Pengujian Transisi VTOL: Tiltrotor dan Tailsitter

Pesawat VTOL sayap tetap — tiltrotor atau tailsitter — harus terbang dalam dua rezim aerodinamika yang sama sekali berbeda: melayang (hover) yang ditopang rotor dan jelajah (cruise) yang ditopang sayap. Tak satu pun dari kedua rezim tersebut merupakan bagian yang sulit untuk diuji. Bagian yang sulit adalah fase di antara keduanya, di mana jejak rotor melintasi sayap pada setiap sudut dari vertikal hingga horizontal dan pesawat tersebut bukan lagi helikopter maupun pesawat terbang. Fase tersebut memiliki nama di industri ini — koridor konversi — dan menuntut program pengujiannya sendiri.

1. Koridor konversi adalah selubung penerbangan yang terdefinisi dan teruji

Ilustrasi paling jelas yang tercatat adalah XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft gabungan NASA/Angkatan Darat, yang diuji di Ames 40- by 80-Foot Wind Tunnel secara khusus untuk mengevaluasi "kinerja pesawat, stabilitas, kontrol, dan beban struktural untuk mode penerbangan dari helikopter melalui transisi dan mode pesawat terbang." Program ini secara eksplisit memetakan sebuah koridor konversi — konfigurasi pesawat, yang ditentukan oleh insidensi nacelle dan kecepatan udara, yang aman untuk diterbangkan dengan rotor menyala di antara kondisi ekstrem helikopter dan pesawat terbang. Insidensi nacelle itu sendiri diukur relatif terhadap badan pesawat: 0° adalah mode pesawat terbang, 90° adalah mode helikopter, dan setiap sudut di antaranya adalah konfigurasi transisi yang berbeda.

Beberapa temuan spesifik transisi dari program tersebut:

Jejak rotor secara langsung membebani ekor. Pada ujung kecepatan rendah dari selubung konversi, di sekitar insidensi nacelle 60°, struktur ekor mengalami beban getaran yang tinggi — cukup tinggi sehingga spar horizontal melampaui batas desain umur tak terhingganya. Penyebabnya diidentifikasi dengan visualisasi aliran tuft: pusaran kuat yang bergulung di atas ujung sayap dan menyapu ke arah dalam menuju ekor pada sudut nacelle spesifik tersebut. Tidak ada perbaikan aerodinamika tunggal (wing fences, nacelle strakes, vortex generators) yang menyelesaikannya di seluruh rentang hover-ke-pesawat — beban tersebut harus dikelola sebagai masalah spesifik transisi yang nyata, bukan ditambal dengan satu perbaikan untuk semua kondisi.
Pusaran ujung rotor mengeksitasi ekor pada kecepatan udara transisi tertentu. Dalam mode helikopter, beban osilasi pada lug pemasangan ekor horizontal meningkat seiring dengan kecepatan udara hingga sekitar 40 knot, kemudian turun dengan cepat di atasnya — pusaran ujung rotor, yang terlepas ke bawah saat hover, menyapu ke belakang ke jalur ekor secara spesifik di sekitar kecepatan tersebut saat penerbangan maju dimulai, kemudian sepenuhnya melewati ekor pada kecepatan yang lebih tinggi.
Pengujian model skala memperluas pekerjaan koridor yang sama ke pesawat modern. Program Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM) milik NASA dan Angkatan Darat — model rotor ganda skala 1/4 dari Bell/Boeing V-22 Osprey — telah melanjutkan lini pengujian tiltrotor selubung penuh ini di National Full-Scale Aerodynamics Complex, beberapa dekade setelah program XV-15 pertama kali mendefinisikan koridor tersebut.
Selubung keselamatan itu sendiri merupakan fungsi dari sudut nacelle. Pekerjaan simulasi yang dilakukan untuk program tersebut menemukan bahwa kegagalan mesin ganda di atas insidensi nacelle 85° (jauh di dalam mode helikopter/transisi) adalah satu-satunya kondisi kegagalan yang dapat menghasilkan kepakan bilah dan beban yang berbahaya — hanya dapat dipulihkan dengan mengurangi insidensi nacelle dalam waktu 5 detik. Konversi penuh dari 95° ke 0° dapat dieksekusi dalam 11 detik. Di bawah 85°, tidak diperlukan tindakan pemulihan khusus sama sekali. Dengan kata lain, rezim transisi memiliki batas keselamatannya sendiri yang tidak dimiliki oleh mode hover dan cruise.

