Testing av VTOL-overgang: Tiltrotorer og tailsittere

Et fastvinget VTOL-fly — enten det er en tiltrotor eller tailsitter — må fly i to vidt forskjellige aerodynamiske regimer: rotorbasert hovring og vingebasert marsjfart (cruise). Ingen av disse regimene er spesielt vanskelige å teste. Den vanskelige delen er fasen mellom dem, der rotorvaken krysser vingen i alle vinkler fra vertikalt til horisontalt, og flyet verken er et helikopter eller et fly. Denne fasen har et eget navn i bransjen — konverteringskorridoren — og den krever sitt helt egne testprogram.

1. Konverteringskorridoren er en definert og testet flykonvolutt

Den tydeligste illustrasjonen vi har på dette er NASA og den amerikanske hærens fellesprosjekt, XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft . Dette ble testet i Ames 40- by 80-Foot Wind Tunnel spesifikt for å evaluere «flyets ytelse, stabilitet, kontroll og strukturelle belastninger for flymoduser fra helikopter, gjennom overgangen, og til flymodus». Programmet kartla eksplisitt en konverteringskorridor — flykonfigurasjonene, definert av nacelle-vinkel og lufthastighet, som er trygge å fly med rotorene i gang mellom ytterpunktene for helikopter og fly. Selve nacelle-vinkelen måles i forhold til flykroppen: 0° er flymodus, 90° er helikoptermodus, og hver vinkel imellom utgjør en distinkt overgangskonfigurasjon.

Noen av de overgangsspesifikke funnene fra dette programmet:

Rotorvaken belastet halepartiet direkte. I lavhastighetsdelen av konverteringskonvolutten, ved rundt 60° nacelle-vinkel, opplevde halestrukturen høye vibrasjonsbelastninger — høye nok til at den horisontale bjelken overskred sin designgrense for uendelig levetid. Årsaken ble identifisert ved hjelp av strømningsvisualisering med tråder (tuft): en kraftig virvel rullet over vingetippen og sveipet innover mot halen ved akkurat denne nacelle-vinkelen. Ingen enkelt aerodynamisk løsning (vingegjerder, nacelle-finner, virvelgeneratorer) løste problemet over hele spekteret fra hovring til flymodus — belastningene måtte håndteres som et genuint overgangsspesifikt problem, og kunne ikke lappes med en universalløsning.
Rotortippvirvler eksiterte halen ved en spesifikk lufthastighet i overgangen. I helikoptermodus økte de oscillerende belastningene på den horisontale halens festepunkter med lufthastigheten opp til omtrent 40 knop, for deretter å falle raskt. Rotortippvirvlene, som kastes nedover under hovring, sveiper bakover og inn i halens bane akkurat rundt denne hastigheten når flygningen fremover begynner, for så å passere halen helt ved høyere hastigheter.
Testing av skalamodeller viderefører det samme korridorfokuset til moderne fly. NASA og hærens Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM)-program — en 1/4-skala modell med doble rotorer av Bell/Boeing V-22 Osprey — har fortsatt denne typen fullkonvolutt-testing av tiltrotorer ved National Full-Scale Aerodynamics Complex, flere tiår etter at XV-15-programmet først definerte korridoren.
Sikkerhetskonvolutten er i seg selv en funksjon av nacelle-vinkelen. Simuleringsarbeid utført for programmet viste at en tomotorssvikt over 85° nacelle-vinkel (dypt inne i helikopter-/overgangsmodus) var den ene feiltilstanden som kunne forårsake farlig bladflapping og belastninger — noe som kun kunne reddes ved å redusere nacelle-vinkelen innen 5 sekunder. Full konvertering fra 95° til 0° kunne utføres på 11 sekunder. Under 85° var det ikke behov for noen spesielle gjenopprettingstiltak i det hele tatt. Overgangsregimet har med andre ord sine egne sikkerhetsgrenser som hovring og marsjfart ikke deler.

2. Tailsittere har et beslektet, men distinkt problem

En tailsitter gjennomfører overgangen ved å pitche hele flykroppen fra vertikal til horisontal posisjon. Dette betyr at vingen og skroget sveiper gjennom svært høye angrepsvinkler — langt forbi det punktet hvor et fastvingefly normalt ville steilet (stall) — før flyet bæres av vingene. Publiserte vindtunnelstudier på tailsitter-aerodynamikk har rettet seg spesifikt mot dette: å teste hele flyet (vinge, skrog og stabilisator sammen, ikke bare en isolert vingeprofil) over hele spekteret av angrepsvinkler som overgangsmanøveren faktisk sveiper gjennom. Dette gjøres fordi de aerodynamiske kreftene i dette regimet er vanskelige å forutsi utelukkende basert på teori, og flydynamikkmodellene som brukes til å designe overgangskontrolleren avhenger direkte av disse vindtunneldataene.

Interaksjonen mellom propell og vinge forsterker dette: ved høy angrepsvinkel og lav lufthastighet vil kraften propellen induserer vinkelrett på skyvekraftaksen avhenge av angrepsvinkel, lufthastighet, flap-utslag og skyvekraft samtidig og ikke-lineært — en sammenheng som separate tester av kun propell og kun vinge ikke vil avdekke.

