Испытания переходных режимов VTOL: конвертопланы и tailsitter

Самолётный аппарат VTOL — конвертоплан или tailsitter — должен летать в двух совершенно разных аэродинамических режимах: зависание на роторе и крейсер на крыле. Ни один из этих режимов не самая трудная часть для испытаний. Трудная часть — фаза между ними, где след винта пересекает крыло под всеми углами от вертикали до горизонтали, а аппарат — ни вертолёт, ни самолёт. У этой фазы в отрасли есть название — переходный коридор (conversion corridor), — и она требует собственной программы испытаний.

1. Переходный коридор — определённая, испытанная лётная огибающая

Самая наглядная иллюстрация из документированных — совместная программа NASA и армии США по исследовательскому аппарату XV-15 Tilt Rotor , испытанному в трубе Ames 40×80 футов специально для оценки «характеристик, устойчивости, управляемости и конструктивных нагрузок аппарата для режимов полёта от вертолётного через переходный до самолётного». Программа явно закартировала переходный коридор — конфигурации аппарата, заданные углом наклона гондолы и скоростью, безопасные для полёта с работающими роторами между вертолётной и самолётной крайностями. Сам угол наклона гондолы измеряется относительно фюзеляжа: 0° — самолётный режим, 90° — вертолётный, и каждый угол между ними — отдельная переходная конфигурация.

Некоторые находки той программы, специфичные именно для перехода:

След винта напрямую нагружал хвост. На малоскоростном краю переходного коридора, около 60° угла гондолы, конструкция хвостового оперения испытывала высокие вибрационные нагрузки — настолько высокие, что горизонтальный лонжерон превышал предел бесконечного ресурса. Причину установили визуализацией потока нитями: мощный вихрь, скатывающийся через законцовку крыла и уходящий внутрь на хвост именно при этом угле гондолы. Ни одно единичное аэродинамическое решение (щитки крыла, гребни гондолы, генераторы вихрей) не устранило проблему по всему диапазону от зависания до самолётного режима — нагрузки пришлось решать как подлинно переходную задачу, а не латать одним универсальным фиксом.
Концевые вихри винта возбуждали хвост на конкретной переходной скорости. В вертолётном режиме вибрационные нагрузки на узлах крепления горизонтального оперения росли со скоростью до примерно 40 узлов, а затем резко падали выше неё — концевые вихри винта, сходящие вниз при зависании, сметаются назад в траекторию хвоста именно около этой скорости с началом поступательного полёта, а на более высокой скорости уходят от хвоста полностью.
Испытания масштабных моделей продолжают ту же работу по коридору на современных аппаратах. Программа NASA и армии США Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM) — модель в масштабе 1/4 с двумя роторами на базе Bell/Boeing V-22 Osprey — продолжает эту линию полноохватных испытаний конвертопланов в Национальном комплексе полноразмерной аэродинамики, спустя десятилетия после того, как программа XV-15 впервые закартировала коридор.
Огибающая безопасности сама зависит от угла гондолы. Моделирование, проведённое для программы, показало, что отказ обоих двигателей выше 85° угла гондолы (глубоко в вертолётном/переходном режиме) — единственное аварийное условие, способное вызвать опасное махание лопастей и нагрузки, — восстановимо только уменьшением угла гондолы в течение 5 секунд. Полная конверсия с 95° до 0° выполнялась за 11 секунд. Ниже 85° особых действий по восстановлению не требовалось вовсе. Переходный режим, иначе говоря, имеет собственные границы безопасности, которых не разделяют ни зависание, ни крейсер.

2. У tailsitter — родственная, но иная задача

Tailsitter переходит, разворачивая весь планер из вертикального положения в горизонтальное, а значит его крыло и фюзеляж проходят через очень большие углы атаки — далеко за теми, при которых самолётный аппарат обычно сваливается, — прежде чем аппарат станет крылоопорным. Опубликованные испытания аэродинамики tailsitter в трубе специально нацелены на это: испытывается полный аппарат (крыло, фюзеляж и стабилизатор вместе, а не изолированный профиль) по всему диапазону углов атаки, реально проходимому манёвром перехода, — поскольку аэродинамические силы в этом режиме трудно предсказать одной теорией, а модели динамики полёта, на которых строится контроллер перехода, напрямую зависят от этих данных трубы.

Взаимодействие винта с крылом усложняет картину: на большом угле атаки и малой скорости сила, наводимая винтом перпендикулярно оси тяги, зависит от угла атаки, скорости, отклонения закрылков и тяги одновременно и нелинейно — связь, которую отдельные испытания винта и крыла порознь не выявят.

