HALE болон удаан хугацааны нислэгийн UAS-д зориулсан аэроэластик туршилт

Удаан хугацааны нислэгийн агаарын хөлөгт өргөх хүч болон эсэргүүцлийн харьцааг дээд зэргээр нэмэгдүүлэх зориулалттай далавч нь тодорхойлолтын хувьд уян хатан далавч байдаг: өндөр суналт болон бүтцийн хамгийн бага жин нь нислэгийн үр ашигт яг шаардлагатай зүйлс бөгөөд эдгээр нь хоёулаа хөшүүн чанарын эсрэг шууд үйлчилдэг. Энэ ангиллын агаарын хөлгийн хувьд нислэгийн үеийн далавчны хэлбэр нь зураг төсөл дээрх хэлбэртэй ижил байдаггүй — энэ нь тасралтгүй нугарч, мушгирч байдаг бөгөөд уг хэв гажилт нь хатуу далавчтай загварт илэрхийлэх боломжгүй байдлаар аэродинамикт буцаж нөлөөлдөг.

Аэроэластик байдал — аэродинамикийн ачаалал, бүтцийн уян хатан байдал болон нислэгийн динамик хоорондын харилцан үйлчлэл — нь энэ ангиллын агаарын хөлөгт хоёрдогч шалгалт байхаа больж, дизайны үндсэн хөдөлгөгч хүч болдог.

1. Helios-т яг юу тохиолдсон бэ

Хамгийн тодорхой, хамгийн сайн баримтжуулагдсан тохиолдол бол NASA-ийн өөрийнх нь туршлага юм. 2003 оны 6-р сарын 26-нд Helios Prototype-ийн удаан хугацааны нислэгийн тохиргоо (HP03) нислэг эхэлснээс хойш 30 орчим минутын дараа агаар мандлын турбулент байдалтай тулгарсан. Далавчны диэдрал — үзүүрийн хазайлт нь уян хатан далавч хэр их дээш нугарсныг шууд хэмжих хэмжүүр бөгөөд энэ нь хэвийн нислэгийн үед ердийн байдаг 11-17 футээс хол давж, ердийн бусаар 30-40 фут хүртэл тогтмол өссөн байна. NASA-ийн мөрдөн байцаалтаар энэхүү диэдралаас хэтэрсэн үед агаарын хөлгийн дагуух тэнхлэгийн хэлбэлзэл динамикийн хувьд тогтворгүй болсныг тогтоосон: агаарын хурдны хэлбэлзэл нь хэлбэлзлийн мөчлөг бүрд ойролцоогоор хоёр дахин нэмэгдэж байв. Хамгийн сүүлд хамар нь доош чиглэсэн уналтын үед агаарын хөлөг нь дизайны дээд агаарын хурдаасаа хоёр дахин их хурдтай болсон байна. Үүний үр дүнд үүссэн динамик даралт нь далавчны урд ирмэгийн хоёрдогч бүтцийн дэс дараалсан эвдрэлд хүргэж, нарны хавтан болон гадна бүрхүүл урагдан унаж, агаарын хөлөг өргөх хүч үүсгэх чадвараа алдан Номхон далайд унасан. Асуудлыг оношлох анхны оролдлогоос эхлээд агаарын хөлөг агаарт бутарч унах хүртэл: 91 секунд зарцуулагдсан.

