Testovanie prechodu VTOL: Tiltrotory a tailsittery

Lietadlo VTOL s pevným krídlom — tiltrotor alebo tailsitter — musí lietať v dvoch úplne odlišných aerodynamických režimoch: visenie na rotoroch a cestovný let na krídlach. Ani jeden z týchto režimov nie je na testovanie tou najťažšou časťou. Najťažšou časťou je fáza medzi nimi, kde úplav rotora prechádza cez krídlo v každom uhle od vertikálneho po horizontálny a lietadlo nie je ani vrtuľníkom, ani lietadlom. Táto fáza má v odvetví svoj názov — konverzný koridor — a vyžaduje si vlastný testovací program.

1. Konverzný koridor je definovaná, testovaná letová obálka

Najjasnejším zaznamenaným príkladom je spoločný výskumný projekt NASA a americkej armády XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft , testovaný v aerodynamickom tuneli Ames 40- by 80-Foot Wind Tunnel špecificky na vyhodnotenie „výkonnosti lietadla, stability, riadenia a štrukturálneho zaťaženia pre letové režimy od vrtuľníka cez prechod až po režim lietadla.“ Program explicitne zmapoval konverzný koridor — konfigurácie lietadla, definované uhlom nastavenia gondoly a rýchlosťou vzduchu, pri ktorých je bezpečné lietať so zapnutými rotormi medzi extrémami vrtuľníka a lietadla. Samotný uhol nastavenia gondoly sa meria vzhľadom na trup: 0° je režim lietadla, 90° je režim vrtuľníka a každý uhol medzi nimi predstavuje samostatnú prechodovú konfiguráciu.

Niektoré zo zistení tohto programu špecifických pre prechodovú fázu:

Úplav rotora priamo zaťažoval chvostové plochy. Na nízkorychlostnom konci konverznej obálky, pri uhle nastavenia gondoly približne 60°, bola konštrukcia chvosta vystavená vysokému vibračnému zaťaženiu — dostatočne vysokému na to, aby horizontálny nosník prekročil svoj konštrukčný limit pre neobmedzenú životnosť. Príčina bola identifikovaná pomocou vizualizácie prúdenia vláknami: silný vír, ktorý sa pri tomto špecifickom uhle gondoly prevaľoval cez koniec krídla a smeroval dovnútra na chvost. Žiadna samostatná aerodynamická úprava (aerodynamické plôtiky na krídlach, lišty na gondolách, generátory vírov) to nevyriešila v celom rozsahu od visenia po let — zaťaženie sa muselo riešiť ako skutočný problém špecifický pre prechod, a nie plátať univerzálnym riešením.
Víry z koncov listov rotora vybudzovali chvostové plochy pri špecifickej rýchlosti prechodu. V režime vrtuľníka oscilačné zaťaženie na úchytoch horizontálnych chvostových plôch stúpalo s rýchlosťou vzduchu až do približne 40 uzlov, a potom nad touto hranicou prudko kleslo — víry z koncov listov rotora, ktoré pri visení smerujú nadol, sa pri začiatku dopredného letu presúvajú dozadu do dráhy chvosta práve pri tejto rýchlosti, a pri vyššej rýchlosti chvost úplne minú.
Testovanie zmenšených modelov rozširuje rovnakú prácu na koridore aj na moderné lietadlá. Program Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM) agentúry NASA a armády — dvojrotorový model Bell/Boeing V-22 Osprey v mierke 1:4 — pokračoval v tejto línii testovania tiltrotorov v plnej obálke v komplexe National Full-Scale Aerodynamics Complex, desaťročia po tom, čo program XV-15 prvýkrát definoval tento koridor.
Samotná bezpečnostná obálka je funkciou uhla gondoly. Simulačné práce vykonané pre tento program zistili, že zlyhanie oboch motorov pri uhle nastavenia gondoly nad 85° (hlboko v režime vrtuľníka/prechodu) bolo jediným poruchovým stavom, ktorý mohol spôsobiť nebezpečné mávanie listov a zaťaženie — z ktorého sa dalo zotaviť len znížením uhla gondoly do 5 sekúnd. Úplná konverzia z 95° na 0° sa dala vykonať za 11 sekúnd. Pod 85° nebol potrebný vôbec žiadny špeciálny záchranný úkon. Inými slovami, prechodový režim má svoje vlastné bezpečnostné hranice, ktoré visenie a cestovný let nezdieľajú.

