Test di transizione VTOL: tiltrotor e tailsitter

Un aeromobile VTOL ad ala fissa — tiltrotor o tailsitter — deve volare in due regimi aerodinamici completamente diversi: il volo stazionario (hovering) sostenuto dai rotori e il volo di crociera sostenuto dalle ali. Nessuno di questi due regimi rappresenta la parte difficile da testare. La parte difficile è la fase intermedia, in cui la scia del rotore attraversa l'ala a ogni angolo, dalla verticale all'orizzontale, e l'aeromobile non è né un elicottero né un aereo. Questa fase ha un nome nel settore — il corridoio di conversione — e richiede un programma di test dedicato.

1. Il corridoio di conversione è un inviluppo di volo definito e testato

L'esempio più chiaro documentato è il XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft congiunto NASA/Esercito, testato nella galleria del vento Ames da 40 per 80 piedi (Ames 40- by 80-Foot Wind Tunnel) specificamente per valutare "le prestazioni dell'aeromobile, la stabilità, il controllo e i carichi strutturali per le modalità di volo da elicottero, attraverso la transizione, fino alla modalità aereo". Il programma ha mappato esplicitamente un corridoio di conversione : le configurazioni dell'aeromobile, definite dall'incidenza della navicella e dalla velocità dell'aria, che sono sicure da volare con i rotori attivi tra gli estremi dell'elicottero e dell'aereo. L'incidenza della navicella stessa è misurata rispetto alla fusoliera: 0° è la modalità aereo, 90° è la modalità elicottero, e ogni angolo intermedio rappresenta una configurazione di transizione distinta.

Alcune delle scoperte specifiche sulla transizione emerse da quel programma:

La scia del rotore caricava direttamente la coda. All'estremità a bassa velocità dell'inviluppo di conversione, a circa 60° di incidenza della navicella, la struttura di coda ha registrato elevati carichi vibratori, sufficientemente alti da far superare al longherone orizzontale il suo limite di progetto a vita infinita. La causa è stata identificata con la visualizzazione del flusso tramite fili di lana (tuft): un forte vortice che ruotava sull'estremità alare e spazzava verso l'interno sulla coda a quello specifico angolo della navicella. Nessuna singola correzione aerodinamica (paretine alari, strake della navicella, generatori di vortici) ha risolto il problema sull'intero intervallo da volo stazionario ad aereo: i carichi dovevano essere gestiti come un vero e proprio problema specifico della transizione, non rattoppati con una soluzione universale.
I vortici d'estremità del rotore eccitavano la coda a una specifica velocità dell'aria di transizione. In modalità elicottero, i carichi oscillatori sugli attacchi dell'impennaggio orizzontale aumentavano con la velocità dell'aria fino a circa 40 nodi, per poi diminuire rapidamente al di sopra di tale valore: i vortici d'estremità del rotore, rilasciati verso il basso nel volo stazionario, spazzano all'indietro nella traiettoria della coda specificamente intorno a quella velocità quando inizia il volo in avanzamento, per poi liberare completamente la coda a velocità più elevate.
I test su modelli in scala estendono lo stesso lavoro sul corridoio ai velivoli moderni. Il programma Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM) della NASA e dell'Esercito — un modello a doppio rotore in scala 1/4 del Bell/Boeing V-22 Osprey — ha continuato questa linea di test su tiltrotor a inviluppo completo presso il National Full-Scale Aerodynamics Complex, decenni dopo che il programma XV-15 aveva definito per la prima volta il corridoio.
L'inviluppo di sicurezza è esso stesso in funzione dell'angolo della navicella. Il lavoro di simulazione svolto per il programma ha rilevato che un'avaria a entrambi i motori al di sopra di 85° di incidenza della navicella (in piena modalità elicottero/transizione) era l'unica condizione di guasto in grado di produrre flappeggio delle pale e carichi pericolosi, recuperabile solo riducendo l'incidenza della navicella entro 5 secondi. La conversione completa da 95° a 0° poteva essere eseguita in 11 secondi. Al di sotto di 85°, non era necessaria alcuna azione di recupero speciale. Il regime di transizione, in altre parole, ha i propri limiti di sicurezza che il volo stazionario e la crociera non condividono.

2. I tailsitter presentano un problema correlato ma distinto

Un tailsitter effettua la transizione variando l'assetto di beccheggio dell'intera cellula da verticale a orizzontale, il che significa che la sua ala e la fusoliera attraversano angoli di attacco molto elevati — ben oltre il punto in cui un aeromobile ad ala fissa andrebbe normalmente in stallo — prima che l'aeromobile sia sostenuto dalle ali. I lavori pubblicati sulle prove in galleria del vento per l'aerodinamica dei tailsitter si sono concentrati specificamente su questo: testare l'intero aeromobile (ala, fusoliera e stabilizzatore insieme, non solo un profilo alare isolato) attraverso l'intera gamma di angoli di attacco che la manovra di transizione attraversa effettivamente, poiché le forze aerodinamiche in questo regime sono difficili da prevedere solo dalla teoria e i modelli di dinamica del volo utilizzati per progettare il controller di transizione dipendono direttamente da quei dati della galleria del vento.

L'interazione elica-ala aggrava la situazione: ad alto angolo di attacco e bassa velocità dell'aria, la forza che l'elica induce perpendicolarmente al suo asse di spinta dipende simultaneamente e in modo non lineare dall'angolo di attacco, dalla velocità dell'aria, dalla deflessione dei flap e dalla spinta; non è una relazione che test separati sulla sola elica e sulla sola ala potranno rivelare.