2. Нугаралт нь тогтворгүй байдлыг засахын оронд яагаад улам нэмэгдүүлсэн бэ

NASA-ийн ослын дараах шинжилгээгээр уг механизмыг тодорхойлсон бөгөөд энэ нь энгийн бүтцийн эвдрэл биш, харин жинхэнэ аэроэластик механизм байв:

Далавчны дагуух өргөх хүчний дахин хуваарилалт. Далавч дээш нугарах үед өргөх хүч агаарын хөлгийн төвөөс гадна талын хавтангууд руу шилжсэн бөгөөд энэхүү дахин хуваарилалт нь секундэд хагас фут орчим бага хэмжээний салхины огцом үлээлтэд хүртэл маш мэдрэмтгий болох нь тогтоогдсон нь бодит байдал дээр тулгарсан турбулент байдлаас хамаагүй бага байв.
Өөрийгөө засах биш, өөрийгөө тэтгэх гогцоо. Нислэгийн удирдлагын систем нь нэмэгдэж буй диэдралд хариу үйлдэл үзүүлэхдээ өндрийн жолооны арын ирмэгийг дээш чиглүүлсэн; гадна талын өндрийн жолоонууд бэхлэгдсэн байсан тул энэхүү хариу үйлдэл нь үзүүрээс илүү төв хэсгээс илүү их өргөх хүчийг устгасан бөгөөд энэ нь далавчийг хэвийн хэлбэрт нь буцаахын оронд өндөр диэдрал хэлбэр рүү улам түлхсэн.
Статик тогтвортой байдал нэмэгдсэн нь фугоид тогтворгүй байдлыг тэтгэсэн. Диэдрал өсөхийн хэрээр агаарын хөлгийн аэродинамик хүчний төв нь хүндийн төвөөсөө улам дээш шилжиж, дагуугийн статик тогтвортой байдлыг нэмэгдүүлсэн — энэ нь ердийн үед найдвартай шинж чанар боловч энэ хөлгийн хувьд урт хугацааны дагуух тэнхлэгийн хэлбэлзлийн тогтворгүй байдлыг нэмэгдүүлдэг болох нь тогтоогдсон.
Дагуух тэнхлэгийн инерци ойролцоогоор тав дахин өссөн бөгөөд энэ нь ослын үед ажиглагдсан диэдралын хязгаарт далавч нугарах үед нислэгийн горимын динамикийг үндсээр нь өөрчилсөн.

Эдгээрийн аль нь ч хатуу их биеийн шинж чанар биш юм. Эдгээр нь зөвхөн далавчны хэлбэр болон агаарын хөлгийн аэродинамик хоорондоо холбогдсон учраас л оршин байдаг — энэ нь яг л аэроэластик байдал гэсэн үг юм.

3. NASA-ийн өөрийнх нь мөрдөн байцаалтаар үүнийг хэрхэн илрүүлэх ёстой байсан талаар юу гэж үзсэн бэ

Ослын тайлангийн үндсэн шалтгаанууд нь энэ ангиллын агаарын хөлгийг хэрхэн турших, зохион бүтээх ёстойтой шууд холбоотой: хангалттай шинжилгээний аргачлал дутмаг байсан нь тохиргооны өөрчлөлтийн (анх тархсан "spanloader" байдлаар бүтээгдсэн далавчинд түлшний эсийн бүхээг болон устөрөгчийн сав зэрэг төвлөрсөн масс нэмэх) нөлөөллийн эрсдэлийн үнэлгээг буруу хийхэд хүргэсэн бөгөөд энэ нь агаарын хөлгийн бүтцийн болон аэроэластик нөөцийг мэдэгдэхүйц бууруулсан боловч энэхүү бууралтыг урьдчилан зөв таамаглаагүй байна.

Мөрдөн байцаалтын техникийн зөвлөмжүүдэд шинэ шинжилгээний аргачлал, таамаглалыг баталгаажуулахын тулд энэ ангиллын хөлөгт тохирсон газрын туршилтын журам, техникийг боловсруулах зэрэг багтсан бөгөөд энэ нь дизайн өмнө нь нислэгээр батлагдсан тохиргооноос мэдэгдэхүйц өөрчлөгдсөн тохиолдолд зөвхөн симуляци бус, физик туршилт хийхийг шууд уриалсан хэрэг юм.

