Ֆիքսված թևերով VTOL-ի անցումային փուլի փորձարկում. Թեքվող ռոտորներ և պոչի վրա նստողներ
Ինչու է կախված վիճակի և կրեյսերական թռիչքի միջև անցումային միջանցքը հանդիսանում առանձին փորձարկման խնդիր թեքվող ռոտորների և պոչի վրա նստողների համար, և ինչ է բացահայտել XV-15 ծրագիրը:
Ֆիքսված թևերով VTOL (ուղղահայաց թռիչք և վայրէջք) օդանավը՝ թեքվող ռոտորով (tiltrotor) կամ պոչի վրա նստող (tailsitter), պետք է թռչի երկու միանգամայն տարբեր աերոդինամիկ ռեժիմներով՝ ռոտորային կախված վիճակ (hover) և թևերի վրա հիմնված կրեյսերական թռիչք: Այս ռեժ իմներից ոչ մեկի փորձարկումը բարդ չէ: Բարդն անցումային փուլն է դրանց միջև, որտեղ ռոտորի հետքային հոսքը հատում է թևը ուղղահայացից մինչև հորիզոնական ցանկացած անկյան տակ, և օդանավը ո՛չ ուղղաթիռ է, ո՛չ էլ ինքնաթիռ: Այդ փուլն արդյունաբերության մեջ ունի իր անվանումը՝ փոխակերպման միջանցք (conversion corridor), և այն պահանջում է փորձարկման առանձին ծրագիր:
1. Փոխակերպման միջանցքը հստակ սահմանված, փորձարկված թռիչքային ծրար է
Ամենավառ օրինակը NASA-ի և ԱՄՆ բանակի համատեղ XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft -ն է, որը փորձարկվել է Ames-ի 40 x 80 ֆուտ չափերով քամու թունելում (wind tunnel)՝ հատուկ գնահատելու համար «օդանավի արդյունավետությունը, կայունությունը, կառավարումը և կառուցվածքային բեռնվածությունները ուղղաթիռային ռեժիմից մինչև անցումային և ինքնաթիռային ռեժիմների համար»: Ծրագիրը հստակորեն քարտեզագրեց փոխակերպման միջանցքը ՝ օդանավի կոնֆիգուրացիաները, որոնք սահմանվում են շարժիչի խցիկի (նացելի) թեքության անկյունով և օդի արագությամբ, և որոնք անվտանգ են ռոտորներով թռիչքի համար՝ ուղղաթիռային և ինքնաթիռային ծայր ահեղությունների միջև: Նացելի թեքության անկյունը չափվում է ֆյուզելյաժի նկատմամբ. 0°-ը ինքնաթիռային ռեժիմն է, 90°-ը՝ ուղղաթիռային ռեժիմը, իսկ դրանց միջև ընկած յուրաքանչյուր անկյուն հանդիսանում է հստակ անցումային կոնֆիգուրացիա:
Այդ ծրագրից ստացված անցումային փուլին բնորոշ որոշ բացահայտումներ.
- Ռոտորի հետքային հոսքն ուղղակիորեն ծանրաբեռնում էր պոչը: Փոխակերպման ծրարի ցածր արագության հատվածում՝ նացելի մոտ 60° թեքության դեպքում, պոչի կառուցվածքը ենթարկվում էր բարձր վիբրացիոն բեռնվածությունների, որոնք այնքան բարձր էին, որ հորիզոնական լոնժերոնը գերազանցում էր իր անսահմանափակ ծառայության ժամկետի նախագծային սահմանը: Պատճառը պարզվեց թելիկների միջոցով հոսքի վիզուալիզացիայի արդյունքում. ուժեղ մրրիկ, որը պտտվում էր թևի ծայրով և ներս մղվում դեպի պոչը՝ նացելի այդ կոնկրետ անկյան տակ: Ոչ մի եզակի աերոդինամիկ լուծում (թևերի արգելապատնեշներ, նացելի աերոդինամիկ կատարներ, մրրկագեներատորներ) չլուծեց այն կախված վիճակից մինչև ինքնաթիռային ռեժիմի ողջ տիրույթում. բեռնվածությունները պետք է կառավարվեին որպես զուտ անցումային փուլին բնորոշ խնդիր, այլ ոչ թե շտկվեին մեկ ունիվերսալ լուծմամբ:
- Ռոտորի ծայրերի մրրիկները գրգռում էին պոչը անցումային որոշակի արագության դեպքում: Ուղղաթիռային ռեժիմում հորիզոնական պոչի ամրացման ականջների վրա տատանողական բեռնվածություններն աճում էին օդի արագության հետ մինչև մոտ 40 հանգույց, ապա արագորեն նվազում դրանից բարձր արագությունների դեպքում. ռոտորի ծայրերի մրրիկները, որոնք կախված վիճակում ցած են մղվում, առաջընթաց թռիչքի սկզբում՝ հատկապես այդ արագության սահմաններում, հետ են մղվում դեպի պոչի հետագիծ, իսկ ավելի բարձր արագության դեպքում ամբողջությամբ անցնում են պոչի վրայով:
- Մասշտաբային մոդելի փորձարկումը տարածում է միջանցքի նույն աշխատանքը ժամանակակից օդանավերի վրա: NASA-ի և բանակի Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM) ծրագիրը՝ Bell/Boeing V-22 Osprey-ի 1/4 մասշտաբով, երկռոտոր մոդելը, շարունակել է թեքվող ռոտորների ամբողջական ծրարի փորձարկումների այս ուղղությունը Ազգային լիամասշտաբ աերոդինամիկայի համալիրում (National Full-Scale Aerodynamics Complex)՝ XV-15 ծրագրի կողմից միջանցքի առաջին սահմանումից տասնամյակներ անց:
- Անվտանգության ծրարն ինքնին նացելի անկյան ֆունկցիա է: Ծրագրի համար արված սիմուլյացիոն աշխատանքները պարզել են, որ նացելի 85°-ից բարձր թեքության դեպքում (խորը ուղղաթիռային/անցումային ռեժիմում) երկու շարժիչների խափանումն այն միակ վթարային պայմանն էր, որը կարող էր առաջացնել թիակների վտանգավոր տատանումներ և բեռնվածություններ, որոնք հնարավոր էր վերականգնել միայն 5 վայրկյանի ընթացքում նացելի թեքությունը նվազեցնելու միջոցով: Ամբողջական փոխակերպումը 95°-ից մինչև 0° կարող էր իրականացվել 11 վայրկյանում: 85°-ից ցածր ոչ մի հատուկ վերականգնողական գործողություն ընդհանրապես չէր պահանջվում: Այլ կերպ ասած, անցումային ռեժիմն ունի իր սեփական անվտանգության սահմանները, որոնք կախված վիճակը և կրեյսերական թռիչքը չունեն:
2. Պոչի վրա նստողները (tailsitters) ունեն հարակից, բայց տարբերվող խնդիր
Պոչի վրա նստող օդանավն անցում է կատարում՝ ամբողջ կորպուսը ուղղահայացից հորիզոնական թեքելով, ինչը նշանակում է, որ նրա թևը և ֆյուզելյաժն անցնում են գրոհի շատ մեծ անկյունների միջով՝ շատ ավելի հեռու այն կետից, որտեղ ֆիքսված թևերով օդանավը սովորաբար կկորցներ ամբարձիչ ուժը, նախքան օդանավը կհենվեր թևերի վրա: Պոչի վրա նստողների աերոդինամիկայի վերաբերյալ հրապարակված քամու թունելի աշխատանքները հատուկ թիրախավորել են սա. ամբողջական օդանավի (թև, ֆյուզելյաժ և կայունացուցիչ միասին, այլ ոչ միայն մեկուսացված աերոդինամիկ պրոֆիլ) փորձարկում գրոհի անկյան ամբողջ տիրույթում, որով իրականում անցնում է անցումային մանևրը, քանի որ այս ռեժիմում աերոդինամիկ ուժերը դժվար է կանխատեսել միայն տեսության հիման վրա, իսկ անցումային կարգավորիչի նախագծման համար օգտագործվող թռիչքի դինամիկայի մոդելներն ուղղակիորեն կախված են քամու թունելի այդ տվյալներից:
Պրոպելեր-թև փոխազդեցությունը բարդացնում է սա. գրոհի մեծ անկյան և օդի ցածր արագության դեպքում այն ուժը, որը պրոպելերն առաջացնում է իր քարշի առանցքին ուղղահայաց, կախված է գրոհի անկյունից, օդի արագությունից, փեղկերի շեղումից և քարշից միաժամանակ և ոչ գծային կերպով. սա այնպիսի կապ չէ, որը կարող են բացահայտել միայն պրոպելերի և միայն թևի առանձին փորձարկումները:
