Testovanie aeroelasticity pre HALE a UAS s dlhou výdržou

Krídlo navrhnuté pre maximálny pomer vztlaku a odporu na lietadle s dlhou výdržou je takmer z definície flexibilné krídlo: veľká štíhlosť a minimálna konštrukčná hmotnosť sú presne to, čo vyžaduje efektivita letu, a oboje pôsobí priamo proti tuhosti. Pri tejto triede lietadiel nie je tvar krídla za letu rovnaký ako na výkrese — neustále sa ohýba a krúti a táto deformácia spätne ovplyvňuje aerodynamiku spôsobmi, ktoré model s tuhým krídlom nedokáže reprezentovať.

Aeroelasticita — prepojenie medzi aerodynamickým zaťažením, konštrukčnou flexibilitou a dynamikou letu — prestáva byť pri tejto triede lietadiel sekundárnou kontrolou a stáva sa primárnym faktorom návrhu.

1. Čo sa vlastne stalo s Heliosom

Najjasnejším a najlepšie zdokumentovaným prípadom je ten priamo od NASA. Dňa 26. júna 2003 sa konfigurácia prototypu Helios s dlhou výdržou (HP03) približne 30 minút po štarte dostala do atmosférickej turbulencie. Vzopätie krídla — výchylka jeho koncov, ktorá je priamym meradlom toho, ako veľmi sa flexibilné krídlo ohlo nahor — narástlo na nezvyčajne trvalých 30 až 40 stôp, čo je oveľa viac ako zhruba 11 až 17 stôp typických pre normálny let. Vyšetrovanie NASA zistilo, že po prekročení tohto vzopätia sa oscilácia sklonu lietadla stala dynamicky nestabilnou: odchýlky rýchlosti vzduchu sa s každým cyklom oscilácie zhruba zdvojnásobili . V záverečnom strmhlavom lete lietadlo prekročilo svoju maximálnu konštrukčnú rýchlosť vzduchu viac ako dvojnásobne. Výsledný dynamický tlak spôsobil postupné zlyhanie sekundárnej konštrukcie nábežnej hrany krídla, solárne panely a poťah sa odtrhli a lietadlo stratilo schopnosť generovať vztlak a zrútilo sa do Tichého oceánu. Od prvého pokusu o diagnostiku problému až po rozpadnutie lietadla vo vzduchu: 91 sekúnd .

2. Prečo ohyb nestabilitu zosilňoval namiesto jej korekcie

Analýza NASA po nehode identifikovala mechanizmus a ide o skutočne aeroelastický jav, nie o jednoduché konštrukčné zlyhanie:

Prerozdelenie vztlaku pozdĺž rozpätia. Keď sa krídlo ohlo nahor, vztlak sa presunul zo stredu lietadla smerom k vonkajším panelom — a zistilo sa, že toto prerozdelenie je vysoko citlivé na poryvy už od pol stopy za sekundu, čo je oveľa menej ako turbulencia, s ktorou sa lietadlo skutočne stretlo.
Udržiavacia slučka, nie samoopravná. Riadiaci systém letu reagoval na rastúce vzopätie vychýlením výškoviek odtokovou hranou nahor; keďže vonkajšie výškovky boli pevné, táto reakcia odstránila viac vztlaku zo stredu ako z koncov — čo krídlo ešte viac vytlačilo do tvaru s vysokým vzopätím namiesto toho, aby ho vrátilo do nominálneho tvaru.
Zvyšujúca sa statická stabilita podporovala fugoidnú nestabilitu. S rastúcim vzopätím sa pôsobisko aerodynamickej sily lietadla posúvalo ďalej nad jeho ťažisko, čím sa zvyšovala pozdĺžna statická stabilita — vlastnosť, ktorá je zvyčajne upokojujúca, ale pri tomto stroji sa zistilo, že zvyšuje nestabilitu dlhoperiodickej oscilácie sklonu.
Zotrvačnosť v sklone vzrástla zhruba päťnásobne v rozsahu vzopätia pozorovanom pri nehode, čo zásadne zmenilo dynamiku letového režimu pri ohybe krídla.

Žiadna z týchto vlastností neplatí pre tuhý drak lietadla. Existujú len preto, že tvar krídla a aerodynamika lietadla boli prepojené — čo je presne to, čo znamená aeroelasticita.

3. Čo malo podľa vlastného vyšetrovania NASA tento problém odhaliť

Hlavné príčiny uvedené v správe o nehode priamo súvisia s tým, ako by sa mala táto trieda lietadiel testovať a navrhovať: nedostatok adekvátnych analytických metód viedol k nepresnému posúdeniu rizík účinkov zmeny konfigurácie (pridanie koncentrovaných hmôt — puzdra s palivovými článkami a nádrží na vodík — na krídlo pôvodne navrhnuté ako „spanloader“ s rozloženým zaťažením), čo výrazne znížilo konštrukčné a aeroelastické rezervy lietadla bez toho, aby bolo toto zníženie vopred správne predpovedané.

Vlastné technické odporúčania vyšetrovania zahŕňajú vývoj postupov a techník pozemných skúšok vhodných pre túto triedu vozidiel na overenie nových analytických metód a predpovedí — čo je priama výzva na fyzické testovanie, nielen na simuláciu, všade tam, kde sa návrh významne odchyľuje od predchádzajúcich letom overených konfigurácií.

