VTOL ტრანზიშენის ტესტირება: ტილტროტორები და ტეილსიტერები

ფიქსირებული ფრთის მქონე VTOL საფრენმა აპარატმა — ტილტროტორმა ან ტეილსიტერმა — უნდა იფრინოს ორ სრულიად განსხვავებულ აეროდინამიკურ რეჟიმში: როტორზე დაფუძნებული დაკიდების რეჟიმი (hover) და ფრთაზე დაფუძნებული კრუიზული ფრენა. არცერთი ამ რეჟიმის ტესტირება არ წარმოადგენს სირთულეს. რთული ნაწილი მათ შორის არსებული ფაზაა, სადაც როტორის კვალი კვეთს ფრთას ყველა კუთხით ვერტიკალურიდან ჰორიზონტალურამდე და საფრენი აპარატი არც შვეულმფრენია და არც თვითმფრინავი. ამ ფაზას ინდუსტრიაში თავისი სახელი აქვს — კონვერსიის დერეფანი — და ის მოითხოვს საკუთარ სატესტო პროგრამას.

1. კონვერსიის დერეფანი არის განსაზღვრული, ტესტირებული ფრენის არეალი

ამის ყველაზე ნათელი ილუსტრაციაა NASA-სა და აშშ-ის არმიის ერთობლივი XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft , რომელიც დაიტესტა Ames-ის 40x80 ფუტის ზომის ქარის გვირაბში სპეციალურად იმისათვის, რომ შეფასებულიყო „საფრენი აპარატის წარმადობა, სტაბილურობა, მართვადობა და სტრუქტურული დატვირთვები ფრენის რეჟიმებისთვის შვეულმფრენიდან ტრანზიშენის გავლით თვითმფრინავის რეჟიმამდე“. პროგრამამ მკაფიოდ განსაზღვრა კონვერსიის დერეფანი — საფრენი აპარატის კონფიგურაციები, რომლებიც განისაზღვრება ძრავის გონდოლის დახრის კუთხითა და ჰაერის სიჩქარით, და რომლებიც უსაფრთხოა ფრენისთვის ჩართული როტორებით შვეულმფრენისა და თვითმფრინავის უკიდურეს რეჟიმებს შორის. თავად გონდოლის დახრის კუთხე იზომება ფიუზელაჟის მიმართ: 0° არის თვითმფრინავის რეჟიმი, 90° არის შვეულმფრენის რეჟიმი, ხოლო მათ შორის არსებული ნებისმიერი კუთხე წარმოადგენს ტრანზიშენის ცალკეულ კონფიგურაციას.

ამ პროგრამიდან მიღებული ტრანზიშენის სპეციფიკური ზოგიერთი მიგნება:

