VTOL-ийн шилжилтийн туршилт: Тилтротор ба сүүлэн дээрээ суудаг онгоц

Тогтмол далавчтай VTOL (босоо хөөрөлт, буулттай) онгоц — тилтротор эсвэл сүүлэн дээрээ суудаг онгоц (tailsitter) — нь аэродинамикийн тэс өөр хоёр горимд нисэх шаардлагатай болдог: ротороор өргөгдөн агаарт тогтох (hover) болон далавчаар өргөгдөн аяллын нислэг (cruise) үйлдэх. Эдгээр горимуудын аль нэгийг турших нь тийм ч хэцүү биш юм. Хамгийн хэцүү хэсэг нь тэдгээрийн хоорондох шилжилтийн үе шат бөгөөд энэ үед роторын урсгалын мөр (wake) нь далавчийг босоогоос хэвтээ хүртэлх бүх өнцгөөр дайран өнгөрдөг ба онгоц нь нисдэг тэрэг ч биш, энгийн нисэх онгоц ч биш байдаг. Энэхүү үе шатыг салбарын хэллэгээр шилжилтийн коридор (conversion corridor) гэж нэрлэдэг бөгөөд үүнд зориулсан тусгайлсан туршилтын хөтөлбөр шаардлагатай байдаг.

1. Шилжилтийн коридор бол тодорхойлогдсон, туршигдсан нислэгийн хүрээ юм

Үүний хамгийн тод жишээ бол NASA болон АНУ-ын Армийн хамтарсан XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft бөгөөд үүнийг Ames-ийн 40x80 фут хэмжээтэй салхин хонгилд "нисдэг тэрэгний горимоос шилжилтийн үе шатаар дамжин онгоцны горим хүртэлх нислэгийн горимуудын үеийн онгоцны гүйцэтгэл, тогтвортой байдал, удирдлага болон бүтцийн ачааллыг" үнэлэх зорилгоор тусгайлан туршсан байдаг. Энэхүү хөтөлбөр нь шилжилтийн коридор -ыг нарийвчлан зурагласан бөгөөд энэ нь нисдэг тэрэг болон онгоцны туйлын горимуудын хооронд ротор ажиллаж байх үед нисэхэд аюулгүй байх, хөдөлгүүрийн гондол (nacelle)-ын өнцөг болон агаарын хурдаар тодорхойлогдох онгоцны тохиргоонууд юм. Гондолын өнцгийг их биетэй харьцуулан хэмждэг: 0° нь онгоцны горим, 90° нь нисдэг тэрэгний горим бөгөөд тэдгээрийн хоорондох өнцөг бүр нь шилжилтийн өвөрмөц тохиргоо болдог.

Уг хөтөлбөрөөс гарсан шилжилтийн үе шаттай холбоотой зарим онцлог үр дүнгүүд:

Роторын урсгалын мөр сүүлэнд шууд ачаалал өгсөн. Шилжилтийн хүрээний бага хурдны төгсгөлд буюу гондолын өнцөг 60° орчим байх үед сүүлний бүтцэд өндөр чичиргээт ачаалал үүссэн бөгөөд энэ нь хэвтээ тулгуур (spar)-ын хязгааргүй ашиглалтын хугацааны дизайны хязгаараас давах хэмжээнд хүрсэн байна. Үүний шалтгааныг утаслаг (tuft) урсгалын дүрслэлээр тодорхойлсон: тухайн гондолын өнцөгт далавчны үзүүр дээгүүр хүчтэй хуйлрал (vortex) үүсч, дотогш чиглэн сүүлийг дайрч байв. Аэродинамикийн ямар ч дан ганц шийдэл (далавчны хаалт, гондолын чиглүүлэгч, хуйлрал үүсгэгч) нь агаарт тогтохоос онгоцны горим хүртэлх бүх мужид энэ асуудлыг шийдэж чадаагүй бөгөөд ачааллыг нэгдсэн нэг аргаар аргацаах бус, харин шилжилтийн үеийн жинхэнэ тусгайлсан асуудал болгон шийдвэрлэх шаардлагатай болсон.
Роторын үзүүрийн хуйлралууд нь шилжилтийн тодорхой агаарын хурдад сүүлийг өдөөж байв. Нисдэг тэрэгний горимд хэвтээ сүүлний бэхэлгээний чихнүүд дээрх хэлбэлзлийн ачаалал нь агаарын хурд 40 зангилаа (knots) орчим хүртэл нэмэгдэж, түүнээс дээш хурдад огцом буурч байв — агаарт тогтох үед доош чиглэсэн роторын үзүүрийн хуйлралууд нь урагшлах нислэг эхлэх үед буюу яг энэ хурдны орчимд хойш чиглэн сүүлний зам руу орж, улмаар илүү өндөр хурдтай үед сүүлийг бүрэн орхин оддог байна.
Масштабт загварын туршилт нь орчин үеийн онгоцуудад мөн адил коридорын судалгааг өргөжүүлдэг. NASA болон Армийн Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM) хөтөлбөр — Bell/Boeing V-22 Osprey-ийн 1/4 масштабтай, хос ротортой загвар — нь XV-15 хөтөлбөр анх коридорыг тодорхойлсноос хойш хэдэн арван жилийн дараа Үндэсний бүрэн хэмжээний аэродинамикийн цогцолборт тилтроторын бүрэн хүрээний туршилтын энэхүү чиглэлийг үргэлжлүүлсэн.
Аюулгүй байдлын хүрээ нь өөрөө гондолын өнцгөөс хамаардаг. Хөтөлбөрт зориулан хийсэн симуляцийн ажлын үр дүнд гондолын өнцөг 85°-аас дээш (нисдэг тэрэг/шилжилтийн горимын гүнд) байх үед хос хөдөлгүүрийн доголдол гарах нь аюултай ирний савалгаа (blade flapping) болон ачааллыг үүсгэж болох цорын ганц эвдрэлийн нөхцөл болохыг тогтоосон бөгөөд үүнийг зөвхөн 5 секундын дотор гондолын өнцгийг багасгах замаар л сэргээх боломжтой байв. 95°-аас 0° хүртэлх бүрэн шилжилтийг 11 секундэд гүйцэтгэх боломжтой байсан. 85°-аас доош өнцөгт ямар ч тусгай сэргээх үйлдэл шаардлагагүй байв. Өөрөөр хэлбэл, шилжилтийн горим нь агаарт тогтох болон аяллын нислэгт байдаггүй өөрийн гэсэн аюулгүй байдлын хязгааруудтай байдаг.

2. Сүүлэн дээрээ суудаг онгоцууд (Tailsitters) үүнтэй төстэй боловч ялгаатай асуудалтай тулгардаг

Сүүлэн дээрээ суудаг онгоц нь их биеэ бүхэлд нь босоогоос хэвтээ чиглэлд хазайлгах замаар шилжилт хийдэг бөгөөд энэ нь онгоц далавчаараа өргөгдөхөөс өмнө түүний далавч болон их бие нь дайралтын маш өндөр өнцгүүдийг — ердийн тогтмол далавчтай онгоцны уналтад (stall) орох хязгаараас хамаагүй давсан өнцгийг — дайран өнгөрдөг гэсэн үг юм. Сүүлэн дээрээ суудаг онгоцны аэродинамикийн талаар нийтлэгдсэн салхин хонгилын судалгаанууд үүнд тусгайлан чиглэсэн байдаг: шилжилтийн маневрын дайран өнгөрөх дайралтын өнцгийн бүрэн хүрээнд онгоцыг бүхэлд нь (зөвхөн тусгаарлагдсан аэродинамик профиль бус, далавч, их бие, тогтворжуулагчийг хамтад нь) турших шаардлагатай байдаг, учир нь энэ горим дахь аэродинамик хүчийг зөвхөн онолын хувьд таамаглахад бэрх бөгөөд шилжилтийн хянагчийг зохион бүтээхэд ашигладаг нислэгийн динамикийн загварууд нь салхин хонгилын өгөгдлөөс шууд хамаардаг.

Сэнс болон далавчны харилцан үйлчлэл нь үүнийг улам хүндрүүлдэг: өндөр дайралтын өнцөг болон бага агаарын хурдтай үед сэнсний түлхэлтийн тэнхлэгт перпендикуляраар үүсгэх хүч нь дайралтын өнцөг, агаарын хурд, хаалт (flap)-ын хазайлт болон түлхэлтээс нэгэн зэрэг, шугаман бус байдлаар хамаардаг — энэ нь зөвхөн сэнсийг эсвэл зөвхөн далавчийг тусад нь туршаад илрүүлэх боломжгүй хамаарал юм.

3. Шилжилтийн туршилтын кампанит ажилд юу бодитоор шаардлагатай вэ

Зөвхөн хоёр захын цэг бус, жинхэнэ шилжилтийн бүрэн хүрээ. Агаарт тогтох болон аяллын нислэгийн өгөгдлүүд нь завсрын гондолын өнцөг эсвэл хазайлтын байрлалд юу тохиолдохыг урьдчилан таамаглаж чаддаггүй — XV-15 хөтөлбөрийн хамгийн муу ачааллууд нь аль ч туйлын цэгт ойр биш, 60°-ийн гондолын өнцөгт илэрсэн.
Далавч-гондол эсвэл далавч-их биеийн уулзвар дээрх урсгалын дүрслэл. XV-15-ийн сүүлний ачааллын асуудлыг зөвхөн дотор талын гондолд утаслаг (tuft) байрлуулж, үүссэн хуйлрал яг хаашаа чиглэж байгааг мөшгих замаар л оношилсон — зөвхөн хүчний өгөгдөл нь ачааллын шалтгааныг тайлбарлаж чадаагүй.
Зөвхөн далавч бус, сүүл болон их биеийн хойд хэсгийн бүтцийн ачааллын хяналт — тилтроторын хувьд шилжилтийн тодорхой өнцгүүдэд роторын урсгалын мөр сүүлийг дайран өнгөрөх нь баримтжуулагдсан бөгөөд илэрхий бус эвдрэлийн горим юм.
Сүүлэн дээрээ суудаг онгоцны шилжилтийн маневрын дайран өнгөрөх дайралтын өнцгийн бүрэн хүрээг хамрах , үүнд уламжлалт уналтын (stall) хязгаараас хол давсан өнцгүүд багтана, учир нь энэ нь яг л шилжилтийн хянагчийн нисч өнгөрөх ёстой горим юм.
Шилжилтийн өгөгдлийн цэг бүрт хөдөлгүүрийн хүчийг оруулах — шилжилтийн үед сэнсээс үүдэлтэй тэнхлэгээс гадуурх хүчнүүд нь дайралтын өнцөг, агаарын хурд болон түлхэлтийн хамтын функц бөгөөд аэродинамикийн туршилтаас салгах боломжгүй юм.

4. Бидний ажигладаг таван алдаа

Зөвхөн агаарт тогтох болон аяллын нислэгийг туршиж, тэдгээрийн хооронд интерполяци хийх. XV-15-ийн өгөгдлөөс харахад хамгийн муу ачаалал нь аль нэг төгсгөлийн цэгт бус, коридорын дунд хэсэгт гарч болохыг харуулж байна — интерполяци хийсэн бол үүнийг бүхэлд нь анзаарахгүй өнгөрөх байсан.
Ачааллын мэдрэгчүүд (load cells) "тоо харуулж байгаа" учраас урсгалын дүрслэлийг алгасах. XV-15-ийн баг сүүлний ачааллын шалтгааныг — тодорхой гондолын өнцөгт үүсэх далавчны үзүүрийн тодорхой хуйлрал — зөвхөн утаслаг (tuft) ашиглан олж мэдсэн; хүчний өгөгдөл нь зөвхөн асуудал байгааг л хэлж өгсөн болохоос шалтгааныг нь хэлээгүй.
Сүүлэн дээрээ суудаг онгоцны шилжилтийг тусгаарлагдсан далавч дээрх "зүгээр л нэг том дайралтын өнцгийн өөрчлөлт" мэтээр авч үзэх. Эдгээр өнцгүүдэд их бие, тогтворжуулагч болон сэнсний харилцан үйлчлэл бүгд чухал байдаг — тусгаарлагдсан далавчны поляр нь шилжилтийн хянагчид шаардлагатай бүрэн онгоцны төлөв байдлыг гаргаж чадахгүй.
Ганц шийдэл (чиглүүлэгч, хаалт, хуйлрал үүсгэгч) нь бүх коридорын дагуух ачааллыг арилгана гэж таамаглах. XV-15 хөтөлбөрийн үед хэвтээ сүүлэнд тусалсан шийдлүүд нь босоо сэлтний ачааллыг улам дордуулсан — шилжилтийн коридорын шийдлүүдийг зөвхөн нэг нөхцөлд бус, бүх хүрээнд үнэлэх шаардлагатай.
Зөвхөн хэвийн хүрээг туршиж, эвдрэлийн хүрээг туршихгүй байх. XV-15 дээр илэрсэн гондолын өнцгөөс хамааралтай аюулгүй байдлын хязгаар (сэргээх боломжтой хос хөдөлгүүрийн доголдлын босго болох 85°) нь тусгайлан шилжилтийн горимд хийсэн нарийвчилсан шинжилгээнээс гарч ирсэн — энэ нь зөвхөн хэвийн нөхцөлийн туршилтаар илрэхгүй байсан.

5. Энэ нь танай хөтөлбөрт ямар утгатай вэ

Бидэнд өөрийн шилжилтийн механизм — тилтротор эсвэл сүүлэн дээрээ суудаг онгоц — болон зорилтот шилжилтийн коридороо хэлээрэй , тэгвэл бид зөвхөн агаарт тогтох болон аяллын нислэгийн төгсгөлийн цэгүүд бус, шилжилтийн бүрэн хүрээг хамарсан туршилтын кампанит ажлын цар хүрээг тодорхойлох болно. Холбоотой унших материал:

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

дээрх манай төв нийтлэл.

Эх сурвалж болон тэмдэглэл

XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft салхин хонгилын хөтөлбөр (Ames-ийн 40x80 фут хэмжээтэй салхин хонгил, нисдэг тэрэгнээс шилжилтээр дамжин онгоцны горим хүртэлх 170 зангилаа (knots) хүртэлх хонгилын хүчин чадлыг хамарсан туршилтын зорилтууд, шилжилтийн коридорын үзэл баримтлал, 0° онгоц / 90° нисдэг тэрэг гэсэн гондолын өнцгийн конвенц, 60°-ийн гондолын өнцөгт далавчны үзүүрийн хуйлралаас үүдэлтэй сүүлний ачааллыг утаслаг дүрслэлээр оношилсон байдал, нисдэг тэрэгний горимд 40 зангилаа орчимд дээд цэгтээ хүрдэг роторын үзүүрийн хуйлралын сүүлний өдөөлт, 5 секундын сэргээх цонхтой 85°-ийн гондолын өнцөг дэх хос хөдөлгүүрийн доголдлын аюулгүй байдлын босго, мөн 11 секундэд 95°-аас 0° хүртэлх бүрэн шилжилт): 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) хөтөлбөрийн масштаб болон үндэслэл (Bell/Boeing V-22 Osprey-ийн 1/4 масштаб, Герман-Голландын салхин хонгилд туршсан тусгаарлагдсан ротор, NASA Ames дахь Үндэсний бүрэн хэмжээний аэродинамикийн цогцолборын 40x80 фут хэсэгт туршсан бүрэн алгаслалтай хос ротортой загвар): NASA Ames Research Center, "Tiltrotor Aeroacoustic Model".
Сүүлэн дээрээ суудаг онгоцны шилжилтийн аэродинамик (шилжилтийн маневрын дайран өнгөрөх дайралтын өнцгийн хүрээн дэх бүрэн онгоцны салхин хонгилын туршилт, мөн сэнсээс үүдэлтэй тэнхлэгээс гадуурх хүчний дайралтын өнцөг, агаарын хурд, хаалтын хазайлт болон түлхэлттэй шугаман бус холбогдох байдал) нь нийтлэгдсэн сүүлэн дээрээ суудаг онгоцны салхин хонгилын судалгаатай ерөнхийдөө нийцдэг; TunnelTech-ийн туршилтын хандлагын тодорхойлолт нь энэхүү ангиллын онгоцонд зориулсан бидний өөрсдийн инженерийн туршлагыг тусгадаг.
Туршилтын арга зүйн удирдамж (бүрэн шилжилтийн хүрээ, уулзварын урсгалын дүрслэл, сүүлний бүтцийн хяналт, бүрэн хүрээний шийдлийн үнэлгээ) нь дээр дурдсан баримтжуулагдсан XV-15-ийн үр дүнгээс шууд мэдээлэл авсан TunnelTech-ийн инженерийн туршлага юм.

Тогтмол далавчтай VTOL-ийн шилжилтийн туршилт: Тилтротор ба сүүлэн дээрээ суудаг онгоц