2. Tailsittery prinášajú súvisiaci, ale odlišný problém

Tailsitter prechádza zmenou sklonu celého draku z vertikálnej do horizontálnej polohy, čo znamená, že jeho krídlo a trup prechádzajú veľmi vysokými uhlami nábehu — ďaleko za hranicou, kde by lietadlo s pevným krídlom normálne stratilo vztlak — predtým, než je lietadlo nesené krídlom. Publikované práce z aerodynamických tunelov o aerodynamike tailsitterov sa zamerali špecificky na toto: testovanie celého lietadla (krídlo, trup a stabilizátor spoločne, nielen izolovaný profil krídla) v celom rozsahu uhlov nábehu, ktorým prechodový manéver skutočne prechádza, pretože aerodynamické sily v tomto režime je ťažké predpovedať len z teórie a modely dynamiky letu používané na návrh prechodového regulátora priamo závisia od týchto údajov z aerodynamického tunela.

Interakcia medzi vrtuľou a krídlom to ešte komplikuje: pri vysokom uhle nábehu a nízkej rýchlosti vzduchu závisí sila, ktorú vrtuľa indukuje kolmo na os svojho ťahu, od uhla nábehu, rýchlosti vzduchu, výchylky klapiek a ťahu súčasne a nelineárne — čo nie je vzťah, ktorý by odhalili oddelené testy samotnej vrtule a samotného krídla.

3. Čo testovacia kampaň prechodu skutočne potrebuje

Skutočný prechod konverziou, nielen dva koncové body. Údaje z visenia a cestovného letu nepredpovedajú, čo sa stane pri stredných uhloch gondoly alebo polohách sklonu — najhoršie zaťaženia v programe XV-15 sa objavili pri uhle nastavenia gondoly 60°, čo nie je ani zďaleka blízko k žiadnemu z extrémov.
Vizualizácia prúdenia na spoji krídla s gondolou alebo krídla s trupom. Problém so zaťažením chvosta na XV-15 bol diagnostikovaný iba pomocou vlákien na vnútornej strane gondoly a sledovaním, kam výsledný vír skutočne smeroval — samotné údaje o silách tieto zaťaženia nevysvetľovali.
Monitorovanie štrukturálneho zaťaženia na chvoste a zadnej časti trupu , nielen na krídle — pre tiltrotor je úplav rotora prechádzajúci cez chvost pri špecifických uhloch prechodu zdokumentovaným a nie celkom zrejmým spôsobom zlyhania.
Pokrytie celého rozsahu uhlov nábehu, ktorým prechádza prechodový manéver tailsittera , vrátane hodnôt ďaleko za hranicou bežnej straty vztlaku, keďže práve to je režim, ktorým musí prechodový regulátor preletieť.
Pohon zahrnutý v každom dátovom bode prechodu — sily mimo osi indukované vrtuľou počas prechodu sú funkciou uhla nábehu, rýchlosti vzduchu a ťahu súčasne, a nemožno ich oddeliť od aerodynamického testu.

