VTOL pārejas fāzes testēšana: tiltrotori un tailsitter tipa lidaparāti

Fiksēto spārnu VTOL lidaparātam — tiltrotoram vai tailsitter tipa lidaparātam — ir jālido divos pilnīgi atšķirīgos aerodinamiskajos režīmos: karājoties gaisā ar rotoru palīdzību un kreisējot ar spārnu celtspēju. Neviens no šiem režīmiem nav grūtākā testēšanas daļa. Grūtākā ir fāze starp tiem, kur rotora plūsmas pēda šķērso spārnu visos leņķos no vertikāla līdz horizontālam, un lidaparāts nav ne helikopters, ne lidmašīna. Šai fāzei nozarē ir savs nosaukums — konversijas koridors —, un tai ir nepieciešama atsevišķa testēšanas programma.

1. Konversijas koridors ir definēts, testēts lidojuma režīmu diapazons

Skaidrākais reģistrētais piemērs ir kopīgais NASA un ASV armijas XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft , kas tika testēts Ames 40 x 80 pēdu vēja tunelī, lai īpaši novērtētu "lidaparāta veiktspēju, stabilitāti, vadāmību un strukturālās slodzes lidojuma režīmos no helikoptera līdz pārejas un lidmašīnas režīmam". Programma precīzi kartēja konversijas koridoru — lidaparāta konfigurācijas, ko nosaka dzinēja gondolas uzstādīšanas leņķis un gaisa ātrums, kas ir drošas lidošanai ar ieslēgtiem rotoriem starp helikoptera un lidmašīnas galējībām. Pats gondolas leņķis tiek mērīts attiecībā pret fizelāžu: 0° ir lidmašīnas režīms, 90° ir helikoptera režīms, un katrs leņķis starp tiem ir atsevišķa pārejas konfigurācija.

Daži no pārejas fāzei specifiskajiem atklājumiem šajā programmā:

Rotora plūsmas pēda tieši noslogoja asti. Konversijas diapazona maza ātruma galā, pie aptuveni 60° gondolas leņķa, astes konstrukcija saskārās ar augstām vibrācijas slodzēm — pietiekami augstām, lai horizontālais lonžerons pārsniegtu savu bezgalīgā kalpošanas laika projektēto robežu. Cēlonis tika noteikts, izmantojot plūsmas vizualizāciju ar pavedieniem: spēcīgs virpulis, kas vēlās pāri spārna galam un virzījās uz iekšpusi uz asti tieši šajā gondolas leņķī. Neviens atsevišķs aerodinamiskais risinājums (spārnu aerodinamiskās ķemmes, gondolu plūdlīnijas, virpuļu ģeneratori) to neatrisināja visā diapazonā no karāšanās gaisā līdz lidmašīnas režīmam — slodzes bija jāpārvalda kā patiesa, pārejas fāzei specifiska problēma, nevis jālabo ar vienu universālu risinājumu.
Rotora lāpstiņu galu virpuļi radīja astes ierosmi pie noteikta pārejas gaisa ātruma. Helikoptera režīmā svārstību slodzes uz horizontālās astes stiprinājuma asīm pieauga līdz ar gaisa ātrumu līdz aptuveni 40 mezgliem, bet pēc tam strauji kritās — rotora lāpstiņu galu virpuļi, kas karāšanās režīmā tiek novirzīti uz leju, sākoties lidojumam uz priekšu, virzās atpakaļ tieši astes ceļā ap šo ātrumu, bet pie lielāka ātruma pilnībā apiet asti.
Mēroga modeļu testēšana paplašina šo pašu koridora izpēti uz moderniem lidaparātiem. NASA un armijas Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM) programma — Bell/Boeing V-22 Osprey 1/4 mēroga divu rotoru modelis — ir turpinājusi šo pilna diapazona tiltrotoru testēšanas virzienu Nacionālajā pilna mēroga aerodinamikas kompleksā gadu desmitiem pēc tam, kad XV-15 programma pirmo reizi definēja šo koridoru.
Drošības diapazons pats par sevi ir atkarīgs no gondolas leņķa. Programmas ietvaros veiktie simulācijas darbi atklāja, ka abu dzinēju atteice virs 85° gondolas leņķa (dziļi helikoptera/pārejas režīmā) bija vienīgais atteices stāvoklis, kas varēja radīt bīstamu lāpstiņu plīvošanu un slodzes — atgūstams tikai, samazinot gondolas leņķi 5 sekunžu laikā. Pilnu konversiju no 95° līdz 0° varēja veikt 11 sekundēs. Zem 85° nekādas īpašas atgūšanas darbības vispār nebija nepieciešamas. Citiem vārdiem sakot, pārejas režīmam ir savas drošības robežas, kas nav kopīgas ar karāšanās un kreisēšanas režīmiem.

