VTOL pereinamojo režimo bandymai: paverčiamų sraigtų ir ant uodegos tupiantys orlaiviai

Fiksuoto sparno VTOL orlaivis – su paverčiamais sraigtais (angl. tiltrotor) arba tupiantis ant uodegos (angl. tailsitter) – turi skristi dviem visiškai skirtingais aerodinaminiais režimais: kybojimo, kai keliamąją galią kuria sraigtai, ir kreiserinio skrydžio, kai keliamąją galią kuria sparnai. Nė vieno iš šių režimų nėra sunku išbandyti. Sunkioji dalis yra fazė tarp jų, kai rotoriaus srautas kerta sparną visais kampais nuo vertikalaus iki horizontalaus, o orlaivis nėra nei sraigtasparnis, nei lėktuvas. Ši fazė pramonėje turi pavadinimą – konversijos koridorius – ir jai reikalinga atskira bandymų programa.

1. Konversijos koridorius yra apibrėžta, išbandyta skrydžio sritis

Aiškiausias to pavyzdys yra bendras NASA ir JAV kariuomenės XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft (paverčiamų sraigtų tyrimų orlaivis), išbandytas Ames 40 x 80 pėdų vėjo tunelyje, specialiai siekiant įvertinti „orlaivio našumą, stabilumą, valdymą ir konstrukcines apkrovas skrydžio režimams nuo sraigtasparnio iki pereinamojo ir lėktuvo režimo“. Programa aiškiai nubrėžė konversijos koridorių – orlaivio konfigūracijas, apibrėžtas gondolės posvyrio kampu ir oro greičiu, kuriomis saugu skristi su veikiančiais sraigtais tarp sraigtasparnio ir lėktuvo kraštutinumų. Pats gondolės posvyrio kampas matuojamas fiuzeliažo atžvilgiu: 0° yra lėktuvo režimas, 90° – sraigtasparnio režimas, o kiekvienas kampas tarp jų yra atskira pereinamojo režimo konfigūracija.

Kai kurios su pereinamuoju režimu susijusios išvados iš šios programos:

Rotoriaus srautas tiesiogiai apkrovė uodegą. Mažo greičio konversijos srities pabaigoje, esant maždaug 60° gondolės posvyrio kampui, uodegos konstrukcija patyrė dideles vibracines apkrovas – pakankamai dideles, kad horizontalusis lonžeronas viršytų savo neriboto tarnavimo laiko projektinę ribą. Priežastis buvo nustatyta naudojant srauto vizualizaciją siūlais: stiprus sūkurys, besivyniojantis per sparno galą ir slenkantis į vidų link uodegos esant būtent tokiam gondolės kampui. Joks pavienis aerodinaminis sprendimas (sparnų pertvaros, gondolių briaunos, sūkurių generatoriai) neišsprendė šios problemos visame diapazone nuo kybojimo iki lėktuvo režimo – apkrovas reikėjo valdyti kaip tikrą, specifinę pereinamojo režimo problemą, o ne lopyti universaliu sprendimu.
Rotoriaus menčių galų sūkuriai veikė uodegą esant tam tikram pereinamajam oro greičiui. Sraigtasparnio režimu svyruojančios apkrovos, tenkančios horizontaliosios uodegos tvirtinimo ąselėms, didėjo didėjant oro greičiui iki maždaug 40 mazgų, o po to staigiai krito – rotoriaus menčių galų sūkuriai, kybojimo metu nukreipti žemyn, prasidėjus skrydžiui pirmyn, slenka atgal į uodegos kelią būtent ties šiuo greičiu, o esant didesniam greičiui visiškai aplenkia uodegą.
Sumažintų modelių bandymai pritaiko tą patį koridoriaus tyrimą moderniems orlaiviams. NASA ir kariuomenės „Tilt Rotor Aeroacoustic Model“ (TRAM) programa – 1/4 mastelio, dviejų rotorių „Bell/Boeing V-22 Osprey“ modelis – tęsė šią pilnos srities paverčiamų sraigtų orlaivių bandymų kryptį Nacionaliniame pilno mastelio aerodinamikos komplekse, praėjus dešimtmečiams po to, kai XV-15 programa pirmą kartą apibrėžė šį koridorių.
Saugos sritis pati savaime priklauso nuo gondolės kampo. Programos metu atlikti modeliavimo darbai atskleidė, kad abiejų variklių gedimas esant didesniam nei 85° gondolės posvyrio kampui (giliai sraigtasparnio / pereinamajame režime) buvo vienintelė gedimo sąlyga, galinti sukelti pavojingą menčių plazdėjimą ir apkrovas – padėtį buvo galima ištaisyti tik sumažinus gondolės posvyrio kampą per 5 sekundes. Pilna konversija nuo 95° iki 0° galėjo būti atlikta per 11 sekundžių. Žemiau 85° jokių specialių atkūrimo veiksmų apskritai nereikėjo. Kitaip tariant, pereinamasis režimas turi savo saugos ribas, kurių neturi kybojimo ir kreiserinio skrydžio režimai.