როტორის კვალმა პირდაპირ დატვირთა კუდი. კონვერსიის არეალის დაბალი სიჩქარის ბოლოში, გონდოლის დახრის დაახლოებით 60°-იან კუთხეზე, კუდის სტრუქტურამ განიცადა მაღალი ვიბრაციული დატვირთვები — იმდენად მაღალი, რომ ჰორიზონტალურმა სპარმა გადააჭარბა თავისი უსასრულო ექსპლუატაციის საპროექტო ლიმიტს. მიზეზი დადგინდა ნაკადის ძაფებით ვიზუალიზაციის საშუალებით: ძლიერი გრიგალი, რომელიც გადაუვლიდა ფრთის ბოლოს და მიემართებოდა შიგნით კუდისკენ გონდოლის ამ კონკრეტულ კუთხეზე. ვერცერთმა ერთმა აეროდინამიკურმა გამოსავალმა (ფრთის ბარიერები, გონდოლის აეროდინამიკური თხემები, გრიგალის გენერატორები) ვერ გადაჭრა ეს პრობლემა დაკიდების რეჟიმიდან თვითმფრინავის რეჟიმამდე სრულ დიაპაზონში — დატვირთვები უნდა მართულიყო როგორც წმინდა ტრანზიშენის სპეციფიკური პრობლემა და არა ერთი უნივერსალური გამოსავლით.
როტორის ბოლოების გრიგალებმა გამოიწვია კუდის აგზნება ტრანზიშენის კონკრეტულ ჰაერის სიჩქარეზე. შვეულმფრენის რეჟიმში, ჰორიზონტალური კუდის სამაგრ ყურებზე რხევითი დატვირთვები იზრდებოდა ჰაერის სიჩქარის მატებასთან ერთად დაახლოებით 40 კვანძამდე, რის შემდეგაც სწრაფად ეცემოდა — როტორის ბოლოების გრიგალები, რომლებიც დაკიდების რეჟიმში ქვემოთ მიემართება, წინსვლითი ფრენის დაწყებისას ინაცვლებს უკან, კუდის ტრაექტორიაზე სწორედ ამ სიჩქარის ფარგლებში, ხოლო უფრო მაღალ სიჩქარეზე სრულად სცდება კუდს.
მასშტაბური მოდელების ტესტირება აფართოებს დერეფნის იმავე სამუშაოებს თანამედროვე საფრენ აპარატებზე. NASA-სა და არმიის Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM) პროგრამამ — Bell/Boeing V-22 Osprey-ის 1/4 მასშტაბის, ორროტორიანმა მოდელმა — გააგრძელა ტილტროტორის სრული არეალის ტესტირების ეს ხაზი ეროვნულ სრულმასშტაბიან აეროდინამიკურ კომპლექსში, XV-15 პროგრამის მიერ დერეფნის პირველად განსაზღვრიდან ათწლეულების შემდეგ.
უსაფრთხოების არეალი თავისთავად წარმოადგენს გონდოლის კუთხის ფუნქციას. პროგრამისთვის ჩატარებულმა სიმულაციურმა სამუშაოებმა აჩვენა, რომ ორივე ძრავის გათიშვა გონდოლის 85°-ზე მეტი დახრისას (ღრმად შვეულმფრენის/ტრანზიშენის რეჟიმში) იყო ერთადერთი ავარიული მდგომარეობა, რომელსაც შეეძლო გამოეწვია ფრთების საშიში რხევა და დატვირთვები — რომლის გამოსწორებაც შესაძლებელი იყო მხოლოდ გონდოლის დახრის კუთხის შემცირებით 5 წამის განმავლობაში. სრული კონვერსია 95°-დან 0°-მდე შეიძლებოდა შესრულებულიყო 11 წამში. 85°-ის ქვემოთ, არანაირი სპეციალური აღდგენითი მოქმედება არ იყო საჭირო. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ტრანზიშენის რეჟიმს აქვს თავისი უსაფრთხოების საზღვრები, რომლებიც არ ახასიათებს დაკიდებისა და კრუიზულ რეჟიმებს.

2. ტეილსიტერებს აქვთ მსგავსი, მაგრამ განსხვავებული პრობლემა

ტეილსიტერი ტრანზიშენს ახორციელებს მთლიანი კორპუსის ვერტიკალურიდან ჰორიზონტალურ მდგომარეობაში გადახრით, რაც ნიშნავს, რომ მისი ფრთა და ფიუზელაჟი გადის შეტევის ძალიან მაღალ კუთხეებს — ბევრად უფრო შორს, ვიდრე ფიქსირებული ფრთის მქონე საფრენი აპარატი ჩვეულებრივ განიცდიდა ნაკადის მოწყვეტას — სანამ აპარატი ფრთაზე დაფუძნებულ ფრენაზე გადავა. ტეილსიტერის აეროდინამიკის შესახებ გამოქვეყნებული ქარის გვირაბის სამუშაოები კონკრეტულად ამაზეა ფოკუსირებული: სრული საფრენი აპარატის ტესტირება (ფრთა, ფიუზელაჟი და სტაბილიზატორი ერთად, და არა მხოლოდ იზოლირებული აეროდინამიკური პროფილი) შეტევის კუთხის სრულ დიაპაზონში, რომელსაც ტრანზიშენის მანევრი რეალურად გადის, რადგან ამ რეჟიმში აეროდინამიკური ძალების პროგნოზირება მხოლოდ თეორიით რთულია და ფრენის დინამიკის მოდელები, რომლებიც გამოიყენება ტრანზიშენის კონტროლერის შესაქმნელად, პირდაპირ არის დამოკიდებული ქარის გვირაბის ამ მონაცემებზე.

პროპელერისა და ფრთის ურთიერთქმედება ამას კიდევ უფრო ართულებს: შეტევის მაღალ კუთხესა და ჰაერის დაბალ სიჩქარეზე, ძალა, რომელსაც პროპელერი წარმოქმნის თავისი წევის ღერძის პერპენდიკულარულად, დამოკიდებულია შეტევის კუთხეზე, ჰაერის სიჩქარეზე, ფლაპის გადახრასა და წევაზე ერთდროულად და არაწრფივად — ეს არ არის ისეთი დამოკიდებულება, რომელსაც მხოლოდ პროპელერისა და მხოლოდ ფრთის ცალკეული ტესტები გამოავლენს.