3. Что реально нужно переходной испытательной кампании

Настоящий проход по конверсии, а не только две крайние точки. Данные зависания и крейсера не предсказывают, что происходит на промежуточных углах гондолы или тангажа, — худшие нагрузки в программе XV-15 появились при 60° гондолы, далеко от обеих крайностей.
Визуализация потока в стыке крыло–гондола или крыло–фюзеляж. Проблему нагрузки хвоста у XV-15 диагностировали, только пронитив внутреннюю часть гондолы и проследив, куда реально уходит возникающий вихрь, — одни силовые данные нагрузки не объясняли.
Мониторинг конструктивных нагрузок на хвосте и задней части фюзеляжа , а не только на крыле — для конвертоплана пересечение хвоста следом винта на конкретных переходных углах — документированный и неочевидный характер отказа.
Охват полного диапазона углов атаки, проходимого манёвром перехода tailsitter , включая значения далеко за обычным сваливанием, поскольку это именно тот режим, через который приходится лететь контроллеру перехода.
Силовая установка учтена в каждой точке переходных данных — наведённые винтом внецентренные силы при переходе — функция угла атаки, скорости и тяги вместе, неотделимая от аэродинамического испытания.

4. Пять ошибок, которые мы видим

Испытание только зависания и крейсера с интерполяцией между ними. Данные XV-15 показывают, что худшие нагрузки могут возникать в середине коридора, а не на одной из крайностей, — интерполяция полностью бы это упустила.
Пропуск визуализации потока, потому что «весы показывают число». Команда XV-15 нашла причину нагрузок на хвосте — конкретный вихрь у законцовки крыла на конкретном угле гондолы — только через визуализацию нитями; одни силовые данные говорили, что проблема есть, но не почему.
Отношение к переходу tailsitter как к «просто большому проходу по углу атаки» на изолированном крыле. Фюзеляж, стабилизатор и взаимодействие с винтом — всё важно на этих углах; поляра изолированного крыла не воспроизведёт поведение полного аппарата, нужное контроллеру перехода.
Предположение, что одно решение (гребни, щитки, генераторы вихрей) очистит нагрузки по всему коридору. В программе XV-15 решения, помогавшие горизонтальному оперению, усугубляли нагрузки на вертикальном киле — фиксы переходного коридора нужно проверять по всей огибающей, а не в одной точке.
Отсутствие испытаний огибающей отказа, только номинальной. Зависящая от угла гондолы граница безопасности, найденная на XV-15 (85° как порог для восстановимого отказа обоих двигателей), возникла из специального анализа именно переходного режима — она не проявилась бы в испытаниях только номинальных условий.

5. Что это значит для вашей программы

Назовите нам механизм перехода — конвертоплан или tailsitter — и целевой переходный коридор — мы спроектируем испытательную кампанию, проходящую всю переходную огибающую, а не только её крайние точки зависания и крейсера. Смежные материалы: наша хаб-статья про

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

Источники и примечания

Программа испытаний исследовательского аппарата XV-15 Tilt Rotor в трубе (труба Ames 40×80 футов, задачи испытаний, охватывающие режимы от вертолётного через переходный до самолётного вплоть до предельной скорости трубы 170 узлов, концепция переходного коридора, конвенция угла гондолы 0° самолётный / 90° вертолётный, нагрузка хвоста от вихрей законцовки крыла при 60° гондолы, диагностированная визуализацией нитями, возбуждение хвоста концевыми вихрями винта с пиком около 40 узлов в вертолётном режиме, порог безопасности при отказе обоих двигателей на 85° гондолы с 5-секундным окном восстановления и полная конверсия с 95° до 0° за 11 секунд): 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, документ 19800015802).
Масштаб и основа программы Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM) (1/4 масштаба Bell/Boeing V-22 Osprey, изолированный ротор испытан в германо-нидерландской аэродинамической трубе, полноразмерная двухроторная модель испытана в секции 40×80 футов Национального комплекса полноразмерной аэродинамики NASA Ames): NASA Ames Research Center, «Tiltrotor Aeroacoustic Model».
Аэродинамика перехода tailsitter (испытания полного аппарата в трубе по диапазону углов атаки, проходимому манёвром перехода, и нелинейная связь наведённой винтом внецентренной силы с углом атаки, скоростью, отклонением закрылков и тягой) в целом согласуется с опубликованными исследованиями аэродинамики tailsitter в трубе; характеристика подхода к испытаниям от TunnelTech отражает нашу собственную инженерную практику для этого класса аппаратов.
Рекомендации по методике испытаний (полные проходы по конверсии, визуализация потока в стыках, мониторинг конструкции хвоста, проверка фиксов по всей огибающей) — инженерная практика TunnelTech, напрямую опирающаяся на документированные находки XV-15 выше.

Переходные режимы VTOL самолётного типа: конвертопланы и tailsitter