Aeroelastības testēšana HALE un ilgstoša lidojuma UAS

Spārns, kas izstrādāts maksimālai aerodinamiskajai kvalitātei (celtspējas un pretestības attiecībai) ilgstoša lidojuma gaisa kuģim, gandrīz pēc definīcijas ir elastīgs spārns: liels pagarinājums un minimāls konstrukcijas svars ir tieši tas, ko prasa kreiserlidojuma efektivitāte, un abi šie faktori tieši ietekmē stinguma samazināšanos. Šīs klases gaisa kuģiem spārna forma lidojumā nav tāda pati kā rasējumā — tas nepārtraukti liecas un vērpjas, un šī deformācija atgriezeniski ietekmē aerodinamiku veidos, kurus cieta spārna modelis nespēj atspoguļot.

Aeroelastība — aerodinamisko slodžu, konstrukcijas elastības un lidojuma dinamikas savstarpējā mijiedarbība — šīs klases gaisa kuģiem vairs nav tikai sekundāra pārbaude, bet kļūst par galveno projektēšanas virzītājspēku.

1. Kas patiesībā notika ar Helios

Skaidrākais un visvairāk dokumentētais gadījums ir pašas NASA pieredze. 2003. gada 26. jūnijā Helios prototipa ilgstoša lidojuma konfigurācija (HP03) aptuveni 30 minūtes pēc lidojuma sākuma saskārās ar atmosfēras turbulenci. Spārna V-veida leņķis (dihedral) — tā galu izliece, kas ir tiešs mērs tam, cik daudz elastīgais spārns ir izliecies uz augšu — pieauga līdz neparasti noturīgām 30 līdz 40 pēdām, kas ievērojami pārsniedza aptuveni 11 līdz 17 pēdas, kas ir tipiskas normālam lidojumam. NASA izmeklēšanā tika konstatēts, ka, pārsniedzot šo V-veida leņķi, gaisa kuģa tangāžas svārstības kļuva dinamiski nestabilas: gaisa ātruma novirzes aptuveni dubultojās ar katru svārstību ciklu . Pēdējā pikēšanā ar purngalu uz leju gaisa kuģis pārsniedza savu maksimālo projektēto gaisa ātrumu vairāk nekā divas reizes. Radītais dinamiskais spiediens izraisīja spārna priekšējās malas sekundārās konstrukcijas progresējošu sabrukumu, saules bateriju paneļi un apšuvums tika norauti, un gaisa kuģis zaudēja spēju ģenerēt celtspēju un iekrita Klusajā okeānā. No pirmā mēģinājuma diagnosticēt problēmu līdz gaisa kuģa sabrukšanai gaisā: 91 sekunde .

2. Kāpēc liekšanās veicināja nestabilitāti, nevis to novērsa

NASA pēcavārijas analīze identificēja mehānismu, un tas ir patiesi aeroelastīgs, nevis vienkāršs konstrukcijas bojājums:

Celtspējas pārdale gar spārnu. Spārnam liecoties uz augšu, celtspēja pārvietojās no gaisa kuģa centra uz ārējiem paneļiem — un tika konstatēts, ka šī pārdale ir ļoti jutīga pret vēja brāzmām, kas ir pat tikai puspēda sekundē, kas ir daudz mazāk nekā reāli sastaptā turbulence.
Pašuzturošs, nevis paškoriģējošs cikls. Lidojuma vadības sistēma reaģēja uz pieaugošo V-veida leņķi, noliecot augstuma stūres ar pakaļējo malu uz augšu; tā kā ārējās augstuma stūres bija fiksētas, šī reakcija noņēma vairāk celtspējas no centra nekā no galiem — kas vēl vairāk nospieda spārnu liela V-veida leņķa formā, nevis atgrieza to nominālajā stāvoklī.
Pieaugošā statiskā stabilitāte veicināja fugoīdo nestabilitāti. Pieaugot V-veida leņķim, gaisa kuģa aerodinamiskā spēka centrs pārvietojās tālāk virs tā smaguma centra, palielinot garenvirziena statisko stabilitāti — īpašību, kas parasti ir nomierinoša, bet šim lidaparātam tika konstatēts, ka tā palielina ilgperioda tangāžas svārstību nestabilitāti.
Tangāžas inerce pieauga aptuveni pieckārtīgi avārijā novērotajā V-veida leņķa diapazonā, fundamentāli mainot lidojuma režīma dinamiku spārna liekšanās laikā.