3. რა სჭირდება რეალურად ტრანზიშენის სატესტო კამპანიას

ნამდვილი კონვერსიის სრული გავლა და არა მხოლოდ ორი ბოლო წერტილი. დაკიდებისა და კრუიზული რეჟიმის მონაცემები არ პროგნოზირებს იმას, თუ რა ხდება გონდოლის შუალედურ კუთხეებზე ან ტანგაჟის მდგომარეობებში — XV-15 პროგრამის ყველაზე ცუდი დატვირთვები დაფიქსირდა გონდოლის 60°-იანი დახრისას, რაც არცერთ უკიდურესობასთან არ იყო ახლოს.
ნაკადის ვიზუალიზაცია ფრთა-გონდოლის ან ფრთა-ფიუზელაჟის შეერთების ადგილას. XV-15-ის კუდის დატვირთვის პრობლემის დიაგნოსტირება მოხდა მხოლოდ შიდა გონდოლაზე ძაფების დამაგრებით და იმის მიკვლევით, თუ სად მიდიოდა რეალურად წარმოქმნილი გრიგალი — მხოლოდ ძალების მონაცემები არ ხსნიდა დატვირთვებს.
სტრუქტურული დატვირთვის მონიტორინგი კუდსა და უკანა ფიუზელაჟზე , და არა მხოლოდ ფრთაზე — ტილტროტორისთვის, როტორის კვალის მიერ კუდის გადაკვეთა ტრანზიშენის კონკრეტულ კუთხეებზე არის დოკუმენტირებული და არააშკარა ავარიული რეჟიმი.
შეტევის კუთხის სრული დიაპაზონის დაფარვა, რომელსაც ტეილსიტერის ტრანზიშენის მანევრი გადის , მათ შორის ტრადიციული ნაკადის მოწყვეტის ზღვარს მიღმა, რადგან სწორედ ეს არის ის რეჟიმი, რომელშიც ტრანზიშენის კონტროლერმა უნდა იფრინოს.
ძრავის სისტემის ჩართვა ტრანზიშენის მონაცემების თითოეულ წერტილში — ტრანზიშენის დროს პროპელერის მიერ გამოწვეული ღერძსგარეშე ძალები წარმოადგენს შეტევის კუთხის, ჰაერის სიჩქარისა და წევის ერთობლივ ფუნქციას და მათი განცალკევება აეროდინამიკური ტესტისგან შეუძლებელია.

4. ხუთი შეცდომა, რომელსაც ჩვენ ვხედავთ

მხოლოდ დაკიდებისა და კრუიზული რეჟიმების ტესტირება და მათ შორის ინტერპოლაცია. XV-15-ის მონაცემები აჩვენებს, რომ ყველაზე ცუდი დატვირთვები შეიძლება გამოჩნდეს დერეფნის შუაში და არა რომელიმე ბოლო წერტილში — ინტერპოლაცია ამას მთლიანად გამოტოვებდა.
ნაკადის ვიზუალიზაციის გამოტოვება იმ მიზეზით, რომ დატვირთვის სენსორები „აჩვენებენ რიცხვს“. XV-15-ის გუნდმა კუდის დატვირთვების მიზეზი — ფრთის ბოლოს კონკრეტული გრიგალი გონდოლის კონკრეტულ კუთხეზე — მხოლოდ ძაფების საშუალებით აღმოაჩინა; მხოლოდ ძალების მონაცემებმა მათ უთხრა, რომ პრობლემა არსებობდა, მაგრამ არა ის, თუ რატომ.
ტეილსიტერის ტრანზიშენის განხილვა, როგორც „უბრალოდ შეტევის კუთხის დიდი დიაპაზონის გავლა“ იზოლირებულ ფრთაზე. ფიუზელაჟის, სტაბილიზატორისა და პროპელერის ურთიერთქმედებას ამ კუთხეებზე დიდი მნიშვნელობა აქვს — იზოლირებული ფრთის პოლარა ვერ მოახდენს სრული საფრენი აპარატის იმ ქცევის რეპროდუცირებას, რომელიც ტრანზიშენის კონტროლერს სჭირდება.
იმის ვარაუდი, რომ ერთი გამოსავალი (აეროდინამიკური თხემები, ბარიერები, გრიგალის გენერატორები) გაასუფთავებს დატვირთვებს მთელ დერეფანში. XV-15 პროგრამაში, გამოსავლებმა, რომლებიც დაეხმარა ჰორიზონტალურ კუდს, გააუარესა ვერტიკალური კილის დატვირთვები — ტრანზიშენის დერეფნის გამოსწორებები უნდა შეფასდეს მთლიან არეალში და არა ერთ პირობაში.
ავარიული არეალის ტესტირების გამოტოვება და მხოლოდ ნომინალურის ტესტირება. XV-15-ზე აღმოჩენილი გონდოლის კუთხეზე დამოკიდებული უსაფრთხოების საზღვარი (85°, როგორც ზღვარი ორივე ძრავის გათიშვისას აღდგენისთვის) მიღებულ იქნა კონკრეტულად ტრანზიშენის რეჟიმის მიზნობრივი ანალიზიდან — ის არ გამოჩნდებოდა მხოლოდ ნომინალური პირობების ტესტირებისას.

