Testy przejścia VTOL: zmiennowirnikowce i tailsittery

Stałopłat VTOL — zmiennowirnikowiec (tiltrotor) lub tailsitter — musi latać w dwóch całkowicie różnych reżimach aerodynamicznych: zawisie na wirnikach i locie poziomym na skrzydłach. Żaden z tych reżimów nie jest trudny do przetestowania. Trudność stanowi faza pomiędzy nimi, w której ślad torowy wirnika przecina skrzydło pod każdym kątem, od pionu do poziomu, a statek powietrzny nie jest ani śmigłowcem, ani samolotem. Faza ta ma w branży swoją nazwę — korytarz konwersji (conversion corridor) — i wymaga własnego programu testów.

1. Korytarz konwersji to zdefiniowana, przetestowana obwiednia lotu

Najwyraźniejszym udokumentowanym przykładem jest wspólny projekt NASA i armii amerykańskiej — XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft , testowany w tunelu aerodynamicznym Ames 40- by 80-Foot Wind Tunnel specjalnie w celu oceny „osiągów statku powietrznego, stabilności, sterowania i obciążeń strukturalnych dla trybów lotu od śmigłowca, poprzez przejście, aż do trybu samolotowego”. Program ten wyraźnie odwzorował korytarz konwersji — konfiguracje statku powietrznego, zdefiniowane przez kąt zaklinowania gondoli i prędkość powietrza, które są bezpieczne do lotu z włączonymi wirnikami pomiędzy skrajnymi trybami śmigłowca i samolotu. Sam kąt zaklinowania gondoli jest mierzony względem kadłuba: 0° to tryb samolotowy, 90° to tryb śmigłowca, a każdy kąt pomiędzy nimi to odrębna konfiguracja przejściowa.

Niektóre z wniosków dotyczących specyfiki przejścia z tego programu:

Ślad torowy wirnika bezpośrednio obciążał usterzenie ogonowe. W dolnym zakresie prędkości obwiedni konwersji, przy kącie zaklinowania gondoli wynoszącym około 60°, konstrukcja ogona była poddawana wysokim obciążeniom wibracyjnym (drganiom) — na tyle wysokim, że dźwigar poziomy przekroczył swój projektowy limit trwałości zmęczeniowej. Przyczynę zidentyfikowano za pomocą wizualizacji przepływu z użyciem nitek (tuft flow visualization): silny wir przetaczający się przez końcówkę skrzydła i omiatający usterzenie ogonowe do wewnątrz przy tym konkretnym kącie gondoli. Żadna pojedyncza poprawka aerodynamiczna (kierownice strug, pasma na gondolach, generatory wirów) nie rozwiązała tego problemu w całym zakresie od zawisu do lotu samolotowego — obciążenia te musiały być traktowane jako rzeczywisty problem specyficzny dla fazy przejścia, a nie łatane uniwersalnym rozwiązaniem.
Wiry brzegowe wirnika wzbudzały ogon przy określonej prędkości przejścia. W trybie śmigłowca obciążenia oscylacyjne na okuciach mocujących usterzenia poziomego rosły wraz z prędkością powietrza do około 40 węzłów, a następnie gwałtownie spadały powyżej tej wartości — wiry brzegowe wirnika, spływające w dół w zawisie, przemieszczają się do tyłu na ścieżkę ogona właśnie w okolicach tej prędkości, gdy rozpoczyna się lot postępowy, a następnie całkowicie omijają ogon przy wyższych prędkościach.
Testy na modelach w skali rozszerzają te same badania korytarza na nowoczesne statki powietrzne. Program NASA i armii amerykańskiej Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM) — model w skali 1/4 dwuwirnikowego samolotu Bell/Boeing V-22 Osprey — kontynuował tę linię testów zmiennowirnikowców w pełnej obwiedni lotu w National Full-Scale Aerodynamics Complex, dziesiątki lat po tym, jak program XV-15 po raz pierwszy zdefiniował ten korytarz.
Sama obwiednia bezpieczeństwa jest funkcją kąta gondoli. Prace symulacyjne przeprowadzone na potrzeby programu wykazały, że awaria obu silników powyżej kąta zaklinowania gondoli 85° (głęboko w trybie śmigłowca/przejścia) była jedynym stanem awaryjnym, który mógł wywołać niebezpieczne łopotanie łopat i obciążenia — możliwe do opanowania jedynie poprzez zmniejszenie kąta gondoli w ciągu 5 sekund. Pełna konwersja z 95° do 0° mogła zostać wykonana w 11 sekund. Poniżej 85° nie były wymagane żadne specjalne działania naprawcze. Innymi słowy, reżim przejścia ma swoje własne granice bezpieczeństwa, których nie dzielą zawis i lot poziomy.

