Testes de Transição VTOL: Tiltrotors e Tailsitters

Uma aeronave VTOL de asa fixa — tiltrotor ou tailsitter — tem de voar em dois regimes aerodinâmicos completamente diferentes: voo pairado sustentado por rotores e voo de cruzeiro sustentado por asas. Nenhum destes 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, desde a vertical até à 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 o seu próprio programa de testes.

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

A ilustração mais clara registada 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, a estabilidade, o controlo e as cargas estruturais da aeronave para os modos de voo desde helicóptero até ao modo de avião, passando pela transição". O programa mapeou explicitamente um corredor de conversão — as configurações da aeronave, definidas pela incidência da nacela e pela velocidade do ar, que são seguras para voar com os rotores ligados entre os extremos de helicóptero e avião. A própria incidência da nacela é medida em relação à fuselagem: 0° é o modo de avião, 90° é o modo de helicóptero, e cada ângulo intermédio é uma configuração de transição distinta.

Algumas das descobertas específicas da transição resultantes desse programa:

A esteira do rotor carregou diretamente a cauda. Na extremidade de baixa velocidade do envelope de conversão, a cerca de 60° de incidência da nacela, a estrutura da cauda sofreu elevadas cargas vibratórias — suficientemente elevadas para que a longarina horizontal excedesse o seu limite de projeto de vida infinita. A causa foi identificada através da visualização do escoamento com fios (tufts): um forte vórtice a rolar sobre a ponta da asa e a varrer para o interior em direção à cauda naquele ângulo específico da nacela. Nenhuma correção aerodinâmica única (wing fences, strakes na nacela, geradores de vórtices) resolveu o problema em toda a gama desde o voo pairado até ao modo de avião — as cargas tiveram de ser geridas como um problema genuíno e específico da transição, e não remendadas com uma solução universal.
Os vórtices da ponta do rotor excitaram a cauda a uma velocidade do ar de transição específica. No modo de helicóptero, as cargas oscilatórias nos olhais de fixação da cauda horizontal aumentaram com a velocidade do ar até cerca de 40 nós, caindo depois rapidamente acima desse valor — os vórtices da ponta do rotor, libertados para baixo no voo pairado, varrem para trás em direção à trajetória da cauda especificamente em torno dessa velocidade quando o voo para a frente começa, libertando depois totalmente a cauda a velocidades mais elevadas.
Os testes com modelos à escala estendem o mesmo trabalho de corredor a aeronaves modernas. O programa Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM) da NASA e do Exército — um modelo de rotor duplo à escala 1/4 do Bell/Boeing V-22 Osprey — continuou esta 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 nacela. O trabalho de simulação realizado para o programa concluiu que uma falha de motor duplo acima de 85° de incidência da nacela (profundamente no modo de helicóptero/transição) era a única condição de falha que poderia produzir um batimento perigoso das pás e cargas perigosas — recuperável apenas reduzindo a incidência da nacela num espaço de 5 segundos. A conversão total de 95° para 0° podia ser executada em 11 segundos. Abaixo de 85°, não era necessária qualquer ação especial de recuperação. O regime de transição, por outras palavras, tem os seus próprios limites de segurança que o voo pairado e o voo de cruzeiro não partilham.

2. Os 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 a sua asa e fuselagem varrem ângulos de ataque muito elevados — muito para além do ponto em que uma aeronave de asa fixa normalmente entraria em perda (estol) — antes de a aeronave ser sustentada pelas asas. O trabalho publicado sobre testes em túnel de vento na aerodinâmica de tailsitters tem visado especificamente este aspeto: testar a aeronave completa (asa, fuselagem e estabilizador em conjunto, e não apenas um perfil aerodinâmico isolado) em toda a gama de ângulos de ataque que a manobra de transição efetivamente percorre, porque as forças aerodinâmicas neste regime são difíceis de prever apenas a partir da teoria e os modelos de dinâmica de voo utilizados para conceber o controlador de transição dependem diretamente desses dados do túnel de vento.

A interação hélice-asa agrava esta situação: num elevado ângulo de ataque e a baixa velocidade do ar, a força que a hélice induz perpendicularmente ao seu eixo de impulso depende do ângulo de ataque, da velocidade do ar, da deflexão dos flaps e do impulso, de forma simultânea e não linear — uma relação que testes separados apenas com a hélice e apenas com a asa não revelarão.