5. რას ნიშნავს ეს თქვენი პროგრამისთვის

გვითხარით თქვენი ტრანზიშენის მექანიზმი — ტილტროტორი თუ ტეილსიტერი — და თქვენი მიზნობრივი კონვერსიის დერეფანი , და ჩვენ შევიმუშავებთ სატესტო კამპანიას, რომელიც მოიცავს ტრანზიშენის სრულ არეალს და არა მხოლოდ მის დაკიდებისა და კრუიზულ ბოლო წერტილებს. დაკავშირებული საკითხავი: ჩვენი მთავარი სტატია

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

-ის შესახებ.

წყაროები და შენიშვნები

XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft-ის ქარის გვირაბის პროგრამა (Ames-ის 40x80 ფუტის ზომის ქარის გვირაბი, ტესტირების მიზნები, რომლებიც ფარავს შვეულმფრენიდან ტრანზიშენის გავლით თვითმფრინავის რეჟიმამდე 170 კვანძამდე გვირაბის შესაძლებლობით, კონვერსიის დერეფნის კონცეფცია, გონდოლის დახრის კონვენცია 0° თვითმფრინავი / 90° შვეულმფრენი, კუდის დატვირთვა ფრთის ბოლოების გრიგალებისგან გონდოლის 60°-იანი დახრისას, დიაგნოსტირებული ძაფებით ვიზუალიზაციის საშუალებით, როტორის ბოლოების გრიგალებით კუდის აგზნება, რომელიც პიკს აღწევს 40 კვანძთან ახლოს შვეულმფრენის რეჟიმში, ორივე ძრავის გათიშვის უსაფრთხოების ზღვარი გონდოლის 85°-იანი დახრისას 5-წამიანი აღდგენის ფანჯრით და სრული 95°-დან 0°-მდე კონვერსია 11 წამში): 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) პროგრამის მასშტაბი და ბაზა (Bell/Boeing V-22 Osprey-ის 1/4 მასშტაბი, იზოლირებული როტორი დატესტილი გერმანულ-ჰოლანდიურ ქარის გვირაბში, სრული გაშლის ორროტორიანი მოდელი დატესტილი NASA Ames-ის ეროვნული სრულმასშტაბიანი აეროდინამიკური კომპლექსის 40x80 ფუტის სექციაში): NASA Ames Research Center, "Tiltrotor Aeroacoustic Model".
ტეილსიტერის ტრანზიშენის აეროდინამიკა (სრული საფრენი აპარატის ქარის გვირაბში ტესტირება შეტევის კუთხის დიაპაზონში, რომელსაც ტრანზიშენის მანევრი გადის, და პროპელერის მიერ გამოწვეული ღერძსგარეშე ძალის არაწრფივი კავშირი შეტევის კუთხესთან, ჰაერის სიჩქარესთან, ფლაპის გადახრასა და წევასთან) ფართოდ შეესაბამება ტეილსიტერის ქარის გვირაბის გამოქვეყნებულ კვლევებს; TunnelTech-ის მიერ ტესტირების მიდგომის დახასიათება ასახავს ჩვენს საკუთარ საინჟინრო პრაქტიკას ამ კლასის საფრენი აპარატებისთვის.
ტესტირების მეთოდოლოგიის სახელმძღვანელო მითითებები (სრული კონვერსიის გავლა, შეერთების ადგილების ნაკადის ვიზუალიზაცია, კუდის სტრუქტურული მონიტორინგი, სრული არეალის გამოსწორებების შეფასება) წარმოადგენს TunnelTech-ის საინჟინრო პრაქტიკას, რომელიც პირდაპირ ეფუძნება ზემოთ დოკუმენტირებულ XV-15-ის მიგნებებს.

ფიქსირებული ფრთის მქონე VTOL-ის ტრანზიშენის ტესტირება: ტილტროტორები და ტეილსიტერები