HALE ir ilgo skrydžio UAS aeroelastingumo bandymai

Sparnas, sukurtas maksimaliam aerodinaminės kokybės santykiui ilgo skrydžio orlaivyje, beveik pagal apibrėžimą yra lankstus sparnas: didelis proilgis ir minimalus konstrukcijos svoris yra būtent tai, ko reikalauja kreiserinio skrydžio efektyvumas, ir abu šie veiksniai tiesiogiai mažina standumą. Šios klasės orlaiviuose sparno forma skrydžio metu nėra tokia, kokia pavaizduota brėžinyje – jis nuolat linksta ir sukasi, o ši deformacija veikia aerodinamiką taip, kaip standaus sparno modelis negali atspindėti.

Aeroelastingumas – aerodinaminių apkrovų, konstrukcijos lankstumo ir skrydžio dinamikos sąveika – šios klasės orlaiviuose nustoja būti tik antriniu patikrinimu ir tampa pagrindiniu projektavimo veiksniu.

1. Kas iš tikrųjų nutiko „Helios“

Aiškiausias ir labiausiai dokumentuotas atvejis priklauso pačiai NASA. 2003 m. birželio 26 d. „Helios“ prototipo ilgo skrydžio konfigūracija (HP03) maždaug 30-ąją skrydžio minutę susidūrė su atmosferos turbulencija. Sparno skersinis V formos kampas – jo galų nuokrypis, tiesioginis matas, rodantis, kiek lankstus sparnas išlinko į viršų – padidėjo iki neįprastai pastovių 30–40 pėdų, toli peržengiant maždaug 11–17 pėdų ribą, būdingą normaliam skrydžiui. NASA tyrimas atskleidė, kad viršijus šį V formos kampą, orlaivio polinkio svyravimai tapo dinamiškai nestabilūs: oro greičio nuokrypiai beveik padvigubėdavo su kiekvienu svyravimo ciklu .

Paskutinio nėrimo nosimi žemyn metu orlaivis viršijo maksimalų projektinį oro greitį daugiau nei du kartus. Dėl susidariusio dinaminio slėgio prasidėjo progresuojantis sparno priekinės briaunos antrinės konstrukcijos irimas, saulės elementų baterijos ir danga atplyšo, orlaivis prarado gebėjimą kurti keliamąją jėgą ir nukrito į Ramųjį vandenyną. Nuo pirmojo bandymo diagnozuoti problemą iki orlaivio subyrėjimo ore praėjo 91 sekundė .

2. Kodėl linkimas skatino nestabilumą, o ne jį koregavo

NASA po avarijos atlikta analizė nustatė mechanizmą, ir jis yra tikrai aeroelastinis, o ne paprastas konstrukcijos gedimas:

Keliamosios jėgos persiskirstymas išilgai sparno. Sparnui linkstant į viršų, keliamoji jėga pasislinko nuo orlaivio centro link išorinių plokščių – ir nustatyta, kad šis persiskirstymas buvo itin jautrus net 0,5 pėdos per sekundę gūsiams, t. y. kur kas mažesniems nei faktiškai patirta turbulencija.
Save palaikantis, o ne save koreguojantis ciklas. Skrydžio valdymo sistema į didėjantį V formos kampą reagavo nukreipdama aukštumos vairų galines briaunas į viršų; kadangi išoriniai aukštumos vairai buvo fiksuoti, ši reakcija labiau sumažino keliamąją jėgą centre nei galuose – o tai dar labiau išlenkė sparną į didelio V formos kampo padėtį, užuot grąžinus jį į nominaliąją.
Didėjantis statinis stabilumas skatino fugoidinį nestabilumą. Didėjant V formos kampui, orlaivio aerodinaminės jėgos centras pasislinko dar aukščiau jo svorio centro, padidindamas išilginį statinį stabilumą – savybę, kuri paprastai yra pageidaujama, tačiau nustatyta, kad šiame orlaivyje ji padidino ilgo periodo polinkio svyravimų nestabilumą.
Polinkio inercija padidėjo maždaug penkis kartus per avarijos metu stebėtą V formos kampo diapazoną, iš esmės pakeisdama skrydžio režimo dinamiką sparnui linkstant.