Neviena no šīm nav cieta planera īpašība. Tās pastāv tikai tāpēc, ka spārna forma un gaisa kuģa aerodinamika bija savstarpēji saistītas — kas ir tieši tas, ko nozīmē aeroelastība.

3. Ko NASA izmeklēšana norāda kā to, kam vajadzēja to atklāt

Avārijas ziņojuma pamatcēloņi ir tieši saistīti ar to, kā šīs klases gaisa kuģi būtu jātestē un jāprojektē: atbilstošu analīzes metožu trūkums noveda pie neprecīza riska novērtējuma par konfigurācijas izmaiņu ietekmi (pievienojot koncentrētas masas — degvielas šūnu bloku un ūdeņraža tvertnes — spārnam, kas sākotnēji bija projektēts kā sadalītas slodzes nesējs jeb "spanloader"), kas ievērojami samazināja gaisa kuģa konstrukcijas un aeroelastības rezerves, iepriekš atbilstoši neparedzot šo samazinājumu.

Izmeklēšanas tehniskie ieteikumi ietver šīs klases lidaparātiem atbilstošu virszemes testēšanas procedūru un metožu izstrādi, lai apstiprinātu jaunas analīzes metodes un prognozes — tas ir tiešs aicinājums veikt fizisku testēšanu, nevis tikai simulāciju, visur, kur dizains būtiski atšķiras no iepriekš lidojumos pārbaudītām konfigurācijām.

4. Kas patiesībā ir nepieciešams elastīga spārna aeroelastības testēšanas kampaņai

Pēc stinguma mērogots modelis, nevis tikai ģeometriski mērogots. Lai aeroelastīgā uzvedība mērogotos pareizi, modeļa konstrukcijas stinguma sadalījumam ir jāatbilst pilna izmēra gaisa kuģim, nevis tikai tā ārējai formai — ģeometriski precīzs, bet pārāk stingrs modelis vienkārši paslēps to mijiedarbību, kuras atrašanai tests ir paredzēts.
Reakcijas uz vēja brāzmām testēšana, nevis tikai stacionārās polāras. Helios nestabilitāti izraisīja brāzmas aptuveni puspēdas sekundē apmērā — pietiekami mazas, lai stacionāri, bezbrāzmu vēja tuneļa dati vieni paši nekad neatklātu šo jutību.
Sinhronizēta strukturālā un aerodinamiskā instrumentācija. Spārna izliece, vērpe un dinamiskās slodzes ir jāmēra vienlaikus ar spēkiem un momentiem, tajā pašā piegājienā, lai to savstarpējā mijiedarbība tiktu uztverta, nevis secināta atsevišķi.
Testēšana visās masas un slodzes sadalījuma konfigurācijās, kādās gaisa kuģis reāli lidos , nevis tikai bāzes gadījumā — koncentrēta pretstatā sadalītai derīgās kravas masai maina aeroelastības rezervi, kā to tieši demonstrēja Helios.
Spārna formas reāllaika uzraudzība testa laikā , atspoguļojot pašas NASA ieteikumu mērīt V-veida leņķi reāllaikā ar vizuālu displeju — nestabilitāte, kas iznīcināja Helios, lidojuma apkalpei bija neredzama, līdz tā jau bija neatgriezeniska.