2. Tailsitter membawa masalah yang berkaitan namun berbeda

Sebuah tailsitter bertransisi dengan menundukkan seluruh badan pesawat dari vertikal ke horizontal, yang berarti sayap dan badan pesawatnya menyapu sudut serang yang sangat tinggi — jauh melewati titik di mana pesawat sayap tetap biasanya akan mengalami stall — sebelum pesawat tersebut ditopang oleh sayap. Pekerjaan terowongan angin yang dipublikasikan mengenai aerodinamika tailsitter secara khusus menargetkan hal ini: menguji pesawat secara utuh (sayap, badan pesawat, dan stabilizer secara bersamaan, bukan hanya airfoil yang terisolasi) di seluruh rentang sudut serang yang benar-benar disapu oleh manuver transisi, karena gaya aerodinamika dalam rezim ini sulit diprediksi hanya dari teori dan model dinamika penerbangan yang digunakan untuk merancang pengontrol transisi bergantung secara langsung pada data terowongan angin tersebut.

Interaksi baling-baling-sayap memperumit hal ini: pada sudut serang yang tinggi dan kecepatan udara yang rendah, gaya yang diinduksi baling-baling tegak lurus terhadap sumbu dorongnya bergantung pada sudut serang, kecepatan udara, defleksi flap, dan daya dorong secara simultan dan nonlinier — bukan sebuah hubungan yang akan terungkap dari pengujian baling-baling saja dan sayap saja secara terpisah.

3. Apa yang sebenarnya dibutuhkan oleh kampanye pengujian transisi

Sapuan konversi yang sebenarnya, bukan hanya dua titik akhir. Data hover dan cruise tidak memprediksi apa yang terjadi pada sudut nacelle atau sikap pitch menengah — beban terburuk pada program XV-15 muncul pada insidensi nacelle 60°, sama sekali tidak mendekati kedua kondisi ekstrem tersebut.
Visualisasi aliran pada persimpangan sayap-nacelle atau sayap-badan pesawat. Masalah pembebanan ekor XV-15 hanya didiagnosis dengan memasang tuft pada nacelle bagian dalam dan melacak ke mana pusaran yang dihasilkan sebenarnya pergi — data gaya saja tidak menjelaskan beban tersebut.
Pemantauan beban struktural pada ekor dan badan pesawat bagian belakang , bukan hanya sayap — untuk tiltrotor, jejak rotor yang melintasi ekor pada sudut transisi tertentu adalah mode kegagalan yang terdokumentasi, dan tidak terlihat secara kasat mata.
Cakupan rentang sudut serang penuh yang disapu oleh manuver transisi tailsitter , termasuk jauh melewati stall konvensional, karena justru rezim itulah yang harus dilalui oleh pengontrol transisi.
Propulsi disertakan dalam setiap titik data transisi — gaya di luar sumbu yang diinduksi baling-baling selama transisi adalah fungsi dari sudut serang, kecepatan udara, dan daya dorong secara bersama-sama, tidak dapat dipisahkan dari pengujian aerodinamika.