3. Hva en testkampanje for overgangsfasen faktisk krever

Et reelt konverteringssveip, ikke bare de to ytterpunktene. Data fra hovring og marsjfart forutsier ikke hva som skjer ved mellomliggende nacelle-vinkler eller pitch-vinkler — de verste belastningene i XV-15-programmet oppstod ved 60° nacelle-vinkel, langt unna begge ytterpunktene.
Strømningsvisualisering ved overgangen mellom vinge og nacelle, eller vinge og skrog. Problemet med halebelastningen på XV-15 ble kun diagnostisert ved å feste tråder (tufting) på den indre delen av nacellen og spore hvor den resulterende virvelen faktisk tok veien — kraftdata alene forklarte ikke belastningene.
Overvåking av strukturell belastning på halen og bakre del av skroget , ikke bare vingen — for en tiltrotor er rotorvake som krysser halen ved spesifikke overgangsvinkler en dokumentert, og lite åpenbar, feilmodus.
Dekning av hele spekteret av angrepsvinkler som en tailsitters overgangsmanøver sveiper gjennom , inkludert langt forbi konvensjonell steiling (stall), siden det er nettopp dette regimet overgangskontrolleren må fly gjennom.
Fremdrift inkludert i hvert eneste datapunkt for overgangen — propellinduserte krefter utenfor aksen under overgangen er en funksjon av angrepsvinkel, lufthastighet og skyvekraft kombinert, og kan ikke separeres fra den aerodynamiske testen.

4. Fem feil vi ofte ser

Å kun teste hovring og marsjfart og interpolere mellom dem. XV-15-dataene viser at de verste belastningene kan oppstå midt i korridoren, ikke ved noen av ytterpunktene — interpolering ville ha oversett dette fullstendig.
Å droppe strømningsvisualisering fordi veiecellene «viser et tall». XV-15-teamet fant kun årsaken til halebelastningene — en spesifikk vingetippvirvel ved en spesifikk nacelle-vinkel — gjennom bruk av tråder (tufting); kraftdataene alene fortalte dem at det var et problem, men ikke hvorfor.
Å behandle tailsitter-overgangen som «bare et stort sveip av angrepsvinkler» på en isolert vinge. Interaksjonen mellom skrog, stabilisator og propell er avgjørende ved disse vinklene — en polar for en isolert vinge vil ikke reprodusere atferden til hele flyet som overgangskontrolleren trenger.
Å anta at én enkelt løsning (finner, vingegjerder, virvelgeneratorer) vil rydde opp i belastningene over hele korridoren. I XV-15-programmet førte løsninger som hjalp den horisontale halen til at belastningene på den vertikale finnen ble verre — løsninger for overgangskorridoren må evalueres over hele konvolutten, ikke bare ved én tilstand.
Å ikke teste feilkonvolutten, kun den nominelle. Den nacelle-vinkelavhengige sikkerhetsgrensen som ble funnet på XV-15 (85° som terskel for en tomotorssvikt som kunne reddes) kom fra en dedikert analyse av spesifikt overgangsregimet — den ville ikke ha dukket opp ved testing av kun nominelle forhold.

5. Hva dette betyr for ditt program

Fortell oss om din overgangsmekanisme — tiltrotor eller tailsitter — og din målkonverteringskorridor , så vil vi utforme en testkampanje som sveiper gjennom hele overgangskonvolutten, ikke bare ytterpunktene for hovring og marsjfart. Relatert lesning: vår hovedartikkel om

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

Kilder og merknader

XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft vindtunnelprogram (Ames 40- by 80-Foot Wind Tunnel, testmål som dekker helikopter gjennom overgang til flymodus opp til 170 knops tunnelkapasitet, konseptet med konverteringskorridor, konvensjon for nacelle-vinkel på 0° fly / 90° helikopter, halebelastning fra vingetippvirvler ved 60° nacelle-vinkel diagnostisert via strømningsvisualisering med tråder, eksitering av halen fra rotortippvirvler med en topp nær 40 knop i helikoptermodus, sikkerhetsterskelen for tomotorssvikt ved 85° nacelle-vinkel med et 5-sekunders vindu for gjenoppretting, og full 95°-til-0° konvertering på 11 sekunder): 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)-programmets skala og grunnlag (1/4-skala av Bell/Boeing V-22 Osprey, isolert rotor testet ved German-Dutch Wind Tunnel, fullspenns modell med doble rotorer testet i 40- by 80-foot-seksjonen av National Full-Scale Aerodynamics Complex ved NASA Ames): NASA Ames Research Center, «Tiltrotor Aeroacoustic Model».
Tailsitter-overgangsaerodynamikk (vindtunneltesting av hele flyet over spekteret av angrepsvinkler som overgangsmanøveren sveiper gjennom, og ikke-lineær kobling av propellindusert kraft utenfor aksen med angrepsvinkel, lufthastighet, flap-utslag og skyvekraft) er i store trekk i samsvar med publisert vindtunnelforskning på tailsittere; TunnelTechs karakterisering av testtilnærmingen gjenspeiler vår egen ingeniørpraksis for denne flyklassen.
Veiledning for testmetodikk (fulle konverteringssveip, strømningsvisualisering i overganger, strukturell overvåking av halen, evaluering av løsninger for hele konvolutten) er TunnelTechs ingeniørpraksis, direkte informert av de dokumenterte XV-15-funnene ovenfor.

Testing av VTOL-overgang for fastvingefly: Tiltrotorer og tailsittere