4. Päť chýb, ktoré vidíme

Testovanie iba visenia a cestovného letu a interpolácia medzi nimi. Údaje z XV-15 ukazujú, že najhoršie zaťaženia sa môžu objaviť v strede koridoru, nie v niektorom z koncových bodov — interpolácia by to úplne prehliadla.
Vynechanie vizualizácie prúdenia, pretože silomery „ukazujú číslo.“ Tím XV-15 našiel príčinu zaťaženia chvosta — špecifický vír na konci krídla pri špecifickom uhle gondoly — iba prostredníctvom vlákien; samotné údaje o silách im povedali, že existuje problém, ale nie prečo.
Považovanie prechodu tailsittera za „len veľký prechod uhlom nábehu“ na izolovanom krídle. Interakcia trupu, stabilizátora a vrtule je pri týchto uhloch dôležitá — polára izolovaného krídla nereprodukuje správanie celého lietadla, ktoré prechodový regulátor potrebuje.
Predpoklad, že jedna úprava (lišty, plôtiky, generátory vírov) vyčistí zaťaženia v celom koridore. V programe XV-15 úpravy, ktoré pomohli horizontálnym chvostovým plochám, zhoršili zaťaženie vertikálnej chvostovej plochy — úpravy prechodového koridoru sa musia vyhodnocovať v celej obálke, nie len pri jednej podmienke.
Netestovanie poruchovej obálky, iba tej nominálnej. Bezpečnostná hranica závislá od uhla gondoly zistená na XV-15 (85° ako prah pre zotaviteľné zlyhanie oboch motorov) vzišla zo špecifickej analýzy prechodového režimu — pri testovaní iba v nominálnych podmienkach by sa neukázala.

5. Čo to znamená pre váš program

Povedzte nám váš mechanizmus prechodu — tiltrotor alebo tailsitter — a váš cieľový konverzný koridor , a my navrhneme testovaciu kampaň, ktorá pokryje celú prechodovú obálku, nielen jej koncové body visenia a cestovného letu. Súvisiace čítanie: náš hlavný článok o

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

Zdroje a poznámky

Program aerodynamického tunela XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft (Ames 40- by 80-Foot Wind Tunnel, ciele testu pokrývajúce režimy od vrtuľníka cez prechod až po režim lietadla do kapacity tunela 170 uzlov, koncept konverzného koridoru, konvencia uhla nastavenia gondoly 0° lietadlo / 90° vrtuľník, zaťaženie chvosta od vírov na koncoch krídel pri uhle gondoly 60° diagnostikované pomocou vizualizácie vláknami, vybudzovanie chvosta vírmi z koncov listov rotora s vrcholom blízko 40 uzlov v režime vrtuľníka, bezpečnostný prah pri zlyhaní oboch motorov pri uhle gondoly 85° s 5-sekundovým oknom na zotavenie a úplná konverzia z 95° na 0° za 11 sekúnd): 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).
Mierka a základ programu Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM) (mierka 1:4 modelu Bell/Boeing V-22 Osprey, izolovaný rotor testovaný v Nemecko-holandskom aerodynamickom tuneli, model s plným rozpätím a dvoma rotormi testovaný v sekcii 40 x 80 stôp komplexu National Full-Scale Aerodynamics Complex v NASA Ames): NASA Ames Research Center, „Tiltrotor Aeroacoustic Model“.
Aerodynamika prechodu tailsittera (testovanie celého lietadla v aerodynamickom tuneli v celom rozsahu uhlov nábehu, ktorým prechádza prechodový manéver, a nelineárne prepojenie sily mimo osi indukovanej vrtuľou s uhlom nábehu, rýchlosťou vzduchu, výchylkou klapiek a ťahom) je vo všeobecnosti v súlade s publikovaným výskumom tailsitterov v aerodynamických tuneloch; charakteristika testovacieho prístupu spoločnosti TunnelTech odráža našu vlastnú inžiniersku prax pre túto triedu lietadiel.
Usmernenia k metodike testovania (úplné prechody konverziou, vizualizácia prúdenia na spojoch, monitorovanie štruktúry chvosta, vyhodnotenie úprav v celej obálke) sú inžinierskou praxou spoločnosti TunnelTech, priamo vychádzajúcou z vyššie zdokumentovaných zistení z XV-15.

Testovanie prechodu VTOL s pevným krídlom: Tiltrotory a tailsittery