Testes de Transição VTOL: Tiltrotors e Tailsitters

Uma aeronave VTOL de asa fixa — tiltrotor ou tailsitter — precisa voar em dois regimes aerodinâmicos completamente diferentes: voo pairado sustentado por rotores e voo de cruzeiro sustentado por asas. Nenhum desses regimes é a parte difícil de testar. A parte difícil é a fase entre eles, onde a esteira do rotor cruza a asa em todos os ângulos, do vertical ao horizontal, e a aeronave não é nem um helicóptero nem um avião. Essa fase tem um nome na indústria — o corredor de conversão — e exige seu próprio programa de testes.

1. O corredor de conversão é um envelope de voo definido e testado

A ilustração mais clara registrada é a do XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft , um projeto conjunto da NASA e do Exército dos EUA, testado no túnel de vento de 40 por 80 pés de Ames especificamente para avaliar "o desempenho da aeronave, estabilidade, controle e cargas estruturais para os modos de voo desde helicóptero, passando pela transição, até o modo avião". O programa mapeou explicitamente um corredor de conversão — as configurações da aeronave, definidas pela incidência da nacele e velocidade do ar, que são seguras para voar com os rotores ligados entre os extremos de helicóptero e avião. A própria incidência da nacele é medida em relação à fuselagem: 0° é o modo avião, 90° é o modo helicóptero, e cada ângulo intermediário é uma configuração de transição distinta.

Algumas das descobertas específicas de transição desse programa:

A esteira do rotor carregou diretamente a cauda. Na extremidade de baixa velocidade do envelope de conversão, em torno de 60° de incidência da nacele, a estrutura da cauda sofreu altas cargas vibratórias — altas o suficiente para que a longarina horizontal excedesse seu limite de projeto de vida infinita. A causa foi identificada com a visualização de fluxo com tufos: um forte vórtice rolando sobre a ponta da asa e varrendo para dentro em direção à cauda naquele ângulo específico da nacele. Nenhuma correção aerodinâmica única (fences na asa, strakes na nacele, geradores de vórtices) resolveu o problema em toda a faixa de voo pairado a avião — as cargas tiveram que ser gerenciadas como um problema genuíno específico da transição, e não remendadas com uma solução única.
Os vórtices de ponta do rotor excitaram a cauda em uma velocidade do ar de transição específica. No modo helicóptero, as cargas oscilatórias nos olhais de fixação da cauda horizontal aumentaram com a velocidade do ar até cerca de 40 nós, caindo rapidamente acima disso — os vórtices de ponta do rotor, desprendidos para baixo no voo pairado, varrem para trás no caminho da cauda especificamente em torno dessa velocidade quando o voo à frente começa, e então liberam a cauda totalmente em velocidades mais altas.
Testes com modelos em escala estendem o mesmo trabalho de corredor para aeronaves modernas. O programa Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM) da NASA e do Exército — um modelo de rotor duplo em escala 1/4 do Bell/Boeing V-22 Osprey — continuou essa linha de testes de tiltrotor de envelope completo no National Full-Scale Aerodynamics Complex, décadas após o programa XV-15 ter definido o corredor pela primeira vez.
O próprio envelope de segurança é uma função do ângulo da nacele. O trabalho de simulação feito para o programa descobriu que uma falha de motor duplo acima de 85° de incidência da nacele (profundamente no modo helicóptero/transição) era a única condição de falha que poderia produzir batimento perigoso das pás e cargas — recuperável apenas reduzindo a incidência da nacele em 5 segundos. A conversão completa de 95° para 0° poderia ser executada em 11 segundos. Abaixo de 85°, nenhuma ação especial de recuperação era necessária. O regime de transição, em outras palavras, tem seus próprios limites de segurança que o voo pairado e o de cruzeiro não compartilham.

2. Tailsitters apresentam um problema relacionado, mas distinto

Um tailsitter faz a transição inclinando toda a estrutura da vertical para a horizontal, o que significa que sua asa e fuselagem varrem ângulos de ataque muito altos — bem além de onde uma aeronave de asa fixa normalmente entraria em estol — antes que a aeronave seja sustentada pelas asas. Trabalhos publicados em túnel de vento sobre a aerodinâmica de tailsitters têm focado especificamente nisso: testar a aeronave completa (asa, fuselagem e estabilizador juntos, não apenas um aerofólio isolado) em toda a faixa de ângulo de ataque que a manobra de transição realmente varre, porque as forças aerodinâmicas neste regime são difíceis de prever apenas pela teoria e os modelos de dinâmica de voo usados para projetar o controlador de transição dependem diretamente desses dados do túnel de vento.

A interação hélice-asa agrava isso: em alto ângulo de ataque e baixa velocidade do ar, a força que a hélice induz perpendicularmente ao seu eixo de empuxo depende do ângulo de ataque, velocidade do ar, deflexão do flap e empuxo simultânea e não linearmente — não é uma relação que testes separados apenas da hélice e apenas da asa revelarão.

