Testarea tranziției VTOL: Tiltrotors și Tailsitters

O aeronavă VTOL cu aripă fixă — tiltrotor sau tailsitter — trebuie să zboare în două regimuri aerodinamice complet diferite: zborul la punct fix susținut de rotoare și zborul de croazieră susținut de aripi. Niciunul dintre aceste regimuri nu reprezintă partea dificilă a testării. Partea dificilă este faza dintre ele, în care siajul rotorului traversează aripa la orice unghi de la verticală la orizontală, iar aeronava nu este nici elicopter, nici avion. Această fază are un nume în industrie — coridorul de conversie — și necesită propriul său program de testare.

1. Coridorul de conversie este o anvelopă de zbor definită și testată

Cea mai clară ilustrare înregistrată este aeronava comună NASA/Armata SUA XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft , testată în tunelul aerodinamic Ames de 40 pe 80 de picioare, special pentru a evalua „performanța aeronavei, stabilitatea, controlul și sarcinile structurale pentru modurile de zbor de la elicopter, prin tranziție, până la modul avion”. Programul a cartografiat în mod explicit un coridor de conversie — configurațiile aeronavei, definite de incidența nacelei și viteza aerului, care sunt sigure pentru zborul cu rotoarele pornite între extremele de elicopter și avion. Incidența nacelei în sine este măsurată în raport cu fuzelajul: 0° reprezintă modul avion, 90° reprezintă modul elicopter, iar fiecare unghi intermediar este o configurație de tranziție distinctă.

Câteva dintre constatările specifice tranziției din acel program:

Siajul rotorului a încărcat direct ampenajul. La capătul de viteză redusă al anvelopei de conversie, la o incidență a nacelei de aproximativ 60°, structura ampenajului a înregistrat sarcini vibratorii ridicate — suficient de mari încât lonjeronul orizontal a depășit limita sa de proiectare pentru durată de viață infinită. Cauza a fost identificată prin vizualizarea curgerii cu fire (tufturi): un vârtej puternic care se rostogolea peste vârful aripii și mătura spre interior pe ampenaj la acel unghi specific al nacelei. Nicio soluție aerodinamică singulară (plăci de separare pe aripă, aripioare pe nacelă, generatori de vârtejuri) nu a rezolvat problema pe întregul interval de la zbor staționar la avion — sarcinile au trebuit gestionate ca o problemă autentică specifică tranziției, nu cârpite cu o soluție universală.
Vârtejurile de la vârful rotorului au excitat ampenajul la o anumită viteză de tranziție. În modul elicopter, sarcinile oscilatorii pe urechile de prindere ale ampenajului orizontal au crescut odată cu viteza aerului până la aproximativ 40 de noduri, apoi au scăzut rapid peste această valoare — vârtejurile de la vârful rotorului, degajate în jos la zborul staționar, mătură spre spate în calea ampenajului în mod specific în jurul acelei viteze pe măsură ce începe zborul de înaintare, apoi eliberează complet ampenajul la o viteză mai mare.
Testarea modelelor la scară extinde aceeași muncă asupra coridorului la aeronavele moderne. Programul Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM) al NASA și al Armatei SUA — un model la scara 1/4, cu rotor dublu, al aeronavei Bell/Boeing V-22 Osprey — a continuat această direcție de testare a tiltrotorului pe întreaga anvelopă la National Full-Scale Aerodynamics Complex, la decenii după ce programul XV-15 a definit pentru prima dată coridorul.
Anvelopa de siguranță este în sine o funcție a unghiului nacelei. Lucrările de simulare efectuate pentru program au descoperit că o defecțiune a ambelor motoare la o incidență a nacelei de peste 85° (profund în modul elicopter/tranziție) a fost singura condiție de defecțiune care ar putea produce o fluturare periculoasă a palelor și sarcini critice — recuperabilă doar prin reducerea incidenței nacelei în decurs de 5 secunde. Conversia completă de la 95° la 0° a putut fi executată în 11 secunde. Sub 85°, nu a fost necesară nicio acțiune specială de recuperare. Cu alte cuvinte, regimul de tranziție are propriile sale limite de siguranță pe care zborul staționar și cel de croazieră nu le împart.

2. Aeronavele tailsitter prezintă o problemă înrudită, dar distinctă

Un tailsitter face tranziția prin bascularea întregii structuri de la verticală la orizontală, ceea ce înseamnă că aripa și fuzelajul său trec prin unghiuri de atac foarte mari — mult peste punctul în care o aeronavă cu aripă fixă ar intra în mod normal în angajare — înainte ca aeronava să fie susținută de aripi. Lucrările publicate privind testele în tunelul aerodinamic asupra aerodinamicii aeronavelor tailsitter au vizat în mod specific acest aspect: testarea aeronavei complete (aripă, fuzelaj și stabilizator împreună, nu doar un profil aerodinamic izolat) pe întreaga gamă a unghiurilor de atac prin care trece efectiv manevra de tranziție, deoarece forțele aerodinamice din acest regim sunt dificil de prezis doar din teorie, iar modelele de dinamică a zborului utilizate pentru a proiecta controlerul de tranziție depind direct de acele date din tunelul aerodinamic.

Interacțiunea elice-aripă complică acest lucru: la un unghi de atac mare și o viteză a aerului redusă, forța pe care elicea o induce perpendicular pe axa sa de tracțiune depinde simultan și neliniar de unghiul de atac, viteza aerului, bracarea flapsurilor și tracțiune — o relație pe care testele separate doar pentru elice și doar pentru aripă nu o vor dezvălui.