4. Уян хатан далавчны аэроэластик туршилтын кампанит ажилд бодитоор юу шаардлагатай вэ

Зөвхөн геометрийн хувьд масштабчилсан бус, хөшүүн чанараар масштабчилсан загвар. Аэроэластик шинж чанарыг зөв масштаблахын тулд загварын бүтцийн хөшүүн чанарын тархалт нь зөвхөн гадаад хэлбэрээр зогсохгүй бүрэн хэмжээний агаарын хөлөгтэй тохирч байх ёстой — геометрийн хувьд үнэн зөв боловч хэт хөшүүн загвар нь туршилтаар олох ёстой харилцан үйлчлэлийг зүгээр л нуух болно.
Зөвхөн тогтвортой төлөвийн туйл бус, салхины огцом үлээлтийн хариу үйлдлийн туршилт. Helios-ийн тогтворгүй байдал нь секундэд хагас фут орчим хурдтай салхины огцом үлээлтээс үүдэлтэй байсан — энэ нь маш бага хэмжээ тул зөвхөн тогтвортой, салхины огцом үлээлтгүй салхин хонгилын өгөгдөл нь энэхүү мэдрэмтгий байдлыг хэзээ ч илрүүлэхгүй байсан.
Синхрончлогдсон бүтцийн болон аэродинамикийн хэмжилт-хяналтын хэрэгсэл. Далавчны хазайлт, мушгиралт болон динамик ачааллыг хүч болон моменттой хамт нэгэн зэрэг хэмжих шаардлагатай бөгөөд ингэснээр тэдгээрийн хоорондын харилцан үйлчлэлийг тусад нь дүгнэх бус, харин шууд бүртгэж авах боломжтой болно.
Зөвхөн үндсэн тохиолдол бус, агаарын хөлгийн бодит нисэх масс болон ачаалал хуваарилалтын тохиргоонуудад туршилт хийх — Helios-ийн шууд харуулсанчлан, төвлөрсөн болон тархсан ачааллын масс нь аэроэластик нөөцийг өөрчилдөг.
Туршилтын үеэр далавчны хэлбэрийг бодит цаг хугацаанд хянах , энэ нь диэдралыг харааны дэлгэцээр бодит цаг хугацаанд хэмжих тухай NASA-ийн өөрийнх нь зөвлөмжийг тусгасан болно — Helios-ийг сүйтгэсэн тогтворгүй байдал нь сэргээх боломжгүй болох хүртэл нислэгийн багийнханд харагдахгүй байсан.

5. Бидний харж буй таван алдаа

Хөшүүн чанарыг аэродинамикийн туршилтын хөтөлбөрөөс тусад нь бүтцийн баталгаажуулалт болгон авч үзэх. Уян хатан далавчтай агаарын хөлгийн хувьд бүтцийн болон аэродинамикийн туршилт нь дараалж шалгах хоёр тусдаа асуудал биш, харин нэг ижил асуудал юм.
Зөвхөн тогтвортой, салхины огцом үлээлтгүй нөхцөлд турших. Жигд урсгалд бүрэн тогтвортой харагдах тохиргоо нь бидний төсөөлж байгаагаас хамаагүй бага салхины огцом үлээлтэд мэдрэмтгий байж болно.
Гаднах хэвний шугамыг өөрчлөхгүй тул тохиргооны өөрчлөлтийг "бага зэргийн" гэж үзэх. Helios-ийн үхэлд хүргэсэн өөрчлөлт нь хэлбэрийг өөрчлөх бус, масс нэмэх явдал байсан — энэ нь агаарын хөлгийн нөөцийг ихээхэн бууруулсан хэвээр байв.
Нислэгийн удирдлагын хуулийг хатуу биеийн загварын эсрэг баталгаажуулах. Хатуу их биед зөв хариу үйлдэл үзүүлдэг удирдлагын систем нь HP03-2 дээрх өндрийн жолооны хариу үйлдэл шиг аэроэластик тогтворгүй байдлыг идэвхтэйгээр улам дордуулж болно.
"Загвар тийм ч их хөдөлдөггүй" гэсэн шалтгаанаар бодит цагийн хэлбэрийн хяналтыг алгасах. Helios дээрх хэвийн болон тогтворгүй диэдралын хоорондох зөрүү нь 247 футын далавчин дээр хэдэн арван футээр хэмжигдэж байсан — энэ нь хэмжилт хийх хүртэл дутуу үнэлэхэд амархан хазайлт юм.