3. O que uma campanha de testes de transição realmente precisa

Uma verdadeira varredura de conversão, não apenas os dois pontos extremos. Os dados de voo pairado e de cruzeiro não preveem o que acontece em ângulos intermediários da nacele ou atitudes de arfagem — as piores cargas do programa XV-15 apareceram a 60° de incidência da nacele, longe de qualquer um dos extremos.
Visualização de fluxo na junção asa-nacele ou asa-fuselagem. O problema de carga na cauda do XV-15 só foi diagnosticado colocando tufos na parte interna da nacele e rastreando para onde o vórtice resultante realmente ia — os dados de força sozinhos não explicavam as cargas.
Monitoramento de carga estrutural na cauda e na fuselagem traseira , não apenas na asa — para um tiltrotor, a esteira do rotor cruzando a cauda em ângulos de transição específicos é um modo de falha documentado e não óbvio.
Cobertura de toda a faixa de ângulo de ataque que a manobra de transição de um tailsitter varre , incluindo muito além do estol convencional, já que esse é precisamente o regime pelo qual o controlador de transição tem que voar.
Propulsão incluída em cada ponto de dados de transição — as forças fora do eixo induzidas pela hélice durante a transição são uma função do ângulo de ataque, velocidade do ar e empuxo em conjunto, não separáveis do teste aerodinâmico.

4. Cinco erros que vemos

Testar apenas o voo pairado e de cruzeiro e interpolar entre eles. Os dados do XV-15 mostram que as piores cargas podem aparecer no meio do corredor, não em qualquer um dos extremos — a interpolação teria perdido isso completamente.
Pular a visualização de fluxo porque as células de carga "mostram um número". A equipe do XV-15 só encontrou a causa das cargas na cauda — um vórtice específico na ponta da asa em um ângulo específico da nacele — através do uso de tufos; os dados de força sozinhos disseram a eles que havia um problema, não o porquê.
Tratar a transição do tailsitter como "apenas uma grande varredura de ângulo de ataque" em uma asa isolada. A interação da fuselagem, estabilizador e hélice é importante nesses ângulos — uma polar de asa isolada não reproduzirá o comportamento da aeronave completa que o controlador de transição precisa.
Assumir que uma única correção (strakes, fences, geradores de vórtices) limpará as cargas em todo o corredor. No programa XV-15, as correções que ajudaram a cauda horizontal pioraram as cargas na aleta vertical — as correções do corredor de transição precisam ser avaliadas em todo o envelope, não em uma única condição.
Não testar o envelope de falha, apenas o nominal. O limite de segurança dependente do ângulo da nacele encontrado no XV-15 (85° como o limite para uma falha de motor duplo recuperável) veio de uma análise dedicada do regime de transição especificamente — isso não teria aparecido apenas em testes de condição nominal.

5. O que isso significa para o seu programa

Informe-nos seu mecanismo de transição — tiltrotor ou tailsitter — e seu corredor de conversão alvo , e nós definiremos o escopo de uma campanha de testes que varre todo o envelope de transição, não apenas seus pontos extremos de voo pairado e cruzeiro. Leitura relacionada: nosso artigo principal sobre

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Fontes e notas

Programa de túnel de vento do XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft (túnel de vento de 40 por 80 pés de Ames, objetivos de teste cobrindo desde o modo helicóptero, passando pela transição, até o modo avião com capacidade de túnel de até 170 nós, o conceito de corredor de conversão, convenção de incidência da nacele de 0° avião / 90° helicóptero, carga na cauda devido a vórtices de ponta de asa a 60° de incidência da nacele diagnosticada via visualização com tufos, excitação da cauda por vórtice de ponta de rotor atingindo o pico perto de 40 nós no modo helicóptero, o limite de segurança de falha de motor duplo a 85° de incidência da nacele com janela de recuperação de 5 segundos, e conversão completa de 95° para 0° em 11 segundos): 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).
Escala e base do programa Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM) (escala 1/4 do Bell/Boeing V-22 Osprey, rotor isolado testado no German-Dutch Wind Tunnel, modelo de rotor duplo de envergadura completa testado na seção de 40 por 80 pés do National Full-Scale Aerodynamics Complex na NASA Ames): NASA Ames Research Center, "Tiltrotor Aeroacoustic Model".
A aerodinâmica de transição de tailsitters (testes em túnel de vento da aeronave completa em toda a faixa de ângulo de ataque varrida pela manobra de transição, e o acoplamento não linear da força fora do eixo induzida pela hélice com o ângulo de ataque, velocidade do ar, deflexão do flap e empuxo) é amplamente consistente com a pesquisa publicada em túnel de vento de tailsitters; a caracterização da abordagem de teste da TunnelTech reflete nossa própria prática de engenharia para esta classe de aeronaves.
A orientação da metodologia de teste (varreduras completas de conversão, visualização de fluxo de junção, monitoramento estrutural da cauda, avaliação de correção de envelope completo) é uma prática de engenharia da TunnelTech, diretamente informada pelas descobertas documentadas do XV-15 acima.

Testes de Transição de VTOL de Asa Fixa: Tiltrotors e Tailsitters