4. Čo v skutočnosti vyžaduje aeroelastická testovacia kampaň pre flexibilné krídlo

Model v mierke tuhosti, nielen v geometrickej mierke. Aby sa aeroelastické správanie správne škálovalo, rozloženie konštrukčnej tuhosti modelu musí zodpovedať skutočnému lietadlu, nielen jeho vonkajšiemu tvaru — geometricky presný, ale príliš tuhý model jednoducho skryje prepojenie, ktoré má test odhaliť.
Testovanie odozvy na poryvy, nielen ustálené poláry. Nestabilita Heliosu bola spustená poryvmi v rádoch pol stopy za sekundu — dostatočne malými na to, aby údaje z ustáleného prúdenia bez poryvov v aerodynamickom tuneli túto citlivosť nikdy neodhalili.
Synchronizovaná konštrukčná a aerodynamická meracia technika. Priehyb krídla, skrútenie a dynamické zaťaženie je potrebné merať súčasne so silami a momentmi v tom istom meracom cykle, aby sa zachytilo ich prepojenie a nevyvodzovalo sa len oddelene.
Testovanie naprieč konfiguráciami hmotnosti a rozloženia zaťaženia, s ktorými bude lietadlo skutočne lietať , nielen základného prípadu — koncentrovaná verzus rozložená hmotnosť užitočného zaťaženia mení aeroelastickú rezervu, ako priamo ukázal Helios.
Monitorovanie tvaru krídla v reálnom čase počas testu , čo odráža vlastné odporúčanie NASA merať vzopätie v reálnom čase pomocou vizuálneho displeja — nestabilita, ktorá zničila Helios, bola pre letovú posádku neviditeľná, až kým už nebola nezvratná.

5. Päť chýb, ktoré vidíme

Považovanie tuhosti za konštrukčné schválenie, oddelené od programu aerodynamických testov. Pri lietadle s flexibilným krídlom sú konštrukčné a aerodynamické testovanie ten istý problém, nie dva samostatné, ktoré sa majú postupne odškrtnúť.
Testovanie iba v ustálených podmienkach bez poryvov. Konfigurácia, ktorá vyzerá v hladkom prúdení úplne stabilne, môže byť citlivá na poryvy oveľa menšie, než by napovedala intuícia.
Predpoklad, že zmena konfigurácie je „drobná“, pretože nemení vonkajší obrys. Fatálnou zmenou Heliosu bolo pridanie hmotnosti, nie zmena tvaru — a napriek tomu to hlboko zasiahlo do rezerv lietadla.
Overovanie zákonov riadenia letu na modeli tuhého telesa. Riadiaci systém, ktorý správne reaguje na tuhý drak, môže aktívne zhoršiť aeroelastickú nestabilitu, presne tak, ako to urobila reakcia výškovky na HP03-2.
Vynechanie monitorovania tvaru v reálnom čase, pretože „model sa až tak veľmi nehýbe.“ Rozdiel medzi normálnym a nestabilným vzopätím na Heliose sa meral v desiatkach stôp na 247-stopovom krídle — odchýlka, ktorú je ľahké podceniť, kým nie je meraná prístrojmi.

6. Čo to znamená pre váš program

Povedzte nám konštrukčnú konfiguráciu vášho krídla a akékoľvek plánované zmeny hmotnosti a my navrhneme aeroelastickú testovaciu kampaň s modelom v mierke tuhosti — vrátane odozvy na poryvy — vytvorenú tak, aby zachytila prepojenie, ktoré by čisto aerodynamický alebo čisto konštrukčný test prehliadol. Súvisiace čítanie: náš hlavný článok o

Aerodynamické skúšky bezpilotných lietadiel dlhého doletu

Aerodynamika lietadiel HALE vo veľkých výškach

pre to isté lietadlo.

Zdroje a poznámky

Úplná správa o nehode prototypu Helios HP03-2 (26. júna 2003): nárast vzopätia na 30 – 40 stôp oproti bežným 11 – 17 stopám, oscilácia sklonu s odchýlkami rýchlosti vzduchu, ktoré sa zdvojnásobovali s každým cyklom, prekročenie konštrukčnej rýchlosti vzduchu viac ako dvojnásobne, postupné konštrukčné zlyhanie, 91 sekúnd od prvej diagnózy po rozpadnutie, citlivosť prerozdelenia vztlaku pozdĺž rozpätia na poryvy už od 0,5 stopy/s, slučka spätnej väzby výškovky/vzopätia, mechanizmus statickej stability verzus fugoidnej nestability, zhruba päťnásobný nárast zotrvačnosti v sklone, hlavné príčiny a odporúčanie pre postupy pozemných skúšok vhodné pre danú triedu vozidiel: Noll, T.E., Ishmael, S.D., Henwood, B., Perez-Davis, M.E., Tiffany, G.C., Madura, J., Gaier, M., Brown, J.M., Wierzbanowski, T., „Technical Findings, Lessons Learned, and Recommendations Resulting from the Helios Prototype Vehicle Mishap,“ NASA/Langley, Dryden, Glenn, Ames a Kennedy Research Centers s AeroVironment Inc. (NASA Technical Reports Server, dokument 20070022260), citujúce úplné vyšetrovanie v Noll et al., „Investigation of the Helios Prototype Aircraft Mishap,“ Volume I – Mishap Report, január 2004.
Pozadie lietadla (rozpätie krídel 247 stôp, štíhlosť 30,9:1, konfigurácia samokrídla): v súlade s naším publikovaným článkom o výškovej aerodynamike HALE, ktorý podrobne pokrýva aerodynamický návrh toho istého lietadla.
Odporúčania pre metodiku testovania (modely v mierke tuhosti, testovanie odozvy na poryvy, synchronizovaná konštrukčná/aerodynamická meracia technika, monitorovanie tvaru v reálnom čase) sú inžinierskou praxou spoločnosti TunnelTech, ktorá priamo reaguje na odporúčania pre pozemné skúšky v citovanom vyšetrovaní NASA.

Aeroelasticita a odozva na poryvy pre krídla s veľkou štíhlosťou a dlhou výdržou