3. Cosa richiede effettivamente una campagna di test di transizione

Una vera e propria scansione di conversione, non solo i due punti estremi. I dati del volo stazionario e di crociera non prevedono cosa accade ad angoli della navicella o assetti di beccheggio intermedi: i carichi peggiori del programma XV-15 sono apparsi a 60° di incidenza della navicella, ben lontani da entrambi gli estremi.
Visualizzazione del flusso alla giunzione ala-navicella o ala-fusoliera. Il problema del carico sulla coda dell'XV-15 è stato diagnosticato solo applicando fili di lana (tuft) sulla parte interna della navicella e tracciando dove andava effettivamente a finire il vortice risultante: i soli dati sulle forze non spiegavano i carichi.
Monitoraggio dei carichi strutturali sulla coda e sulla fusoliera posteriore , non solo sull'ala: per un tiltrotor, la scia del rotore che attraversa la coda a specifici angoli di transizione è una modalità di guasto documentata e non ovvia.
Copertura dell'intera gamma di angoli di attacco attraversata dalla manovra di transizione di un tailsitter , spingendosi ben oltre lo stallo convenzionale, poiché questo è esattamente il regime attraverso il quale il controller di transizione deve volare.
Propulsione inclusa in ogni punto dati di transizione : le forze fuori asse indotte dall'elica durante la transizione sono in funzione dell'angolo di attacco, della velocità dell'aria e della spinta insieme, e non sono separabili dal test aerodinamico.

4. Cinque errori che riscontriamo

Testare solo il volo stazionario e la crociera e interpolare tra di essi. I dati dell'XV-15 mostrano che i carichi peggiori possono apparire al centro del corridoio, non a uno dei due estremi: l'interpolazione li avrebbe mancati del tutto.
Saltare la visualizzazione del flusso perché le celle di carico "mostrano un numero". Il team dell'XV-15 ha trovato la causa dei carichi sulla coda — uno specifico vortice d'estremità alare a uno specifico angolo della navicella — solo attraverso i fili di lana; i soli dati sulle forze indicavano la presenza di un problema, ma non il perché.
Trattare la transizione del tailsitter come "solo una grande scansione dell'angolo di attacco" su un'ala isolata. L'interazione tra fusoliera, stabilizzatore ed elica è fondamentale a questi angoli: la polare di un'ala isolata non riprodurrà il comportamento dell'intero aeromobile di cui ha bisogno il controller di transizione.
Presumere che una singola correzione (strake, paretine, generatori di vortici) elimini i carichi su tutto il corridoio. Nel programma XV-15, le correzioni che aiutavano l'impennaggio orizzontale peggioravano i carichi sulla deriva verticale: le correzioni per il corridoio di transizione devono essere valutate sull'intero inviluppo, non in una singola condizione.
Non testare l'inviluppo di guasto, ma solo quello nominale. Il limite di sicurezza dipendente dall'angolo della navicella trovato sull'XV-15 (85° come soglia per un'avaria recuperabile a entrambi i motori) derivava specificamente da un'analisi dedicata del regime di transizione: non sarebbe emerso nei soli test in condizioni nominali.

5. Cosa significa questo per il vostro programma

Comunicateci il vostro meccanismo di transizione — tiltrotor o tailsitter — e il vostro corridoio di conversione target , e definiremo una campagna di test che copra l'intero inviluppo di transizione, non solo i suoi punti estremi di volo stazionario e crociera. Lettura correlata: il nostro articolo hub su

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Fonti e note

Programma in galleria del vento per l'XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft (Ames 40- by 80-Foot Wind Tunnel, obiettivi di test che coprono dalla modalità elicottero, attraverso la transizione, fino alla modalità aereo fino a 170 nodi di capacità della galleria, il concetto di corridoio di conversione, la convenzione di incidenza della navicella di 0° aereo / 90° elicottero, il carico sulla coda dai vortici d'estremità alare a 60° di incidenza della navicella diagnosticato tramite visualizzazione con fili di lana, l'eccitazione della coda da parte dei vortici d'estremità del rotore con picco vicino a 40 nodi in modalità elicottero, la soglia di sicurezza per l'avaria a entrambi i motori a 85° di incidenza della navicella con finestra di recupero di 5 secondi e la conversione completa da 95° a 0° in 11 secondi): 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).
Scala e base del programma Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM) (scala 1/4 del Bell/Boeing V-22 Osprey, rotore isolato testato presso la galleria del vento tedesco-olandese, modello a doppio rotore ad apertura alare completa testato nella sezione da 40 per 80 piedi del National Full-Scale Aerodynamics Complex presso la NASA Ames): NASA Ames Research Center, "Tiltrotor Aeroacoustic Model".
L'aerodinamica di transizione dei tailsitter (test in galleria del vento sull'intero aeromobile attraverso la gamma di angoli di attacco percorsa dalla manovra di transizione e l'accoppiamento non lineare della forza fuori asse indotta dall'elica con l'angolo di attacco, la velocità dell'aria, la deflessione dei flap e la spinta) è ampiamente coerente con la ricerca pubblicata sulle gallerie del vento per i tailsitter; la caratterizzazione dell'approccio di test da parte di TunnelTech riflette la nostra pratica ingegneristica per questa classe di aeromobili.
Le linee guida sulla metodologia di test (scansioni di conversione complete, visualizzazione del flusso alle giunzioni, monitoraggio strutturale della coda, valutazione delle correzioni sull'intero inviluppo) rappresentano la pratica ingegneristica di TunnelTech, direttamente informata dalle scoperte documentate sull'XV-15 di cui sopra.

Test di transizione per VTOL ad ala fissa: tiltrotor e tailsitter