6. Энэ нь танай хөтөлбөрт ямар утгатай вэ

Далавчныхаа бүтцийн тохиргоо болон төлөвлөж буй массын өөрчлөлтийн талаар бидэнд мэдэгдээрэй , бид зөвхөн аэродинамикийн эсвэл зөвхөн бүтцийн туршилтаар орхигдуулж болох харилцан үйлчлэлийг илрүүлэх зорилгоор бүтээгдсэн хөшүүн чанараар масштабчилсан аэроэластик туршилтын кампанит ажлыг — салхины огцом үлээлтийн хариу үйлдлийг оруулан — төлөвлөх болно. Холбогдох унших материал:

Холын зайн ННТ-ийн аэродинамикийн туршилт

дээрх бидний төв нийтлэл, мөн ижил агаарын хөлөгт зориулсан

Өндрийн HALE аэродинамик

Эх сурвалж болон тэмдэглэл

Helios Prototype HP03-2 ослын бүрэн тайлан (2003 оны 6-р сарын 26): диэдрал хэвийн үед 11-17 фут байдгаас 30-40 фут хүртэл өссөн, мөчлөг бүрд агаарын хурдны хэлбэлзэл хоёр дахин нэмэгдсэн дагуух тэнхлэгийн хэлбэлзэл, дизайны агаарын хурдыг хоёр дахин их хэмжээгээр хэтрүүлсэн, дэс дараалсан бүтцийн эвдрэл, анхны оношилгооноос бутрах хүртэлх 91 секунд, 0,5 фут/сек хүртэлх бага хэмжээний салхины огцом үлээлтэд далавчны дагуух өргөх хүчний дахин хуваарилалтын мэдрэмтгий байдал, өндрийн жолоо/диэдралын эргэх холбооны гогцоо, статик тогтвортой байдал ба фугоид тогтворгүй байдлын механизм, дагуух тэнхлэгийн инерцийн ойролцоогоор тав дахин өсөлт, үндсэн шалтгаанууд, мөн хөлгийн ангилалд тохирсон газрын туршилтын журмын зөвлөмж: 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 and Kennedy Research Centers with AeroVironment Inc. (NASA Technical Reports Server, document 20070022260), Noll et al., "Investigation of the Helios Prototype Aircraft Mishap," Volume I – Mishap Report, January 2004 дахь бүрэн мөрдөн байцаалтаас иш татав.
Агаарын хөлгийн ерөнхий мэдээлэл (247 футын далавчны дэлгэц, 30,9:1 суналтын харьцаа, нисдэг далавчны тохиргоо): ижил агаарын хөлгийн аэродинамик дизайныг нарийвчлан авч үзсэн HALE өндрийн аэродинамикийн талаарх бидний нийтэлсэн нийтлэлтэй нийцэж байна.
Туршилтын аргачлалын зөвлөмжүүд (хөшүүн чанараар масштабчилсан загварууд, салхины огцом үлээлтийн хариу үйлдлийн туршилт, синхрончлогдсон бүтцийн/аэродинамикийн хэмжилт-хяналтын хэрэгсэл, бодит цагийн хэлбэрийн хяналт) нь иш татсан NASA-ийн мөрдөн байцаалт дахь газрын туршилтын зөвлөмжид шууд нийцсэн TunnelTech-ийн инженерийн практик юм.

Удаан хугацааны нислэгийн, өндөр суналттай далавчны аэроэластик байдал ба салхины огцом үлээлтийн хариу үйлдэл