Nė viena iš šių savybių nėra būdinga standžiam sklandmeniui. Jos atsiranda tik todėl, kad sparno forma ir orlaivio aerodinamika buvo susietos – o tai ir yra aeroelastingumo esmė.

3. Ką, remiantis pačios NASA tyrimu, reikėjo pastebėti

Avarijos ataskaitoje nurodytos pagrindinės priežastys yra tiesiogiai susijusios su tuo, kaip šios klasės orlaiviai turėtų būti bandomi ir projektuojami: dėl tinkamų analizės metodų trūkumo buvo netiksliai įvertinta konfigūracijos pakeitimo (koncentruotų masių – kuro elementų modulio ir vandenilio bakų – pridėjimo prie sparno, iš pradžių suprojektuoto kaip paskirstytos apkrovos platforma) rizika, o tai smarkiai sumažino orlaivio konstrukcines ir aeroelastines atsargas, iš anksto tinkamai nenumatant šio sumažėjimo.

Pačio tyrimo techninėse rekomendacijose nurodoma sukurti šios klasės transporto priemonėms tinkamas antžeminių bandymų procedūras ir metodikas, skirtas patvirtinti naujus analizės metodus ir prognozes – tai tiesioginis raginimas atlikti fizinius bandymus, o ne kliautis vien modeliavimu, kai projektas reikšmingai skiriasi nuo ankstesnių, skrydžiais patikrintų konfigūracijų.

4. Ko iš tikrųjų reikia lankstaus sparno aeroelastinių bandymų kampanijai

Pagal standumą, o ne tik pagal geometriją masteliuotas modelis. Kad aeroelastinė elgsena būtų teisingai perkelta į mastelį, modelio konstrukcinio standumo pasiskirstymas turi atitikti realaus dydžio orlaivį, o ne tik jo išorinę formą – geometriškai tikslus, bet per daug standus modelis tiesiog paslėps tą sąveiką, kurią bandymas ir turi atskleisti.
Reakcijos į gūsius bandymai, o ne tik stacionarios poliarės. „Helios“ nestabilumą sukėlė maždaug pusės pėdos per sekundę gūsiai – pakankamai maži, kad vien stacionarūs, be gūsių gauti vėjo tunelio duomenys niekada nebūtų atskleidę šio jautrumo.
Sinchronizuota konstrukcinė ir aerodinaminė matavimo įranga. Sparno nuokrypis, sukimasis ir dinaminės apkrovos turi būti matuojamos kartu su jėgomis ir momentais to paties bandymo metu, kad jų sąveika būtų užfiksuota, o ne daromos atskiros prielaidos.
Bandymai su visomis masės ir apkrovos pasiskirstymo konfigūracijomis, kuriomis orlaivis faktiškai skris , o ne tik su bazine versija – koncentruota ir paskirstyta naudingosios apkrovos masė keičia aeroelastinę atsargą, kaip tiesiogiai pademonstravo „Helios“.
Sparno formos stebėsena realiuoju laiku bandymo metu , atspindinti pačios NASA rekomendaciją realiuoju laiku matuoti V formos kampą naudojant vaizdinį ekraną – nestabilumas, sunaikinęs „Helios“, skrydžio įgulai buvo nematomas tol, kol padėtis tapo nebeištaisoma.