5. Piecas kļūdas, ko mēs redzam

Stinguma uztveršana kā strukturāls apstiprinājums, atsevišķi no aerodinamiskās testēšanas programmas. Gaisa kuģim ar elastīgu spārnu strukturālā un aerodinamiskā testēšana ir viena un tā pati problēma, nevis divas atsevišķas, kas jāatzīmē secīgi.
Testēšana tikai stacionāros apstākļos bez brāzmām. Konfigurācija, kas vienmērīgā plūsmā izskatās pilnīgi stabila, var būt jutīga pret brāzmām, kas ir daudz mazākas, nekā liek domāt intuīcija.
Pieņēmums, ka konfigurācijas izmaiņas ir "nelielas", jo tās nemaina ārējo kontūru. Helios liktenīgās izmaiņas bija masas pievienošana, nevis formas maiņa — un tas tik un tā ievērojami samazināja gaisa kuģa rezerves.
Lidojuma vadības likuma apstiprināšana pret cieta ķermeņa modeli. Vadības sistēma, kas pareizi reaģē uz cietu planeru, var aktīvi pasliktināt aeroelastīgo nestabilitāti, tieši tāpat kā to izdarīja augstuma stūres reakcija HP03-2 gadījumā.
Reāllaika formas uzraudzības izlaišana, jo "modelis tik daudz nekustas". Rezerve starp normālu un nestabilu V-veida leņķi Helios gadījumā tika mērīta desmitos pēdu uz 247 pēdu spārna — novirze, ko ir viegli novērtēt par zemu, kamēr tā nav aprīkota ar mērinstrumentiem.

6. Ko tas nozīmē jūsu programmai

Pastāstiet mums par sava spārna strukturālo konfigurāciju un jebkādām plānotajām masas izmaiņām , un mēs izstrādāsim pēc stinguma mērogotas aeroelastības testēšanas kampaņas apjomu — ieskaitot reakciju uz vēja brāzmām —, kas izveidota, lai uztvertu mijiedarbību, ko tīri aerodinamisks vai tīri strukturāls tests palaistu garām. Saistītā lasāmviela: mūsu galvenais raksts par

Liela darbības rādiusa bezpilota lidaparātu aerodinamiskie testi

Lielā augstuma HALE aerodinamika

tam pašam gaisa kuģim.

Avoti un piezīmes

Pilns pārskats par Helios prototipa HP03-2 avāriju (2003. gada 26. jūnijs): V-veida leņķa pieaugums līdz 30–40 pēdām salīdzinājumā ar normālām 11–17 pēdām, tangāžas svārstības ar gaisa ātruma novirzēm, kas dubultojas katrā ciklā, projektētā gaisa ātruma pārsniegšana vairāk nekā divas reizes, progresējošs konstrukcijas sabrukums, 91 sekunde no pirmās diagnozes līdz sabrukšanai, celtspējas pārdales gar spārnu jutība pret brāzmām, kas ir pat tikai 0,5 pēdas/sek., augstuma stūres/V-veida leņķa atgriezeniskās saites cikls, statiskās stabilitātes pret fugoīdo nestabilitāti mehānisms, aptuveni pieckārtīgs tangāžas inerces pieaugums, pamatcēloņi un ieteikums par transportlīdzekļa klasei atbilstošām virszemes testēšanas procedūrām: 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 un Kennedy pētniecības centri sadarbībā ar AeroVironment Inc. (NASA Technical Reports Server, dokuments 20070022260), atsaucoties uz pilnu izmeklēšanu Noll et al., "Investigation of the Helios Prototype Aircraft Mishap," I sējums – Avārijas ziņojums, 2004. gada janvāris.
Gaisa kuģa fons (247 pēdu spārnu plētums, pagarinājums 30,9:1, lidojošā spārna konfigurācija): saskan ar mūsu publicēto rakstu par HALE liela augstuma aerodinamiku, kurā detalizēti apskatīts šī paša gaisa kuģa aerodinamiskais dizains.
Testēšanas metodoloģijas ieteikumi (pēc stinguma mērogoti modeļi, reakcijas uz vēja brāzmām testēšana, sinhronizēta strukturālā/aerodinamiskā instrumentācija, reāllaika formas uzraudzība) ir TunnelTech inženiertehniskā prakse, kas tieši atbilst virszemes testēšanas ieteikumiem citētajā NASA izmeklēšanā.

Aeroelastība un reakcija uz vēja brāzmām ilgstoša lidojuma liela pagarinājuma spārniem