2. Tailsitter tipa lidaparātiem ir saistīta, bet atšķirīga problēma

Tailsitter tipa lidaparāts veic pāreju, sasverot visu planieri no vertikāla uz horizontālu stāvokli, kas nozīmē, ka tā spārns un fizelāža iziet cauri ļoti lieliem uzbrukuma leņķiem — krietni pāri robežai, kur fiksēto spārnu lidaparāts parasti zaudētu celtspēju —, pirms lidaparāts sāk balstīties uz spārnu celtspēju. Publicētie vēja tuneļa pētījumi par tailsitter aerodinamiku ir īpaši pievērsušies šim aspektam: testējot pilnu lidaparātu (spārnu, fizelāžu un stabilizatoru kopā, nevis tikai izolētu aerodinamisko profilu) visā uzbrukuma leņķu diapazonā, kuram pārejas manevrs reāli iziet cauri, jo aerodinamiskos spēkus šajā režīmā ir grūti paredzēt tikai no teorijas, un lidojuma dinamikas modeļi, ko izmanto pārejas kontroliera projektēšanai, ir tieši atkarīgi no šiem vēja tuneļa datiem.

Propellera un spārna mijiedarbība to vēl vairāk sarežģī: pie liela uzbrukuma leņķa un maza gaisa ātruma spēks, ko propellers inducē perpendikulāri tā vilces asij, ir atkarīgs no uzbrukuma leņķa, gaisa ātruma, aizspārņu noliekuma un vilces vienlaicīgi un nelineāri — tā nav sakarība, ko atklās atsevišķi propellera un atsevišķi spārna testi.

3. Kas patiesībā ir nepieciešams pārejas testēšanas kampaņai

Patiess konversijas diapazona mērījums, nevis tikai divi galapunkti. Karāšanās un kreisēšanas dati neparedz, kas notiek pie starpposma gondolas leņķiem vai tangāžas stāvokļiem — XV-15 programmas lielākās slodzes parādījās pie 60° gondolas leņķa, kas nav tuvu nevienai no galējībām.
Plūsmas vizualizācija spārna-gondolas vai spārna-fizelāžas savienojuma vietā. XV-15 astes noslodzes problēma tika diagnosticēta, tikai izmantojot pavedienus uz gondolas iekšējās daļas un izsekojot, kur reāli virzījās radītais virpulis — spēka dati vien neizskaidroja slodzes.
Strukturālās slodzes uzraudzība uz astes un fizelāžas aizmugurējās daļas , nevis tikai uz spārna — tiltrotoram rotora plūsmas pēdas šķērsošana pār asti pie noteiktiem pārejas leņķiem ir dokumentēts un ne acīmredzams atteices veids.
Pilna uzbrukuma leņķu diapazona pārklājums, kuram cauri iet tailsitter pārejas manevrs , tostarp krietni aiz parastās celtspējas zuduma robežas, jo tieši šis ir režīms, kuram cauri jālido pārejas kontrolierim.
Piedziņas iekļaušana katrā pārejas datu punktā — propellera inducētie ārpusass spēki pārejas laikā ir atkarīgi no uzbrukuma leņķa, gaisa ātruma un vilces kopā, un tie nav atdalāmi no aerodinamiskā testa.