2. Tailsittery wiążą się z pokrewnym, ale odmiennym problemem

Tailsitter przechodzi z zawisu do lotu poziomego poprzez pochylenie całego płatowca z pionu do poziomu, co oznacza, że jego skrzydło i kadłub przechodzą przez bardzo wysokie kąty natarcia — znacznie przekraczające punkt, w którym stałopłat normalnie uległby przeciągnięciu — zanim statek powietrzny oprze się na sile nośnej skrzydeł. Opublikowane badania w tunelu aerodynamicznym dotyczące aerodynamiki tailsitterów skupiały się właśnie na tym: testowaniu całego statku powietrznego (skrzydła, kadłuba i statecznika razem, a nie tylko wyizolowanego profilu lotniczego) w pełnym zakresie kątów natarcia, przez które faktycznie przechodzi manewr przejścia, ponieważ siły aerodynamiczne w tym reżimie są trudne do przewidzenia na podstawie samej teorii, a modele dynamiki lotu używane do zaprojektowania kontrolera przejścia zależą bezpośrednio od tych danych z tunelu aerodynamicznego.

Interakcja śmigło-skrzydło dodatkowo to komplikuje: przy wysokim kącie natarcia i niskiej prędkości powietrza, siła indukowana przez śmigło prostopadle do jego osi ciągu zależy jednocześnie i nieliniowo od kąta natarcia, prędkości powietrza, wychylenia klap i ciągu — nie jest to zależność, którą ujawnią oddzielne testy samego śmigła i samego skrzydła.

3. Czego tak naprawdę wymaga kampania testów przejścia

Prawdziwego przejścia przez cały zakres konwersji, a nie tylko dwóch punktów końcowych. Dane z zawisu i lotu poziomego nie pozwalają przewidzieć, co dzieje się przy pośrednich kątach gondoli lub postawach pochylenia — najgorsze obciążenia w programie XV-15 pojawiły się przy kącie zaklinowania gondoli 60°, z dala od obu skrajności.
Wizualizacji przepływu na styku skrzydło-gondola lub skrzydło-kadłub. Problem obciążenia ogona w XV-15 zdiagnozowano jedynie poprzez oklejenie nitkami wewnętrznej części gondoli i prześledzenie, dokąd faktycznie przemieszczał się powstały wir — same dane o siłach nie wyjaśniały tych obciążeń.
Monitorowania obciążeń strukturalnych na ogonie i tylnej części kadłuba , a nie tylko na skrzydle — w przypadku zmiennowirnikowca ślad torowy wirnika przecinający ogon pod określonymi kątami przejścia jest udokumentowanym i nieoczywistym rodzajem awarii.
Pokrycia pełnego zakresu kątów natarcia, przez które przechodzi manewr przejścia tailsittera , w tym znacznie poza konwencjonalnym przeciągnięciem, ponieważ jest to dokładnie ten reżim, przez który musi przelecieć kontroler przejścia.
Uwzględnienia napędu w każdym punkcie danych przejścia — indukowane przez śmigło siły pozaosiowe podczas przejścia są funkcją kąta natarcia, prędkości powietrza i ciągu łącznie, i nie można ich oddzielić od testu aerodynamicznego.

