Pengujian Transisi VTOL: Tiltrotor dan Tailsitter

Sebuah pesawat VTOL sayap tetap — tiltrotor atau tailsitter — perlu terbang dalam dua rejim aerodinamik yang berbeza sama sekali: penerbangan hover bawaan rotor dan penerbangan luncur bawaan sayap. Kedua-dua rejim tersebut bukanlah bahagian yang sukar untuk diuji. Bahagian yang sukar adalah fasa di antara kedua-duanya, di mana jejak rotor melintasi sayap pada setiap sudut dari menegak ke mendatar dan pesawat tersebut tidak bertindak sebagai helikopter mahupun kapal terbang. Fasa tersebut mempunyai nama dalam industri — koridor penukaran — dan ia memerlukan program ujiannya yang tersendiri.

1. Koridor penukaran ialah sampul penerbangan yang ditakrifkan dan diuji

Ilustrasi paling jelas yang direkodkan ialah XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft usaha sama NASA/Tentera Darat, yang diuji di Terowong Angin 40- kali 80-Kaki Ames khusus untuk menilai "prestasi pesawat, kestabilan, kawalan dan beban struktur untuk mod penerbangan dari helikopter melalui transisi dan mod kapal terbang." Program ini secara eksplisit memetakan koridor penukaran — konfigurasi pesawat, yang ditakrifkan oleh insidens nacelle dan kelajuan udara, yang selamat untuk diterbangkan dengan rotor dihidupkan di antara keadaan ekstrem helikopter dan kapal terbang. Insidens nacelle itu sendiri diukur secara relatif kepada fiuslaj: 0° ialah mod kapal terbang, 90° ialah mod helikopter, dan setiap sudut di antaranya ialah konfigurasi transisi yang berbeza.

Beberapa penemuan khusus transisi daripada program tersebut:

Jejak rotor membebani ekor secara langsung. Pada hujung kelajuan rendah sampul penukaran, sekitar insidens nacelle 60°, struktur ekor mengalami beban getaran yang tinggi — cukup tinggi sehingga spar mendatar melebihi had reka bentuk hayat tidak terhingga. Puncanya dikenal pasti melalui visualisasi aliran tuft: vorteks kuat yang bergulung di atas hujung sayap dan menyapu ke bahagian dalam pada ekor pada sudut nacelle tertentu tersebut. Tiada satu pun pembaikan aerodinamik (wing fence, nacelle strake, penjana vorteks) yang menyelesaikannya merentasi keseluruhan julat hover-ke-kapal terbang — beban tersebut terpaksa diuruskan sebagai masalah khusus transisi yang sebenar, bukan ditampal dengan satu penyelesaian untuk semua.
Vorteks hujung rotor merangsang ekor pada kelajuan udara transisi tertentu. Dalam mod helikopter, beban ayunan pada lug penyambung ekor mendatar meningkat dengan kelajuan udara sehingga kira-kira 40 knot, kemudian menurun dengan cepat di atas kelajuan tersebut — vorteks hujung rotor, yang dilepaskan ke bawah semasa hover, menyapu ke belakang ke laluan ekor khususnya di sekitar kelajuan tersebut apabila penerbangan ke hadapan bermula, kemudian melepasi ekor sepenuhnya pada kelajuan yang lebih tinggi.
Pengujian model skala memanjangkan kerja koridor yang sama kepada pesawat moden. Program Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM) NASA dan Tentera Darat — model skala 1/4, dwi-rotor bagi Bell/Boeing V-22 Osprey — telah meneruskan barisan pengujian tiltrotor sampul penuh ini di National Full-Scale Aerodynamics Complex, berdekad-dekad selepas program XV-15 mula-mula mentakrifkan koridor tersebut.
Sampul keselamatan itu sendiri adalah fungsi sudut nacelle. Kerja simulasi yang dilakukan untuk program tersebut mendapati bahawa kegagalan dwi-enjin di atas insidens nacelle 85° (jauh di dalam mod helikopter/transisi) merupakan satu keadaan kegagalan yang boleh menghasilkan kibaran bilah dan beban yang berbahaya — hanya boleh dipulihkan dengan mengurangkan insidens nacelle dalam masa 5 saat. Penukaran penuh dari 95° ke 0° boleh dilaksanakan dalam masa 11 saat. Di bawah 85°, tiada tindakan pemulihan khas diperlukan sama sekali. Rejim transisi, dengan kata lain, mempunyai sempadan keselamatannya yang tersendiri yang tidak dikongsi oleh hover dan luncur.

2. Tailsitter membawa masalah yang berkaitan tetapi berbeza

Sebuah tailsitter melakukan transisi dengan mencondongkan keseluruhan kerangka pesawat dari menegak ke mendatar, yang bermaksud sayap dan fiuslajnya menyapu melalui sudut serangan yang sangat tinggi — jauh melepasi tahap di mana pesawat sayap tetap biasanya akan pegun — sebelum pesawat tersebut ditampung oleh sayap. Kerja terowong angin yang diterbitkan mengenai aerodinamik tailsitter telah menyasarkan perkara ini secara khusus: menguji pesawat penuh (sayap, fiuslaj dan penstabil bersama-sama, bukan sekadar aerofoil terpencil) merentasi julat sudut serangan yang lengkap yang dilalui oleh manuver transisi, kerana daya aerodinamik dalam rejim ini sukar untuk diramalkan daripada teori semata-mata dan model dinamik penerbangan yang digunakan untuk mereka bentuk pengawal transisi bergantung secara langsung pada data terowong angin tersebut.

Interaksi kipas-sayap memburukkan lagi keadaan ini: pada sudut serangan yang tinggi dan kelajuan udara yang rendah, daya yang diaruh oleh kipas berserenjang dengan paksi tujahannya bergantung pada sudut serangan, kelajuan udara, pesongan flap dan tujahan secara serentak dan tidak linear — bukan satu hubungan yang akan didedahkan oleh ujian kipas-sahaja dan sayap-sahaja secara berasingan.

3. Apa yang sebenarnya diperlukan oleh kempen ujian transisi

Sapuan penukaran yang sebenar, bukan sekadar dua titik hujung. Data hover dan luncur tidak meramalkan apa yang berlaku pada sudut nacelle atau sikap pic pertengahan — beban terburuk program XV-15 muncul pada insidens nacelle 60°, jauh dari kedua-dua keadaan ekstrem.
Visualisasi aliran pada simpang sayap-nacelle atau sayap-fiuslaj. Masalah pembebanan ekor XV-15 hanya didiagnosis dengan meletakkan tuft pada nacelle bahagian dalam dan menjejaki ke mana vorteks yang terhasil sebenarnya pergi — data daya semata-mata tidak menjelaskan beban tersebut.
Pemantauan beban struktur pada ekor dan fiuslaj belakang , bukan sekadar sayap — untuk tiltrotor, jejak rotor yang melintasi ekor pada sudut transisi tertentu ialah mod kegagalan yang didokumenkan, dan tidak ketara.
Liputan julat sudut serangan penuh yang dilalui oleh manuver transisi tailsitter , termasuk jauh melepasi pegun konvensional, memandangkan itulah rejim yang perlu dilalui oleh pengawal transisi.
Pendorongan disertakan dalam setiap titik data transisi — daya luar paksi yang diaruh oleh kipas semasa transisi adalah fungsi sudut serangan, kelajuan udara dan tujahan secara bersama, tidak boleh dipisahkan daripada ujian aerodinamik.

4. Lima kesilapan yang kami lihat

Menguji hanya hover dan luncur serta melakukan interpolasi di antara kedua-duanya. Data XV-15 menunjukkan beban terburuk boleh muncul di pertengahan koridor, bukan pada mana-mana titik hujung — interpolasi akan terlepas pandang perkara ini sepenuhnya.
Melangkau visualisasi aliran kerana sel beban "menunjukkan nombor." Pasukan XV-15 hanya menemui punca beban ekor — vorteks hujung sayap tertentu pada sudut nacelle tertentu — melalui tufting; data daya semata-mata memberitahu mereka terdapat masalah, bukan sebabnya.
Menganggap transisi tailsitter sebagai "sekadar sapuan sudut serangan yang besar" pada sayap terpencil. Interaksi fiuslaj, penstabil dan kipas semuanya penting pada sudut ini — polar sayap terpencil tidak akan menghasilkan semula tingkah laku pesawat penuh yang diperlukan oleh pengawal transisi.
Mengandaikan satu pembaikan (strake, fence, penjana vorteks) akan membersihkan beban merentasi keseluruhan koridor. Pada program XV-15, pembaikan yang membantu ekor mendatar menjadikan beban sirip menegak lebih teruk — pembaikan koridor transisi perlu dinilai merentasi keseluruhan sampul, bukan pada satu keadaan.
Tidak menguji sampul kegagalan, hanya yang nominal. Sempadan keselamatan bergantung pada sudut nacelle yang ditemui pada XV-15 (85° sebagai ambang untuk kegagalan dwi-enjin yang boleh dipulihkan) datang daripada analisis khusus rejim transisi secara spesifik — ia tidak akan muncul dalam pengujian keadaan nominal semata-mata.

5. Apa maknanya untuk program anda

Beritahu kami mekanisme transisi anda — tiltrotor atau tailsitter — dan sasaran koridor penukaran anda , dan kami akan merangka kempen ujian yang menyapu keseluruhan sampul transisi, bukan sekadar titik hujung hover dan luncurnya. Bacaan berkaitan: artikel hab kami mengenai

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

Sumber dan nota

Program terowong angin XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft (Terowong Angin 40- kali 80-Kaki Ames, objektif ujian meliputi mod helikopter melalui transisi ke mod kapal terbang sehingga keupayaan terowong 170 knot, konsep koridor penukaran, konvensyen insidens nacelle 0° kapal terbang / 90° helikopter, pembebanan ekor daripada vorteks hujung sayap pada insidens nacelle 60° yang didiagnosis melalui visualisasi tuft, pengujaan ekor vorteks hujung rotor memuncak berhampiran 40 knot dalam mod helikopter, ambang keselamatan kegagalan dwi-enjin pada insidens nacelle 85° dengan tetingkap pemulihan 5 saat, dan penukaran penuh 95° ke 0° dalam 11 saat): 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).
Skala dan asas program Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM) (skala 1/4 bagi Bell/Boeing V-22 Osprey, rotor terpencil diuji di Terowong Angin Jerman-Belanda, model dwi-rotor rentang penuh diuji di bahagian 40- kali 80-kaki di National Full-Scale Aerodynamics Complex di NASA Ames): Pusat Penyelidikan Ames NASA, "Tiltrotor Aeroacoustic Model".
Aerodinamik transisi tailsitter (pengujian terowong angin pesawat penuh merentasi julat sudut serangan yang dilalui oleh manuver transisi, dan gandingan tidak linear daya luar paksi yang diaruh oleh kipas dengan sudut serangan, kelajuan udara, pesongan flap dan tujahan) secara amnya konsisten dengan penyelidikan terowong angin tailsitter yang diterbitkan; pencirian pendekatan pengujian oleh TunnelTech mencerminkan amalan kejuruteraan kami sendiri untuk kelas pesawat ini.
Panduan metodologi ujian (sapuan penukaran penuh, visualisasi aliran simpang, pemantauan struktur ekor, penilaian pembaikan sampul penuh) ialah amalan kejuruteraan TunnelTech, yang dimaklumkan secara langsung oleh penemuan XV-15 yang didokumenkan di atas.

Pengujian Transisi VTOL Sayap Tetap: Tiltrotor dan Tailsitter