3. Ce necesită cu adevărat o campanie de testare a tranziției

O baleiere reală a conversiei, nu doar cele două puncte extreme. Datele de zbor staționar și de croazieră nu prezic ce se întâmplă la unghiuri intermediare ale nacelei sau atitudini de tangaj — cele mai grave sarcini din programul XV-15 au apărut la o incidență a nacelei de 60°, nicidecum aproape de vreuna dintre extreme.
Vizualizarea curgerii la joncțiunea aripă-nacelă sau aripă-fuzelaj. Problema încărcării ampenajului la XV-15 a fost diagnosticată doar prin aplicarea de fire (tufturi) pe partea interioară a nacelei și urmărirea traseului real al vârtejului rezultat — datele de forță singure nu au explicat sarcinile.
Monitorizarea sarcinilor structurale pe ampenaj și fuzelajul posterior , nu doar pe aripă — pentru un tiltrotor, siajul rotorului care traversează ampenajul la anumite unghiuri de tranziție este un mod de defecțiune documentat și deloc evident.
Acoperirea întregii game a unghiurilor de atac prin care trece manevra de tranziție a unui tailsitter , inclusiv mult peste angajarea convențională, deoarece acesta este exact regimul prin care trebuie să zboare controlerul de tranziție.
Propulsia inclusă în fiecare punct de date al tranziției — forțele în afara axei induse de elice în timpul tranziției sunt o funcție a unghiului de atac, a vitezei aerului și a tracțiunii împreună, neputând fi separate de testul aerodinamic.

4. Cinci greșeli pe care le observăm

Testarea doar a zborului staționar și de croazieră și interpolarea între ele. Datele XV-15 arată că cele mai grave sarcini pot apărea în mijlocul coridorului, nu la vreunul dintre capete — interpolarea ar fi ratat complet acest aspect.
Omiterea vizualizării curgerii pentru că celulele de sarcină „arată un număr”. Echipa XV-15 a găsit cauza sarcinilor pe ampenaj — un vârtej specific la vârful aripii la un anumit unghi al nacelei — doar prin utilizarea firelor (tufturilor); datele de forță singure le-au spus că există o problemă, nu și de ce.
Tratarea tranziției unui tailsitter ca „doar o mare baleiere a unghiului de atac” pe o aripă izolată. Interacțiunea dintre fuzelaj, stabilizator și elice contează la aceste unghiuri — o polară a unei aripi izolate nu va reproduce comportamentul întregii aeronave de care are nevoie controlerul de tranziție.
Presupunerea că o singură soluție (aripioare, plăci de separare, generatori de vârtejuri) va elimina sarcinile pe întregul coridor. În programul XV-15, soluțiile care au ajutat ampenajul orizontal au înrăutățit sarcinile pe ampenajul vertical — soluțiile pentru coridorul de tranziție trebuie evaluate pe întreaga anvelopă, nu la o singură condiție.
Netestarea anvelopei de defecțiune, ci doar a celei nominale. Limita de siguranță dependentă de unghiul nacelei găsită la XV-15 (85° ca prag pentru o defecțiune recuperabilă a ambelor motoare) a provenit din analiza dedicată în mod specific regimului de tranziție — nu ar fi apărut doar în testarea condițiilor nominale.

5. Ce înseamnă acest lucru pentru programul dumneavoastră

Spuneți-ne mecanismul dumneavoastră de tranziție — tiltrotor sau tailsitter — și coridorul de conversie vizat , iar noi vom concepe o campanie de testare care să acopere întreaga anvelopă de tranziție, nu doar punctele sale extreme de zbor staționar și de croazieră. Lectură conexă: articolul nostru central despre

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

Surse și note

Programul de testare în tunelul aerodinamic al aeronavei XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft (tunelul aerodinamic Ames de 40 pe 80 de picioare, obiectivele testului acoperind modul elicopter, prin tranziție, până la modul avion, cu o capacitate a tunelului de până la 170 de noduri, conceptul coridorului de conversie, convenția incidenței nacelei de 0° avion / 90° elicopter, încărcarea ampenajului din cauza vârtejurilor de la vârful aripii la o incidență a nacelei de 60° diagnosticată prin vizualizarea cu fire, excitarea ampenajului de către vârtejurile de la vârful rotorului atingând un maxim în apropiere de 40 de noduri în modul elicopter, pragul de siguranță pentru defecțiunea ambelor motoare la o incidență a nacelei de 85° cu o fereastră de recuperare de 5 secunde și conversia completă de la 95° la 0° în 11 secunde): 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).
Scara și baza programului Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM) (scara 1/4 a aeronavei Bell/Boeing V-22 Osprey, rotor izolat testat la tunelul aerodinamic germano-olandez, model cu anvergură completă și rotor dublu testat în secțiunea de 40 pe 80 de picioare a National Full-Scale Aerodynamics Complex de la NASA Ames): NASA Ames Research Center, „Tiltrotor Aeroacoustic Model”.
Aerodinamica tranziției aeronavelor tailsitter (testarea în tunelul aerodinamic a aeronavei complete pe întreaga gamă a unghiurilor de atac parcursă de manevra de tranziție și cuplarea neliniară a forței în afara axei induse de elice cu unghiul de atac, viteza aerului, bracarea flapsurilor și tracțiunea) este în mare măsură consecventă cu cercetările publicate privind testele în tunelul aerodinamic pentru tailsitter; caracterizarea abordării de testare de către TunnelTech reflectă propria noastră practică de inginerie pentru această clasă de aeronave.
Îndrumările privind metodologia de testare (baleieri complete ale conversiei, vizualizarea curgerii la joncțiuni, monitorizarea structurală a ampenajului, evaluarea soluțiilor pe întreaga anvelopă) reprezintă practica de inginerie a TunnelTech, informată direct de constatările documentate ale XV-15 de mai sus.

Testarea tranziției pentru aeronavele VTOL cu aripă fixă: Tiltrotors și Tailsitters