3. Ինչ է իրականում պահանջում անցումային փուլի փորձարկման արշավը
- Իրական փոխակերպման ընդգրկում, այլ ոչ միայն երկու ծայրակետերը: Կախված վիճակի և կրեյսերական թռիչքի տվյալները չեն կանխատեսում, թե ինչ է տեղի ունենում նացելի միջանկյալ անկյուններում կամ թեքության դիրքերում. XV-15 ծրագրի վատթարագույն բեռնվածություններն ի հայտ են եկել նացելի 60° թեքության դեպքում, որը մոտ չէ ծայրահեղություններից ոչ մեկին:
- Հոսքի վիզուալիզացիա թև-նացել կամ թև-ֆյուզելյաժ միացման հանգույցում: XV-15-ի պոչի ծանրաբեռնվածության խնդիրն ախտորոշվել է միայն ներքին նացելի վրա թելիկներ ամրացնելու և առաջացած մրրիկի իրական ուղղության ը հետևելու միջոցով. միայն ուժային տվյալները չէին բացատրում բեռնվածությունները:
- Կառուցվածքային բեռնվածության մոնիթորինգ պոչի և հետևի ֆյուզելյաժի վրա , այլ ոչ միայն թևի. թեքվող ռոտորի համար ռոտորի հետքային հոսքի՝ պոչը հատելը որոշակի անցումային անկյուններում փաստագրված և ոչ ակնհայտ խափանման ռեժիմ է:
- Գրոհի անկյան ամբողջ տիրույթի ընդգրկում, որով անցնում է պոչի վրա նստողի անցումային մանևրը , ներառյալ ավանդական ամբարձիչ ուժի կորստի կետից շատ ավելի հեռու, քանի որ դա հենց այն ռեժիմն է, որով պետք է թռչի անցումային կարգավորիչը:
- Քարշիչ ուժի ներառում անցումային յուրաքանչյուր տվյալի կետում — անցումային փուլում պրոպելերի կողմից առաջացած արտաառանցքային ուժերը գրոհի անկյան, օդի արագության և քարշի համատեղ ֆունկցիա են և անբաժանելի են աերոդինամիկ փորձարկումից:
4. Հինգ սխալ, որոնք մենք տեսնում ենք
- Միայն կախված վիճակի և կրեյսերական թռիչքի փորձարկում և դրանց միջև ինտերպոլյացիա: XV-15-ի տվյալները ցույց են տալիս, որ վատթարագույն բեռնվածությունները կարող են ի հայտ գալ միջանցքի մեջտեղում, այլ ոչ թե որևէ ծայրակետում. ինտերպոլյացիան ամբողջությամբ բաց կթողներ դա:
- Հոսքի վիզուալիզացիայի բացթողում, քանի որ բեռնվածության տվիչները «թիվ են ցույց տալիս»: XV-15-ի թիմը պոչի բեռնվածությունների պատճառը՝ թևի ծայրի կոնկրետ մրրիկը նացելի կոնկրետ անկյան տակ, գտավ միայն թելիկների միջոցով. միայն ուժային տվյալներն ասում էին, որ խնդիր կա, բայց ոչ թե ինչու:
- Պոչի վրա նստողի անցումային փուլի դիտարկում որպես «պարզապես գրոհի անկյան մեծ ընդգրկում» մեկուսացված թևի վրա: Ֆյուզելյաժի, կայունացուցիչի և պրոպելերի փոխազդեցությունը կարևոր են այս անկյուններում. մեկուսացված թևի բևեռային կորը չի վերարտադրի ամբողջական օդանավի վարքագիծը, որն անհրաժեշտ է անցումային կարգավորիչին:
- Ենթադրություն, որ մեկ լուծումը (աերոդինամիկ կատարներ, արգելապատնեշներ, մրրկագեներատորներ) կվերացնի բեռնվածություններն ամբողջ միջանցքում: XV-15 ծրագրում այն լուծումները, որոնք օգնեցին հորիզոնական պոչին, վատթարացրին ուղղահայաց կայունացուցիչի բեռնվածությունները. անցումային միջանցքի լուծ ումները պետք է գնահատվեն ամբողջ ծրարի կտրվածքով, այլ ոչ թե մեկ պայմանի դեպքում:
- Խափանման ծրարի չփորձարկելը, այլ միայն նոմինալի: XV-15-ի վրա հայտնաբերված նացելի անկյունից կախված անվտանգության սահմանը (85° որպես վերականգնվող երկու շարժիչների խափանման շեմ) ստացվել է հատուկ անցումային ռեժիմի նպատակային վերլուծությունից. այն ի հայտ չէր գա միայն նոմինալ պայմանների փորձարկման դեպքում:
5. Ինչ է սա նշանակում ձեր ծրագրի համար
Ասեք մեզ ձեր անցումային մեխանիզմը՝ թեքվող ռոտոր (tiltrotor) կամ պոչի վրա նստող (tailsitter), և ձեր նպատակային փոխակերպման միջանցքը , և մենք կկազմենք փորձարկման արշավ, որն ընդգրկում է անցումային ամբողջ ծրարը, այլ ոչ միայն դրա կախված վիճակի և կրեյսերական թռիչքի ծայրակետերը: Հարակից ընթերցանություն. մեր հիմնական հոդվածը
[Article not found: long-range-fixed-wing-uas-wind-tunnel-testing]թեմայով:
Աղբյուրներ և նշումներ
- XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft քամու թունելի ծրագիր (Ames 40 x 80 ֆուտ չափերով քամու թունել (wind tunnel), փորձարկման նպատակները, որոնք ընդգրկում են ուղղաթիռային ռեժիմից մինչև անցումային և ինքնաթիռային ռեժիմ՝ մինչև 170 հանգույց թունելի հզորությամբ, փոխակերպման միջանցքի հայեցակարգը, նացելի թեքության պայմանականությունը՝ 0° ինքնաթիռ / 90° ուղղաթիռ, պոչի բեռնվածությունը թևի ծայրի մրրիկներից նացելի 60° թեքության դեպքում, որն ախտորոշվել է թելիկների վիզուալիզացիայի միջոցով, ռոտորի ծայրի մրրիկի պոչի գրգռումը, որը հասնում է գագաթնակետին մոտ 40 հանգույցի դեպքում ուղղաթիռային ռեժիմում, երկու շարժիչների խափանման անվտանգության շեմը նացելի 85° թեքության դեպքում՝ 5 վայրկյան վերականգնման պատուհանով, և ամբողջական 95°-ից 0° փոխակերպումը 11 վայրկյանում). 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):
- Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM) ծրագրի մասշտաբը և հիմքը (Bell/Boeing V-22 Osprey-ի 1/4 մասշտաբ, մեկուսացված ռոտորը փորձարկվել է Գերմանա-հոլանդական քամու թունելում, լրիվ բացվածքով երկռոտոր մոդելը փորձարկվել է NASA Ames-ի Ազգային լիամասշտաբ աերոդինամիկայի համալիրի 40 x 80 ֆուտ հատվածում). NASA Ames Research Center, "Tiltrotor Aeroacoustic Model":
- Պոչի վրա նստողի (tailsitter) անցումային աերոդինամիկան (ամբողջական օդանավի քամու թունելի փորձարկում գրոհի անկյան տիրույթում, որով անցնում է անցումային մանևրը, և պրոպելերի կողմից առաջացած արտաառանցքային ուժի ոչ գծային կապը գրոհի անկյան, օդի արագության, փեղկերի շեղման և քարշի հետ) լայնորեն համապատասխանում է պոչի վրա նստողների քամու թունելի վերաբերյալ հրապարակված հետազոտություններին. TunnelTech-ի կողմից փորձարկման մոտեցման բնութագրումն արտացոլում է մեր սեփական ինժեներական պրակտիկան օդանավերի այս դասի համար:
- Փորձարկման մեթոդաբանության ուղեցույցը (ամբողջական փոխակերպման ընդգ րկումներ, միացման հանգույցների հոսքի վիզուալիզացիա, պոչի կառուցվածքային մոնիթորինգ, ամբողջական ծրարի լուծումների գնահատում) TunnelTech-ի ինժեներական պրակտիկան է, որն ուղղակիորեն հիմնված է վերը նշված XV-15-ի փաստագրված բացահայտումների վրա: