VTOL-transitietesten: tiltrotors en tailsitters

Een VTOL-vliegtuig met vaste vleugels — tiltrotor of tailsitter — moet in twee compleet verschillende aerodynamische regimes vliegen: zweven op de rotor (hover) en kruisvlucht op de vleugels (cruise). Geen van beide regimes is het lastige deel om te testen. Het lastige deel is de fase daartussen, waarbij het zog van de rotor de vleugel kruist onder elke hoek van verticaal tot horizontaal en het luchtvaartuig noch een helikopter, noch een vliegtuig is. Die fase heeft een naam in de industrie — de conversiecorridor — en vereist een eigen testprogramma.

1. De conversiecorridor is een gedefinieerde, geteste vluchtenveloppe

De duidelijkste illustratie hiervan is het gezamenlijke NASA/Army XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft , getest in de Ames 40- by 80-Foot Wind Tunnel, specifiek om "vliegtuigprestaties, stabiliteit, besturing en structurele belastingen voor vluchtmodi van helikopter tot transitie en vliegtuigmodus" te evalueren. Het programma bracht expliciet een conversiecorridor in kaart — de vliegtuigconfiguraties, gedefinieerd door de invalshoek van de motorgondel (nacelle) en de luchtsnelheid, die veilig te vliegen zijn met ingeschakelde rotoren tussen de uitersten van helikopter en vliegtuig. De invalshoek van de motorgondel zelf wordt gemeten ten opzichte van de romp: 0° is vliegtuigmodus, 90° is helikoptermodus, en elke hoek daartussen is een afzonderlijke transitieconfiguratie.

Enkele van de transitiespecifieke bevindingen uit dat programma:

Het zog van de rotor belastte de staart direct. Aan de lagesnelheidskant van de conversie-enveloppe, bij een invalshoek van de motorgondel van ongeveer 60°, ondervond de staartconstructie hoge trillingsbelastingen — hoog genoeg dat de horizontale ligger zijn ontwerplimiet voor oneindige levensduur overschreed. De oorzaak werd geïdentificeerd met behulp van tuft-stromingsvisualisatie: een sterke werveling die over de vleugeltip rolde en bij die specifieke gondelhoek naar binnen over de staart streek. Geen enkele aerodynamische oplossing (wing fences, nacelle strakes, vortexgeneratoren) loste dit op over het hele bereik van hover tot vliegtuig — de belastingen moesten worden beheerd als een echt transitiespecifiek probleem en niet worden opgelapt met een universele oplossing.
Wervelingen van de rotortip exciteerden de staart bij een specifieke transitieluchtsnelheid. In helikoptermodus stegen de oscillerende belastingen op de bevestigingsogen van de horizontale staart met de luchtsnelheid tot ongeveer 40 knopen, om daarboven snel te dalen — de wervelingen van de rotortip, die in hover naar beneden worden afgeworpen, strijken specifiek rond die snelheid naar achteren in het pad van de staart wanneer de voorwaartse vlucht begint, en gaan bij een hogere snelheid volledig aan de staart voorbij.
Schaalmodeltesten breiden hetzelfde corridorwerk uit naar moderne vliegtuigen. Het Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM)-programma van NASA en het leger — een 1/4-schaalmodel met dubbele rotor van de Bell/Boeing V-22 Osprey — heeft deze lijn van tiltrotortesten over de volledige enveloppe voortgezet in het National Full-Scale Aerodynamics Complex, decennia nadat het XV-15-programma de corridor voor het eerst definieerde.
De veiligheidsenveloppe is zelf een functie van de gondelhoek. Simulatiewerk dat voor het programma werd uitgevoerd, wees uit dat een uitval van beide motoren boven een gondelinvalshoek van 85° (diep in de helikopter-/transitiemodus) de enige storingsconditie was die gevaarlijk klapperen van de bladen en belastingen kon veroorzaken — wat alleen kon worden hersteld door de invalshoek van de gondel binnen 5 seconden te verkleinen. Een volledige conversie van 95° naar 0° kon in 11 seconden worden uitgevoerd. Onder de 85° was er helemaal geen speciale herstelactie nodig. Met andere woorden, het transitieregime heeft zijn eigen veiligheidsgrenzen die hover en cruise niet delen.

2. Tailsitters hebben een gerelateerd maar afzonderlijk probleem

Een tailsitter maakt de transitie door het gehele casco van verticaal naar horizontaal te kantelen (pitchen), wat betekent dat de vleugel en de romp door zeer hoge invalshoeken gaan — ver voorbij het punt waar een vliegtuig met vaste vleugels normaal gesproken zou overtrekken (stall) — voordat het vliegtuig door de vleugels wordt gedragen. Gepubliceerd windtunnelonderzoek naar de aerodynamica van tailsitters heeft zich specifiek hierop gericht: het testen van het volledige vliegtuig (vleugel, romp en stabilisator samen, niet slechts een geïsoleerd vleugelprofiel) over het volledige bereik van invalshoeken dat de transitiemanoeuvre daadwerkelijk doorloopt, omdat de aerodynamische krachten in dit regime moeilijk te voorspellen zijn op basis van theorie alleen en de vluchtdynamische modellen die worden gebruikt om de transitiecontroller te ontwerpen, direct afhankelijk zijn van die windtunnelgegevens.

De interactie tussen propeller en vleugel verergert dit: bij een hoge invalshoek en lage luchtsnelheid is de kracht die de propeller loodrecht op zijn stuwkrachtas opwekt, tegelijkertijd en niet-lineair afhankelijk van de invalshoek, luchtsnelheid, flapuitslag en stuwkracht — geen relatie die afzonderlijke tests van alleen de propeller en alleen de vleugel aan het licht zullen brengen.

3. Wat een transitietestcampagne daadwerkelijk nodig heeft

Een echte conversiesweep, niet alleen de twee eindpunten. Hover- en cruise-gegevens voorspellen niet wat er gebeurt bij tussenliggende gondelhoeken of pitchstanden — de ergste belastingen van het XV-15-programma traden op bij een gondelinvalshoek van 60°, nergens in de buurt van een van beide uitersten.
Stromingsvisualisatie bij de overgang tussen vleugel en gondel of vleugel en romp. Het probleem met de staartbelasting van de XV-15 werd alleen gediagnosticeerd door tufts aan te brengen op de binnenste gondel en te traceren waar de resulterende werveling daadwerkelijk naartoe ging — krachtgegevens alleen verklaarden de belastingen niet.
Bewaking van structurele belastingen op de staart en achterste romp , niet alleen op de vleugel — voor een tiltrotor is het zog van de rotor dat de staart kruist bij specifieke transitiehoeken een gedocumenteerde, en niet voor de hand liggende, storingsmodus.
Dekking van het volledige bereik van invalshoeken dat de transitiemanoeuvre van een tailsitter doorloopt , inclusief ver voorbij de conventionele overtrek (stall), aangezien dat precies het regime is waar de transitiecontroller doorheen moet vliegen.
Aandrijving inbegrepen in elk transitiedatapunt — door de propeller opgewekte off-axis krachten tijdens de transitie zijn een functie van de invalshoek, luchtsnelheid en stuwkracht samen, en kunnen niet worden gescheiden van de aerodynamische test.

4. Vijf veelgemaakte fouten die we zien

Alleen hover en cruise testen en daartussen interpoleren. De XV-15-gegevens tonen aan dat de ergste belastingen in het midden van de corridor kunnen optreden, niet bij een van de eindpunten — interpolatie zou dit volledig over het hoofd hebben gezien.
Stromingsvisualisatie overslaan omdat de meetcellen "een getal laten zien." Het XV-15-team vond de oorzaak van de staartbelastingen — een specifieke vleugeltipwerveling bij een specifieke gondelhoek — alleen door tufting; de krachtgegevens alleen vertelden hen dat er een probleem was, niet waarom.
De transitie van een tailsitter behandelen als "gewoon een grote invalshoeksweep" op een geïsoleerde vleugel. De interactie tussen romp, stabilisator en propeller is allemaal van belang bij deze hoeken — een pool van een geïsoleerde vleugel zal niet het gedrag van het volledige vliegtuig reproduceren dat de transitiecontroller nodig heeft.
Ervan uitgaan dat een enkele oplossing (strakes, fences, vortexgeneratoren) de belastingen over de hele corridor zal wegnemen. In het XV-15-programma maakten oplossingen die de horizontale staart hielpen, de belastingen op het verticale staartvlak erger — oplossingen voor de transitiecorridor moeten over de hele enveloppe worden geëvalueerd, niet bij één enkele conditie.
De storingsenveloppe niet testen, alleen de nominale. De van de gondelhoek afhankelijke veiligheidsgrens die op de XV-15 werd gevonden (85° als drempel voor een herstelbare uitval van beide motoren) kwam specifiek voort uit een gerichte analyse van het transitieregime — dit zou niet aan het licht zijn gekomen bij het testen van uitsluitend nominale condities.

5. Wat dit betekent voor uw programma

Vertel ons uw transitiemechanisme — tiltrotor of tailsitter — en uw beoogde conversiecorridor , en wij zullen een testcampagne opzetten die de volledige transitie-enveloppe bestrijkt, niet alleen de eindpunten voor hover en cruise. Gerelateerd leesvoer: ons hoofdartikel over

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

Bronnen en opmerkingen

XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft windtunnelprogramma (Ames 40- by 80-Foot Wind Tunnel, testdoelstellingen die helikopter tot transitie naar vliegtuigmodus dekken tot 170 knopen tunnelcapaciteit, het concept van de conversiecorridor, conventie voor gondelinvalshoek van 0° vliegtuig / 90° helikopter, staartbelasting door vleugeltipwervelingen bij 60° gondelinvalshoek gediagnosticeerd via tuft-visualisatie, staartexcitatie door rotortipwervelingen met een piek rond 40 knopen in helikoptermodus, de veiligheidsdrempel voor uitval van beide motoren bij 85° gondelinvalshoek met een herstelvenster van 5 seconden, en volledige conversie van 95° naar 0° in 11 seconden): 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).
Schaal en basis van het Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM)-programma (1/4 schaal van de Bell/Boeing V-22 Osprey, geïsoleerde rotor getest in de Duits-Nederlandse Windtunnel (DNW), model met dubbele rotor over de volledige spanwijdte getest in de 40- by 80-foot sectie van het National Full-Scale Aerodynamics Complex bij NASA Ames): NASA Ames Research Center, "Tiltrotor Aeroacoustic Model".
Transitie-aerodynamica van tailsitters (windtunneltesten van het volledige vliegtuig over het bereik van invalshoeken dat door de transitiemanoeuvre wordt doorlopen, en niet-lineaire koppeling van door de propeller opgewekte off-axis kracht met invalshoek, luchtsnelheid, flapuitslag en stuwkracht) komt in grote lijnen overeen met gepubliceerd windtunnelonderzoek naar tailsitters; de karakterisering van de testaanpak door TunnelTech weerspiegelt onze eigen technische praktijk voor deze vliegtuigklasse.
Richtlijnen voor testmethodologie (volledige conversiesweeps, stromingsvisualisatie bij overgangen, structurele bewaking van de staart, evaluatie van oplossingen over de volledige enveloppe) is de technische praktijk van TunnelTech, direct gebaseerd op de hierboven gedocumenteerde XV-15-bevindingen.

Testen van VTOL-transities bij vaste vleugels: tiltrotors en tailsitters