5. Penkios klaidos, kurias pastebime

Standumo vertinimas kaip konstrukcinio patvirtinimo, atskirto nuo aerodinaminių bandymų programos. Lankstaus sparno orlaivyje konstrukciniai ir aerodinaminiai bandymai yra ta pati problema, o ne dvi atskiros, kurias reikia patikrinti paeiliui.
Bandymai tik stacionariomis sąlygomis be gūsių. Konfigūracija, kuri atrodo visiškai stabili tolygiame sraute, gali būti jautri gūsiams, kur kas mažesniems, nei kužda intuicija.
Prielaida, kad konfigūracijos pakeitimas yra „nedidelis“, nes jis nekeičia išorinių kontūrų. Lemtingas „Helios“ pakeitimas buvo masės pridėjimas, o ne formos pakeitimas – ir tai vis tiek smarkiai sumažino orlaivio atsargas.
Skrydžio valdymo dėsnių tikrinimas naudojant standaus kūno modelį. Valdymo sistema, kuri teisingai reaguoja į standų sklandmenį, gali aktyviai pabloginti aeroelastinį nestabilumą, lygiai taip pat, kaip aukštumos vairo reakcija HP03-2 atveju.
Formos stebėsenos realiuoju laiku praleidimas, nes „modelis tiek daug nejuda“. Riba tarp normalaus ir nestabilaus V formos kampo „Helios“ atveju buvo matuojama dešimtimis pėdų 247 pėdų ilgio sparne – tai nuokrypis, kurį lengva nuvertinti, kol jis nėra išmatuotas.

6. Ką tai reiškia jūsų programai

Papasakokite mums apie savo sparno konstrukcinę konfigūraciją ir bet kokius planuojamus masės pokyčius , ir mes suplanuosime pagal standumą masteliuotą aeroelastinių bandymų kampaniją – įskaitant reakciją į gūsius – sukurtą taip, kad užfiksuotų sąveiką, kurios grynai aerodinaminis ar grynai konstrukcinis bandymas nepastebėtų. Susiję skaitiniai: mūsų pagrindinis straipsnis apie

Tolimojo nuotolio bepiločių orlaivių aerodinaminiai bandymai

„Didelio aukščio HALE aerodinamika

tam pačiam orlaiviui.

Šaltiniai ir pastabos

Išsami „Helios“ prototipo HP03-2 avarijos (2003 m. birželio 26 d.) ataskaita: V formos kampo padidėjimas iki 30–40 pėdų, palyginti su normaliu 11–17 pėdų, polinkio svyravimai, kai oro greičio nuokrypiai padvigubėja per ciklą, projektinio oro greičio viršijimas daugiau nei du kartus, progresuojantis konstrukcijos irimas, 91 sekundė nuo pirmosios diagnozės iki subyrėjimo, keliamosios jėgos persiskirstymo išilgai sparno jautrumas net 0,5 pėdos/sek. gūsiams, aukštumos vairo / V formos kampo grįžtamojo ryšio ciklas, statinio stabilumo ir fugoidinio nestabilumo mechanizmas, maždaug penkis kartus padidėjusi polinkio inercija, pagrindinės priežastys ir rekomendacija dėl transporto priemonės klasei tinkamų antžeminių bandymų procedūrų: Noll, T.E., Ishmael, S.D., Henwood, B., Perez-Davis, M.E., Tiffany, G.C., Madura, J., Gaier, M., Brown, J.M., Wierzbanowski, T., „Technical Findings, Lessons Learned, and Recommendations Resulting from the Helios Prototype Vehicle Mishap“, NASA/Langley, Dryden, Glenn, Ames ir Kennedy tyrimų centrai kartu su „AeroVironment Inc.“ (NASA Technical Reports Server, dokumentas 20070022260), cituojant išsamų tyrimą Noll ir kt., „Investigation of the Helios Prototype Aircraft Mishap“, I tomas – Avarijos ataskaita, 2004 m. sausis.
Orlaivio pagrindiniai duomenys (247 pėdų sparnų mojis, proilgis 30,9:1, „skraidančio sparno“ konfigūracija): atitinka mūsų paskelbtą straipsnį apie HALE didelio aukščio aerodinamiką, kuriame išsamiai aptariamas to paties orlaivio aerodinaminis dizainas.
Bandymų metodikos rekomendacijos (pagal standumą masteliuoti modeliai, reakcijos į gūsius bandymai, sinchronizuota konstrukcinė / aerodinaminė matavimo įranga, formos stebėsena realiuoju laiku) yra TunnelTech inžinerinė praktika, tiesiogiai atliepianti antžeminių bandymų rekomendacijas cituojamame NASA tyrime.

Aeroelastingumas ir reakcija į vėjo gūsius ilgo skrydžio, didelio proilgio sparnams