4. Lima kesalahan yang kami lihat

Hanya menguji hover dan cruise lalu melakukan interpolasi di antara keduanya. Data XV-15 menunjukkan bahwa beban terburuk dapat muncul di tengah koridor, bukan di salah satu titik akhir — interpolasi akan melewatkannya sama sekali.
Melewatkan visualisasi aliran karena load cell "menunjukkan angka." Tim XV-15 hanya menemukan penyebab beban ekor — pusaran ujung sayap tertentu pada sudut nacelle tertentu — melalui tufting; data gaya saja memberi tahu mereka bahwa ada masalah, bukan alasannya.
Memperlakukan transisi tailsitter sebagai "hanya sapuan sudut serang yang besar" pada sayap yang terisolasi. Interaksi badan pesawat, stabilizer, dan baling-baling semuanya penting pada sudut-sudut ini — polar sayap yang terisolasi tidak akan mereproduksi perilaku pesawat secara utuh yang dibutuhkan oleh pengontrol transisi.
Berasumsi bahwa satu perbaikan (strakes, fences, vortex generators) akan membersihkan beban di seluruh koridor. Pada program XV-15, perbaikan yang membantu ekor horizontal justru memperburuk beban sirip vertikal — perbaikan koridor transisi perlu dievaluasi di seluruh selubung, bukan pada satu kondisi saja.
Tidak menguji selubung kegagalan, hanya selubung nominal. Batas keselamatan yang bergantung pada sudut nacelle yang ditemukan pada XV-15 (85° sebagai ambang batas untuk kegagalan mesin ganda yang dapat dipulihkan) berasal dari analisis khusus pada rezim transisi secara spesifik — hal ini tidak akan muncul dalam pengujian kondisi nominal saja.

5. Apa artinya ini bagi program Anda

Beri tahu kami mekanisme transisi Anda — tiltrotor atau tailsitter — dan target koridor konversi Anda , dan kami akan menyusun ruang lingkup kampanye pengujian yang menyapu seluruh selubung transisi, bukan hanya titik akhir hover dan cruise-nya. Bacaan terkait: artikel hub kami tentang

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

Sumber dan catatan

Program terowongan angin XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft (Ames 40- by 80-Foot Wind Tunnel, tujuan pengujian mencakup mode helikopter melalui transisi ke mode pesawat terbang hingga kapabilitas terowongan 170 knot, konsep koridor konversi, konvensi insidensi nacelle 0° pesawat terbang / 90° helikopter, pembebanan ekor dari pusaran ujung sayap pada insidensi nacelle 60° yang didiagnosis melalui visualisasi tuft, eksitasi ekor pusaran ujung rotor yang memuncak di dekat 40 knot dalam mode helikopter, ambang batas keselamatan kegagalan mesin ganda pada insidensi nacelle 85° dengan jendela pemulihan 5 detik, dan konversi penuh 95° ke 0° dalam 11 detik): 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).
Skala dan basis program Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM) (skala 1/4 dari Bell/Boeing V-22 Osprey, rotor terisolasi yang diuji di German-Dutch Wind Tunnel, model rotor ganda bentang penuh yang diuji di bagian 40 x 80 kaki dari National Full-Scale Aerodynamics Complex di NASA Ames): NASA Ames Research Center, "Tiltrotor Aeroacoustic Model".
Aerodinamika transisi tailsitter (pengujian terowongan angin pesawat utuh di seluruh rentang sudut serang yang disapu oleh manuver transisi, dan penggabungan nonlinier dari gaya di luar sumbu yang diinduksi baling-baling dengan sudut serang, kecepatan udara, defleksi flap, dan daya dorong) secara umum konsisten dengan penelitian terowongan angin tailsitter yang dipublikasikan; karakterisasi TunnelTech terhadap pendekatan pengujian mencerminkan praktik rekayasa kami sendiri untuk kelas pesawat ini.
Panduan metodologi pengujian (sapuan konversi penuh, visualisasi aliran persimpangan, pemantauan struktural ekor, evaluasi perbaikan selubung penuh) adalah praktik rekayasa TunnelTech, yang secara langsung diinformasikan oleh temuan XV-15 yang terdokumentasi di atas.

Pengujian Transisi VTOL Sayap Tetap: Tiltrotor dan Tailsitter