znači da njegovo krilo i trup prolaze kroz vrlo visoke napadne kutove — znatno iznad točke gdje bi zrakoplov s fiksnim krilima normalno prevukao (stall) — prije nego što zrakoplov pređe na let na krilima. Objavljeni radovi iz zračnih tunela o aerodinamici tailsittera specifično su ciljali na ovo: ispitivanje cijelog zrakoplova (krilo, trup i stabilizator zajedno, a ne samo izolirani aeroprofil) kroz cijeli raspon napadnih kutova kroz koje prolazi manevar tranzicije, jer je aerodinamičke sile u ovom režimu teško predvidjeti samo iz teorije, a modeli dinamike leta koji se koriste za dizajniranje kontrolera tranzicije izravno ovise o tim podacima iz zračnog tunela.

Interakcija propelera i krila to dodatno komplicira: pri visokom napadnom kutu i niskoj brzini zraka, sila koju propeler inducira okomito na svoju os potiska ovisi o napadnom kutu, brzini zraka, otklonu zakrilaca i potisku istovremeno i nelinearno — što nije odnos koji će otkriti odvojena ispitivanja samo propelera i samo krila.

3. Što kampanja ispitivanja tranzicije zapravo treba

Pravi prolazak kroz konverziju, a ne samo dvije krajnje točke. Podaci o lebdjenju i krstarenju ne predviđaju što se događa pri srednjim kutovima gondole ili nagibima zrakoplova — najgora opterećenja u programu XV-15 pojavila su se pri nagibu gondole od 60°, ni blizu nijednom ekstremu.
Vizualizacija strujanja na spoju krila i gondole ili krila i trupa. Problem opterećenja repa na XV-15 dijagnosticiran je tek postavljanjem niti na unutarnji dio gondole i praćenjem kamo je rezultirajući vrtlog zapravo otišao — sami podaci o silama nisu objašnjavali opterećenja.
Nadzor strukturnog opterećenja na repu i stražnjem dijelu trupa , a ne samo na krilu — za tiltrotor, prelazak traga rotora preko repa pri specifičnim kutovima tranzicije je dokumentiran i nimalo očit način otkazivanja.
Pokrivanje cijelog raspona napadnih kutova kroz koje prolazi manevar tranzicije tailsittera , uključujući i znatno iznad konvencionalnog prevlačenja, budući da je to upravo režim kroz koji kontroler tranzicije mora letjeti.
Propulzija uključena u svaku točku podataka o tranziciji — sile izvan osi inducirane propelerom tijekom tranzicije funkcija su napadnog kuta, brzine zraka i potiska zajedno, i ne mogu se odvojiti od aerodinamičkog ispitivanja.

4. Pet pogrešaka koje viđamo

Ispitivanje samo lebdjenja i krstarenja te interpolacija između njih. Podaci s XV-15 pokazuju da se najgora opterećenja mogu pojaviti u sredini koridora, a ne na bilo kojoj krajnjoj točki — interpolacija bi to u potpunosti propustila.
Preskakanje vizualizacije strujanja jer mjerne doze "pokazuju broj." Tim XV-15 pronašao je uzrok opterećenja repa — specifičan vrtlog s vrha krila pri specifičnom kutu gondole — isključivo pomoću niti; sami podaci o silama rekli su im da postoji problem, ali ne i zašto.
Tretiranje tranzicije tailsittera kao "samo velikog prolaska kroz napadne kutove" na izoliranom krilu. Interakcija trupa, stabilizatora i propelera važna je pri ovim kutovima — polara izoliranog krila neće reproducirati ponašanje cijelog zrakoplova koje je potrebno kontroleru tranzicije.
Pretpostavka da će jedno rješenje (stabilizatori, pregrade, generatori vrtloga) očistiti opterećenja kroz cijeli koridor. Na programu XV-15, rješenja koja su pomogla horizontalnom repu pogoršala su opterećenja vertikalnog stabilizatora — rješenja za koridor konverzije moraju se procijeniti kroz cijelu anvelopu, a ne samo u jednom uvjetu.
Neispitivanje anvelope kvara, već samo nominalne. Sigurnosna granica ovisna o kutu gondole pronađena na XV-15 (85° kao prag za otkazivanje oba motora iz kojeg je moguć oporavak) proizašla je iz namjenske analize specifično tranzicijskog režima — to se ne bi pokazalo samo u ispitivanju nominalnih uvjeta.

5. Što to znači za vaš program

Recite nam svoj mehanizam tranzicije — tiltrotor ili tailsitter — i vaš ciljani koridor konverzije , a mi ćemo osmisliti kampanju ispitivanja koja obuhvaća cijelu anvelopu tranzicije, a ne samo njezine krajnje točke lebdjenja i krstarenja. Povezano štivo: naš glavni članak o

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

Izvori i napomene

Program zračnog tunela za XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft (zračni tunel Ames 40- by 80-Foot Wind Tunnel, ciljevi ispitivanja koji pokrivaju režime od helikoptera preko tranzicije do avionskog režima do mogućnosti tunela od 170 čvorova, koncept koridora konverzije, konvencija nagiba gondole od 0° za avion / 90° za helikopter, opterećenje repa od vrtloga s vrha krila pri nagibu gondole od 60° dijagnosticirano putem vizualizacije nitima, pobuda repa vrtlozima s vrha rotora koja doseže vrhunac blizu 40 čvorova u helikopterskom režimu, sigurnosni prag otkazivanja oba motora pri nagibu gondole od 85° s prozorom za oporavak od 5 sekundi, te potpuna konverzija s 95° na 0° u 11 sekundi): 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, dokument 19800015802).
Mjerilo i osnova programa Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM) (mjerilo 1/4 zrakoplova Bell/Boeing V-22 Osprey, izolirani rotor ispitan u zračnom tunelu German-Dutch Wind Tunnel, model s dva rotora punog raspona ispitan u sekciji 40- by 80-foot kompleksa National Full-Scale Aerodynamics Complex u NASA Ames): NASA Ames Research Center, "Tiltrotor Aeroacoustic Model".
Aerodinamika tranzicije tailsittera (ispitivanje cijelog zrakoplova u zračnom tunelu kroz raspon napadnih kutova obuhvaćenih manevrom tranzicije, te nelinearno sprezanje sile izvan osi inducirane propelerom s napadnim kutom, brzinom zraka, otklonom zakrilaca i potiskom) u velikoj je mjeri u skladu s objavljenim istraživanjima tailsittera u zračnim tunelima; karakterizacija pristupa ispitivanju tvrtke TunnelTech odražava našu vlastitu inženjersku praksu za ovu klasu zrakoplova.
Smjernice za metodologiju ispitivanja (puni prolasci kroz konverziju, vizualizacija strujanja na spojevima, nadzor strukture repa, procjena rješenja u punoj anvelopi) inženjerska su praksa tvrtke TunnelTech, izravno utemeljena na gore dokumentiranim nalazima za XV-15.

Ispitivanje tranzicije VTOL zrakoplova s fiksnim krilima: Tiltrotori i tailsitteri