VTOL átmenet tesztelése: billenőrotoros és farokra ülő repülőgépek

Egy merevszárnyú VTOL repülőgépnek – legyen az billenőrotoros vagy farokra ülő (tailsitter) – két teljesen eltérő aerodinamikai tartományban kell repülnie: a rotoros lebegés és a szárnyas utazórepülés során. Ezen tartományok egyikének tesztelése sem jelenti a nehéz részt. A nehéz rész a kettő közötti fázis, ahol a rotor nyomvonalának áramlása a függőlegestől a vízszintesig minden szögben keresztezi a szárnyat, és a repülőgép se nem helikopter, se nem repülőgép. Ennek a fázisnak az iparágban külön neve van – ez a konverziós folyosó –, és saját tesztprogramot igényel.

1. A konverziós folyosó egy meghatározott, tesztelt repülési tartomány

A legvilágosabb dokumentált példa a NASA és a Hadsereg közös XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft (billenőrotoros kutató repülőgép) projektje, amelyet az Ames 40x80 lábas szélcsatornájában teszteltek kifejezetten azzal a céllal, hogy értékeljék a "repülőgép teljesítményét, stabilitását, irányíthatóságát és szerkezeti terheléseit a helikopteres üzemmódtól az átmeneten át a repülőgépes üzemmódig". A program kifejezetten feltérképezett egy konverziós folyosót – azokat a hajtóműgondola-állásszög és légsebesség által meghatározott repülőgép-konfigurációkat, amelyek biztonságosan repülhetők bekapcsolt rotorokkal a helikopteres és a repülőgépes végletek között. Magát a gondola állásszögét a törzshöz viszonyítva mérik: a 0° a repülőgépes üzemmód, a 90° a helikopteres üzemmód, és a kettő közötti minden egyes szög egy-egy különálló átmeneti konfigurációt jelent.

Néhány, kifejezetten az átmeneti fázisra vonatkozó megállapítás a programból:

A rotor nyomvonalának áramlása közvetlenül terhelte a farokrészt. A konverziós tartomány alacsony sebességű végén, körülbelül 60°-os gondola-állásszögnél a farokszerkezet magas vibrációs terhelést kapott – olyannyira, hogy a vízszintes tartó túllépte a végtelen élettartamra tervezett határértékét. Az okot szálazásos áramlásvizsgálattal azonosították: egy erős örvény gördült át a szárnyvégen, és söpört befelé a farokrészre ennél a specifikus gondolaszögnél. Egyetlen aerodinamikai módosítás (szárnylapok, gondolaterelők, örvénykeltők) sem oldotta meg a problémát a lebegéstől a repülőgépes üzemmódig terjedő teljes tartományban – a terheléseket valódi, az átmenetre jellemző problémaként kellett kezelni, nem pedig egyetlen, mindenre jó megoldással foltozni.
A rotorlapátok végénél keletkező örvények egy adott átmeneti légsebességnél gerjesztették a farokrészt. Helikopteres üzemmódban a vízszintes vezérsík rögzítőfüleire ható oszcilláló terhelések a légsebességgel együtt nőttek egészen körülbelül 40 csomóig, majd efelett gyorsan lecsökkentek – a lebegéskor lefelé leváló rotorvég-örvények az előrerepülés megkezdésekor, kifejezetten ezen a sebességen söpörnek hátra a farokrész útjába, majd nagyobb sebességnél teljesen elkerülik azt.
A méretarányos modelltesztek kiterjesztik ugyanezt a folyosóvizsgálatot a modern repülőgépekre is. A NASA és a Hadsereg Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM) programja – a Bell/Boeing V-22 Osprey 1/4-es méretarányú, kétrotoros modellje – folytatta a billenőrotoros gépek teljes tartományú tesztelését a National Full-Scale Aerodynamics Complex létesítményben, évtizedekkel azután, hogy az XV-15 program először meghatározta a folyosót.
Maga a biztonsági tartomány is a gondola szögének függvénye. A programhoz végzett szimulációs munka megállapította, hogy a 85°-os gondola-állásszög feletti (mélyen a helikopteres/átmeneti üzemmódban lévő) kettős hajtóműhiba volt az az egyetlen hibaállapot, amely veszélyes lapátcsapkodást és terheléseket okozhatott – és amelyből csak a gondola állásszögének 5 másodpercen belüli csökkentésével lehetett kilábalni. A teljes konverzió 95°-ról 0°-ra 11 másodperc alatt volt végrehajtható. 85° alatt egyáltalán nem volt szükség különleges helyreállítási műveletre. Más szóval, az átmeneti tartománynak megvannak a saját biztonsági határai, amelyeken a lebegés és az utazórepülés nem osztozik.