4. Pięć błędów, które obserwujemy

Testowanie tylko zawisu i lotu poziomego oraz interpolacja między nimi. Dane z XV-15 pokazują, że najgorsze obciążenia mogą pojawić się w środku korytarza, a nie w żadnym z punktów końcowych — interpolacja całkowicie by to pominęła.
Pomijanie wizualizacji przepływu, ponieważ czujniki siły „pokazują liczbę”. Zespół XV-15 znalazł przyczynę obciążeń ogona — specyficzny wir brzegowy skrzydła przy określonym kącie gondoli — tylko dzięki metodzie nitek; same dane o siłach mówiły im, że jest problem, ale nie dlaczego.
Traktowanie przejścia tailsittera jako „tylko dużego przeciągnięcia kąta natarcia” na wyizolowanym skrzydle. Interakcja kadłuba, statecznika i śmigła ma znaczenie przy tych kątach — biegunowa wyizolowanego skrzydła nie odtworzy zachowania całego statku powietrznego, którego potrzebuje kontroler przejścia.
Zakładanie, że pojedyncza poprawka (pasma, kierownice strug, generatory wirów) wyeliminuje obciążenia w całym korytarzu. W programie XV-15 poprawki, które pomogły usterzeniu poziomemu, pogorszyły obciążenia statecznika pionowego — poprawki w korytarzu konwersji muszą być oceniane w całej obwiedni, a nie tylko w jednym warunku.
Nietestowanie obwiedni awaryjnej, a jedynie nominalnej. Zależna od kąta gondoli granica bezpieczeństwa znaleziona w XV-15 (85° jako próg dla możliwej do opanowania awarii obu silników) wynikała z dedykowanej analizy specyficznie dla reżimu przejścia — nie pojawiłaby się ona w samych testach warunków nominalnych.

5. Co to oznacza dla Twojego programu

Powiedz nam, jaki jest Twój mechanizm przejścia — zmiennowirnikowiec czy tailsitter — oraz jaki jest Twój docelowy korytarz konwersji , a my opracujemy kampanię testową, która obejmie pełną obwiednię przejścia, a nie tylko jej punkty końcowe w zawisie i locie poziomym. Powiązane lektury: nasz główny artykuł na temat

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

Źródła i uwagi

Program badań w tunelu aerodynamicznym XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft (tunel aerodynamiczny Ames 40- by 80-Foot Wind Tunnel, cele testowe obejmujące tryb śmigłowca, przejście do trybu samolotowego do 170 węzłów możliwości tunelu, koncepcja korytarza konwersji, konwencja kąta zaklinowania gondoli 0° samolot / 90° śmigłowiec, obciążenie ogona przez wiry brzegowe skrzydła przy kącie gondoli 60° zdiagnozowane za pomocą wizualizacji nitkami, wzbudzenie ogona przez wiry brzegowe wirnika osiągające szczyt w pobliżu 40 węzłów w trybie śmigłowca, próg bezpieczeństwa awarii obu silników przy kącie gondoli 85° z 5-sekundowym oknem na wyprowadzenie oraz pełna konwersja od 95° do 0° w 11 sekund): 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 i podstawa programu Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM) (skala 1/4 samolotu Bell/Boeing V-22 Osprey, wyizolowany wirnik testowany w German-Dutch Wind Tunnel, model dwuwirnikowy o pełnej rozpiętości testowany w sekcji 40 na 80 stóp w National Full-Scale Aerodynamics Complex w NASA Ames): NASA Ames Research Center, „Tiltrotor Aeroacoustic Model”.
Aerodynamika przejścia tailsittera (testy całego statku powietrznego w tunelu aerodynamicznym w zakresie kątów natarcia obejmowanym przez manewr przejścia oraz nieliniowe sprzężenie indukowanej przez śmigło siły pozaosiowej z kątem natarcia, prędkością powietrza, wychyleniem klap i ciągiem) jest w dużej mierze spójna z opublikowanymi badaniami tailsitterów w tunelu aerodynamicznym; charakterystyka podejścia testowego firmy TunnelTech odzwierciedla naszą własną praktykę inżynieryjną dla tej klasy statków powietrznych.
Wytyczne dotyczące metodologii testów (pełne przejścia konwersji, wizualizacja przepływu na złączach, monitorowanie strukturalne ogona, ocena poprawek w pełnej obwiedni) stanowią praktykę inżynieryjną TunnelTech, bezpośrednio opartą na udokumentowanych powyżej wnioskach z programu XV-15.

Testy przejścia stałopłatów VTOL: zmiennowirnikowce i tailsittery