2. Ant uodegos tupiantys orlaiviai susiduria su susijusia, bet skirtinga problema

Ant uodegos tupiantis orlaivis pereina į kitą režimą paversdamas visą korpusą iš vertikalios padėties į horizontalią, o tai reiškia, kad jo sparnas ir fiuzeliažas praeina pro labai didelius atakos kampus – gerokai viršijančius tuos, ties kuriais fiksuoto sparno orlaivis paprastai patirtų smuką – prieš tai, kai orlaivio keliamąją galią perima sparnai. Paskelbti vėjo tunelio tyrimai, skirti ant uodegos tupinčių orlaivių aerodinamikai, buvo nukreipti būtent į tai: viso orlaivio (sparno, fiuzeliažo ir stabilizatoriaus kartu, o ne tik izoliuoto aerodinaminio profilio) bandymus visame atakos kampų diapazone, kurį faktiškai apima pereinamasis manevras, nes aerodinamines jėgas šiame režime sunku nuspėti vien iš teorijos, o skrydžio dinamikos modeliai, naudojami pereinamojo režimo valdikliui sukurti, tiesiogiai priklauso nuo šių vėjo tunelio duomenų.

Sraigto ir sparno sąveika tai dar labiau apsunkina: esant dideliam atakos kampui ir mažam oro greičiui, jėga, kurią sraigtas sukuria statmenai savo traukos ašiai, priklauso nuo atakos kampo, oro greičio, užsparnių atlenkimo ir traukos vienu metu ir netiesiškai – tai nėra ryšys, kurį atskleistų atskiri vien sraigto ir vien sparno bandymai.

3. Ko iš tikrųjų reikia pereinamojo režimo bandymų kampanijai

Tikros konversijos aprėpties, o ne tik dviejų galinių taškų. Kybojimo ir kreiserinio skrydžio duomenys neleidžia nuspėti, kas nutiks esant tarpiniams gondolės kampams ar posvyrio padėtims – XV-15 programos didžiausios apkrovos atsirado esant 60° gondolės posvyrio kampui, toli gražu ne prie kurio nors kraštutinumo.
Srauto vizualizacijos sparno ir gondolės arba sparno ir fiuzeliažo sandūroje. XV-15 uodegos apkrovos problema buvo diagnozuota tik pritvirtinus siūlus prie vidinės gondolės dalies ir atsekus, kur iš tikrųjų nukeliavo susidaręs sūkurys – vien jėgos duomenys nepaaiškino apkrovų.
Konstrukcinių apkrovų stebėsenos uodegoje ir galinėje fiuzeliažo dalyje , o ne tik sparne – paverčiamų sraigtų orlaiviams rotoriaus srautas, kertantis uodegą esant tam tikriems pereinamiesiems kampams, yra dokumentuotas ir neakivaizdus gedimo režimas.
Viso atakos kampų diapazono, kurį apima ant uodegos tupinčio orlaivio pereinamasis manevras, aprėpties , įskaitant sritį, gerokai viršijančią įprastą smuką, nes būtent per šį režimą turi praskristi pereinamojo režimo valdiklis.
Varytuvo įtraukimo į kiekvieną pereinamojo režimo duomenų tašką – sraigto sukeliamos ne ašinės jėgos pereinamojo režimo metu yra atakos kampo, oro greičio ir traukos funkcija kartu, neatsiejama nuo aerodinaminių bandymų.