2. A farokra ülő (tailsitter) gépek egy kapcsolódó, de eltérő problémát hordoznak

Egy farokra ülő gép úgy hajtja végre az átmenetet, hogy a teljes sárkányszerkezetet függőlegesből vízszintesbe dönti, ami azt jelenti, hogy a szárnya és a törzse nagyon magas állásszögeken halad keresztül – jóval túl azon a ponton, ahol egy merevszárnyú repülőgép normál esetben átesne –, mielőtt a repülőgépet a szárnyak tartanák a levegőben. A farokra ülő gépek aerodinamikájával kapcsolatos publikált szélcsatornás munkák kifejezetten ezt célozták meg: a teljes repülőgép (a szárny, a törzs és a stabilizátor együttes, nem csupán egy elszigetelt szárnyprofil) tesztelését a teljes állásszög-tartományban, amelyen az átmeneti manőver ténylegesen végighalad. Ennek oka, hogy az ebben a tartományban fellépő aerodinamikai erőket nehéz pusztán elméletből megjósolni, és az átmeneti vezérlő tervezéséhez használt repülésdinamikai modellek közvetlenül ezektől a szélcsatorna-adatoktól függnek.

A légcsavar és a szárny kölcsönhatása tovább bonyolítja ezt: nagy állásszög és alacsony légsebesség esetén a légcsavar által a tolóerő tengelyére merőlegesen indukált erő egyszerre és nem lineárisan függ az állásszögtől, a légsebességtől, a fékszárny-kitéréstől és a tolóerőtől – ez nem olyan összefüggés, amelyet a különálló, csak a légcsavart és csak a szárnyat vizsgáló tesztek feltárnának.

3. Mire van valójában szüksége egy átmeneti tesztkampánynak?

Valódi konverziós végigpásztázásra, nem csak a két végpontra. A lebegési és utazórepülési adatok nem jósolják meg, hogy mi történik a köztes gondolaszögeknél vagy bólintási szögeknél – az XV-15 program legrosszabb terhelései 60°-os gondola-állásszögnél jelentkeztek, messze mindkét véglettől.
Áramlásvizsgálatra a szárny-gondola vagy a szárny-törzs csatlakozásánál. Az XV-15 farokterhelési problémáját csak a belső gondola szálazásával és a keletkező örvény tényleges útjának nyomon követésével tudták diagnosztizálni – az erőadatok önmagukban nem adtak magyarázatot a terhelésekre.
Szerkezeti terhelésfigyelésre a farokrészen és a hátsó törzsön , nem csak a szárnyon – egy billenőrotoros gép esetében a farokrészt meghatározott átmeneti szögekben keresztező rotor-nyomvonal egy dokumentált, és egyáltalán nem nyilvánvaló meghibásodási mód.
A farokra ülő gép átmeneti manővere által bejárt teljes állásszög-tartomány lefedésére , beleértve a hagyományos átesésen jóval túli tartományt is, mivel pontosan ez az a tartomány, amelyen az átmeneti vezérlőnek keresztül kell repülnie.
A hajtásrendszer bevonására minden átmeneti adatpontba – az átmenet során a légcsavar által indukált tengelyen kívüli erők az állásszög, a légsebesség és a tolóerő együttes függvényei, amelyek nem választhatók el az aerodinamikai teszttől.