4. Piecas kļūdas, ko mēs redzam

Tikai karāšanās un kreisēšanas testēšana un interpolācija starp tām. XV-15 dati rāda, ka lielākās slodzes var parādīties koridora vidū, nevis kādā no galapunktiem — interpolācija to būtu pilnībā palaidusi garām.
Plūsmas vizualizācijas izlaišana, jo slodzes devēji "rāda skaitli". XV-15 komanda atrada astes slodžu cēloni — specifisku spārna gala virpuli pie noteikta gondolas leņķa — tikai izmantojot pavedienus; spēka dati vien norādīja, ka ir problēma, bet ne to, kāpēc.
Tailsitter pārejas uztveršana kā "tikai liela uzbrukuma leņķa maiņa" izolētam spārnam. Fizelāžas, stabilizatora un propellera mijiedarbībai ir nozīme šajos leņķos — izolēta spārna polāra neatveidos pilna lidaparāta uzvedību, kas nepieciešama pārejas kontrolierim.
Pieņēmums, ka viens risinājums (plūdlīnijas, aerodinamiskās ķemmes, virpuļu ģeneratori) novērsīs slodzes visā koridorā. XV-15 programmā risinājumi, kas palīdzēja horizontālajai astei, pasliktināja vertikālā ķīļa slodzes — pārejas koridora risinājumi ir jānovērtē visā diapazonā, nevis tikai vienā stāvoklī.
Atteices diapazona netestēšana, testējot tikai nominālo. No gondolas leņķa atkarīgā drošības robeža, kas tika atklāta XV-15 (85° kā slieksnis atgūstamai abu dzinēju atteicei), tika iegūta no īpašas pārejas režīma analīzes — tā nebūtu atklājusies tikai nominālo apstākļu testēšanā.

5. Ko tas nozīmē jūsu programmai

Pastāstiet mums par savu pārejas mehānismu — tiltrotoru vai tailsitter — un jūsu mērķa konversijas koridoru , un mēs izstrādāsim testēšanas kampaņu, kas aptver pilnu pārejas diapazonu, nevis tikai tā karāšanās un kreisēšanas galapunktus. Saistītā lasāmviela: mūsu galvenais raksts par

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

Avoti un piezīmes

XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft vēja tuneļa programma (Ames 40 x 80 pēdu vēja tunelis, testēšanas mērķi aptver režīmus no helikoptera līdz pārejai uz lidmašīnas režīmu ar tuneļa jaudu līdz 170 mezgliem, konversijas koridora koncepcija, gondolas leņķa konvencija 0° lidmašīnai / 90° helikopteram, astes noslodze no spārnu galu virpuļiem pie 60° gondolas leņķa, kas diagnosticēta ar pavedienu vizualizāciju, rotora lāpstiņu galu virpuļu astes ierosme, kas sasniedz maksimumu pie aptuveni 40 mezgliem helikoptera režīmā, abu dzinēju atteices drošības slieksnis pie 85° gondolas leņķa ar 5 sekunžu atgūšanas logu un pilna konversija no 95° līdz 0° 11 sekundēs): 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) programmas mērogs un bāze (Bell/Boeing V-22 Osprey 1/4 mērogs, izolēts rotors testēts Vācijas-Nīderlandes vēja tunelī, pilna atvēruma divu rotoru modelis testēts Nacionālā pilna mēroga aerodinamikas kompleksa 40 x 80 pēdu sekcijā NASA Ames centrā): NASA Ames Research Center, "Tiltrotor Aeroacoustic Model".
Tailsitter pārejas aerodinamika (pilna lidaparāta vēja tuneļa testēšana visā uzbrukuma leņķu diapazonā, ko aptver pārejas manevrs, un propellera inducētā ārpusass spēka nelineārā saistība ar uzbrukuma leņķi, gaisa ātrumu, aizspārņu noliekumu un vilci) kopumā atbilst publicētajiem tailsitter vēja tuneļu pētījumiem; TunnelTech testēšanas pieejas raksturojums atspoguļo mūsu pašu inženiertehnisko praksi šai lidaparātu klasei.
Testēšanas metodoloģijas norādījumi (pilni konversijas mērījumi, savienojumu plūsmas vizualizācija, astes strukturālā uzraudzība, pilna diapazona risinājumu novērtēšana) ir TunnelTech inženiertehniskā prakse, kas tieši balstīta uz iepriekš dokumentētajiem XV-15 atklājumiem.

Fiksēto spārnu VTOL pārejas fāzes testēšana: tiltrotori un tailsitter tipa lidaparāti