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

Um verdadeiro varrimento de conversão, e não apenas os dois pontos extremos. Os dados de voo pairado e de cruzeiro não preveem o que acontece em ângulos de nacela ou atitudes de inclinação (pitch) intermédios — as piores cargas do programa XV-15 surgiram a 60° de incidência da nacela, longe de qualquer um dos extremos.
Visualização do escoamento na junção asa-nacela ou asa-fuselagem. O problema de carga na cauda do XV-15 só foi diagnosticado através da colocação de fios (tufting) na parte interior da nacela e do rastreamento do percurso real do vórtice resultante — os dados de força por si só não explicavam as cargas.
Monitorização da carga estrutural na cauda e na fuselagem traseira , e não apenas na asa — para um tiltrotor, a esteira do rotor a cruzar a cauda em ângulos de transição específicos é um modo de falha documentado e não óbvio.
Cobertura de toda a gama de ângulos de ataque que a manobra de transição de um tailsitter percorre , incluindo muito para além da perda (estol) convencional, uma vez que é precisamente esse o regime através do qual o controlador de transição tem de 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, da velocidade do ar e do impulso em conjunto, não sendo separáveis do teste aerodinâmico.

4. Cinco erros que observamos

Testar apenas o voo pairado e o cruzeiro e interpolar entre eles. Os dados do XV-15 mostram que as piores cargas podem surgir a meio do corredor, e não em qualquer um dos extremos — a interpolação tê-las-ia ignorado por completo.
Ignorar a visualização do escoamento porque as células de carga "mostram um número". A equipa do XV-15 só encontrou a causa das cargas na cauda — um vórtice específico na ponta da asa a um ângulo específico da nacela — através do uso de fios (tufting); os dados de força por si só indicaram-lhes que havia um problema, mas não o porquê.
Tratar a transição do tailsitter como "apenas um grande varrimento do ângulo de ataque" numa asa isolada. A interação da fuselagem, do estabilizador e da hélice é importante nestes ângulos — uma polar de asa isolada não reproduzirá o comportamento de toda a aeronave de que o controlador de transição necessita.
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 agravaram as cargas na deriva vertical — as correções no corredor de transição têm de ser avaliadas em todo o envelope, e não apenas numa condição.
Não testar o envelope de falha, apenas o nominal. O limite de segurança dependente do ângulo da nacela encontrado no XV-15 (85° como o limiar para uma falha de motor duplo recuperável) resultou de uma análise dedicada especificamente ao regime de transição — não teria surgido apenas em testes de condições nominais.

5. O que isto significa para o seu programa

Diga-nos qual é o seu mecanismo de transição — tiltrotor ou tailsitter — e o seu corredor de conversão alvo , e iremos delinear uma campanha de testes que varra todo o envelope de transição, e não apenas os seus pontos extremos de voo pairado e cruzeiro. Leitura relacionada: o nosso artigo central 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 abrangendo desde o modo de helicóptero até ao modo de avião, passando pela transição, com capacidade do túnel até 170 nós, o conceito de corredor de conversão, convenção de incidência da nacela de 0° avião / 90° helicóptero, carga na cauda devido a vórtices na ponta da asa a 60° de incidência da nacela diagnosticada através de visualização com fios, excitação da cauda por vórtices da ponta do rotor com pico perto de 40 nós no modo de helicóptero, o limiar de segurança de falha de motor duplo a 85° de incidência da nacela com janela de recuperação de 5 segundos, e conversão total 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 total testado na secção 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 gama de ângulos 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, a velocidade do ar, a deflexão dos flaps e o impulso) é amplamente consistente com a investigação publicada sobre túneis de vento para tailsitters; a caracterização da abordagem de testes da TunnelTech reflete a nossa própria prática de engenharia para esta classe de aeronaves.
A orientação sobre a metodologia de testes (varrimentos de conversão completos, visualização do escoamento na junção, monitorização estrutural da cauda, avaliação de correções em todo o envelope) é uma prática de engenharia da TunnelTech, diretamente informada pelas descobertas documentadas do XV-15 acima referidas.

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