4. Öt hiba, amit gyakran látunk

Csak a lebegés és az utazórepülés tesztelése, és a kettő közötti interpoláció. Az XV-15 adatai azt mutatják, hogy a legrosszabb terhelések a folyosó közepén jelentkezhetnek, nem pedig valamelyik végponton – az interpoláció ezt teljesen figyelmen kívül hagyta volna.
Az áramlásvizsgálat kihagyása, mert a mérőcellák "mutatnak egy számot". Az XV-15 csapata a farokterhelések okát – egy specifikus szárnyvég-örvényt egy specifikus gondolaszögnél – csak a szálazásos vizsgálat révén találta meg; az erőadatok önmagukban csak azt mutatták meg, hogy probléma van, azt nem, hogy miért.
A farokra ülő gépek átmenetének kezelése úgy, mint "csak egy nagy állásszög-pásztázás" egy elszigetelt szárnyon. A törzs, a stabilizátor és a légcsavar kölcsönhatása mind számít ezeknél a szögeknél – egy elszigetelt szárny poláris görbéje nem fogja reprodukálni a teljes repülőgép viselkedését, amire az átmeneti vezérlőnek szüksége van.
Annak feltételezése, hogy egyetlen módosítás (terelőlapok, szárnylapok, örvénykeltők) megszünteti a terheléseket a teljes folyosón. Az XV-15 programban azok a módosítások, amelyek segítettek a vízszintes vezérsíkon, rontották a függőleges vezérsík terheléseit – az átmeneti folyosó módosításait a teljes tartományban kell értékelni, nem csak egyetlen feltétel mellett.
A hibatartomány tesztelésének elmaradása, csak a névleges tartomány vizsgálata. Az XV-15-ön talált, gondolaszögtől függő biztonsági határ (85°, mint a helyrehozható kettős hajtóműhiba küszöbértéke) kifejezetten az átmeneti tartomány dedikált elemzéséből származott – ez nem derült volna ki pusztán a névleges feltételek teszteléséből.

5. Mit jelent ez az Ön programja számára?

Mondja el nekünk az átmeneti mechanizmusát – billenőrotoros vagy farokra ülő –, valamint a megcélzott konverziós folyosót , és mi kidolgozunk egy olyan tesztkampányt, amely a teljes átmeneti tartományt végigpásztázza, nem csak a lebegési és utazórepülési végpontokat. Kapcsolódó olvasmány: összefoglaló cikkünk a következő témában:

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

Források és megjegyzések

Az XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft szélcsatorna-programja (Ames 40x80 lábas szélcsatorna, a helikopteres üzemmódtól az átmeneten át a repülőgépes üzemmódig terjedő tesztcélok akár 170 csomós szélcsatorna-kapacitásig, a konverziós folyosó koncepciója, a gondola állásszögének konvenciója: 0° repülőgép / 90° helikopter, a 60°-os gondola-állásszögnél a szárnyvég-örvényekből származó farokterhelés szálazásos áramlásvizsgálattal történő diagnosztizálása, a rotorvég-örvények farokgerjesztése, amely helikopteres üzemmódban 40 csomó körül tetőzik, a kettős hajtóműhiba biztonsági küszöbértéke 85°-os gondola-állásszögnél 5 másodperces helyreállítási ablakkal, valamint a teljes 95°-ról 0°-ra történő konverzió 11 másodperc alatt): 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).
A Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM) program méretaránya és alapja (a Bell/Boeing V-22 Osprey 1/4-es méretaránya, a German-Dutch Wind Tunnelben tesztelt elszigetelt rotor, a NASA Ames National Full-Scale Aerodynamics Complex 40x80 lábas szekciójában tesztelt teljes fesztávolságú kétrotoros modell): NASA Ames Research Center, "Tiltrotor Aeroacoustic Model".
A farokra ülő (tailsitter) gépek átmeneti aerodinamikája (a teljes repülőgép szélcsatornás tesztelése az átmeneti manőver által bejárt állásszög-tartományban, valamint a légcsavar által indukált tengelyen kívüli erő nem lineáris csatolása az állásszöggel, a légsebességgel, a fékszárny-kitéréssel és a tolóerővel) nagyjából összhangban van a publikált tailsitter szélcsatorna-kutatásokkal; a TunnelTech tesztelési megközelítésének jellemzése a saját mérnöki gyakorlatunkat tükrözi ennél a repülőgéposztálynál.
A tesztmódszertani útmutatás (teljes konverziós végigpásztázás, csatlakozási áramlásvizsgálat, farokszerkezeti monitorozás, teljes tartományú módosítás-értékelés) a TunnelTech mérnöki gyakorlata, amely közvetlenül a fenti dokumentált XV-15 megállapításokon alapul.

Merevszárnyú VTOL átmenet tesztelése: billenőrotoros és farokra ülő repülőgépek