4. Penkios klaidos, kurias matome

Tik kybojimo ir kreiserinio skrydžio bandymai ir interpoliavimas tarp jų. XV-15 duomenys rodo, kad didžiausios apkrovos gali atsirasti koridoriaus viduryje, o ne kuriame nors galiniame taške – interpoliuojant tai būtų buvę visiškai praleista.
Srauto vizualizacijos praleidimas, nes apkrovos jutikliai „rodo skaičių“. XV-15 komanda uodegos apkrovų priežastį – specifinį sparno galo sūkurį esant specifiniam gondolės kampui – rado tik naudodama siūlus; vien jėgos duomenys jiems parodė, kad yra problema, bet ne kodėl ji kilo.
Ant uodegos tupinčio orlaivio pereinamojo režimo traktavimas kaip „tiesiog didelio atakos kampo aprėpties“ ant izoliuoto sparno. Fiuzeliažo, stabilizatoriaus ir sraigto sąveika yra svarbi esant šiems kampams – izoliuoto sparno poliarė neatkurs viso orlaivio elgsenos, kurios reikia pereinamojo režimo valdikliui.
Prielaida, kad vienas sprendimas (briaunos, pertvaros, sūkurių generatoriai) pašalins apkrovas visame koridoriuje. XV-15 programoje sprendimai, kurie padėjo horizontaliajai uodegai, pablogino vertikalaus stabilizatoriaus apkrovas – pereinamojo koridoriaus sprendimai turi būti vertinami visoje srityje, o ne esant vienai sąlygai.
Gedimų srities nebandymas, apsiribojant tik nominalia. Nuo gondolės kampo priklausanti saugos riba, nustatyta XV-15 (85° kaip riba, leidžianti atkurti padėtį sugedus abiem varikliams), buvo gauta atlikus specialią būtent pereinamojo režimo analizę – ji nebūtų išryškėjusi vien atliekant bandymus nominaliomis sąlygomis.

5. Ką tai reiškia jūsų programai

Papasakokite mums apie savo pereinamąjį mechanizmą – paverčiamų sraigtų ar tupiantį ant uodegos – ir jūsų tikslinį konversijos koridorių , ir mes suplanuosime bandymų kampaniją, kuri apims visą pereinamojo režimo sritį, o ne tik kybojimo ir kreiserinio skrydžio galinius taškus. Susijęs skaitymas: mūsų pagrindinis straipsnis apie

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

Šaltiniai ir pastabos

XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft vėjo tunelio programa (Ames 40 x 80 pėdų vėjo tunelis, bandymų tikslai, apimantys režimus nuo sraigtasparnio per pereinamąjį iki lėktuvo režimo, esant iki 170 mazgų tunelio pajėgumui, konversijos koridoriaus koncepcija, gondolės posvyrio kampo konvencija: 0° lėktuvas / 90° sraigtasparnis, uodegos apkrova dėl sparno galo sūkurių esant 60° gondolės posvyrio kampui, diagnozuota naudojant srauto vizualizaciją siūlais, rotoriaus menčių galų sūkurių sukeliamas uodegos žadinimas, pasiekiantis piką ties maždaug 40 mazgų sraigtasparnio režimu, abiejų variklių gedimo saugos riba esant 85° gondolės posvyrio kampui su 5 sekundžių atkūrimo langu, ir pilna konversija nuo 95° iki 0° per 11 sekundžių): 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) programos mastelis ir pagrindas (1/4 mastelio „Bell/Boeing V-22 Osprey“, izoliuotas rotorius išbandytas Vokietijos-Nyderlandų vėjo tunelyje, pilno sparno ilgio dviejų rotorių modelis išbandytas Nacionalinio pilno mastelio aerodinamikos komplekso 40 x 80 pėdų sekcijoje NASA Ames centre): NASA Ames Research Center, „Tiltrotor Aeroacoustic Model“.
Ant uodegos tupinčių orlaivių pereinamojo režimo aerodinamika (viso orlaivio vėjo tunelio bandymai visame atakos kampų diapazone, kurį apima pereinamasis manevras, ir netiesinis sraigto sukeliamos ne ašinės jėgos ryšys su atakos kampu, oro greičiu, užsparnių atlenkimu ir trauka) iš esmės atitinka paskelbtus ant uodegos tupinčių orlaivių vėjo tunelio tyrimus; TunnelTech bandymų metodo apibūdinimas atspindi mūsų pačių inžinerinę praktiką šiai orlaivių klasei.
Bandymų metodologijos gairės (pilnos konversijos aprėptys, srauto vizualizacija sandūrose, uodegos konstrukcijų stebėsena, sprendimų vertinimas visoje srityje) yra TunnelTech inžinerinė praktika, tiesiogiai pagrįsta aukščiau dokumentuotomis XV-15 išvadomis.

Fiksuoto sparno VTOL orlaivių pereinamojo režimo bandymai: paverčiamų sraigtų ir ant uodegos tupiantys orlaiviai