Testiranje prehodnega leta VTOL: Tiltrotorji in tailsitterji

VTOL zrakoplov s fiksnimi krili — tiltrotor ali tailsitter — mora leteti v dveh popolnoma različnih aerodinamičnih režimih: lebdenje na rotorjih in križarjenje na krilih. Noben od teh dveh režimov ni težaven za testiranje. Težaven del je faza med njima, kjer sled rotorja prečka krilo pod vsemi koti od vertikalnega do horizontalnega in zrakoplov ni ne helikopter ne letalo. Ta faza ima v industriji svoje ime — prehodni koridor — in zahteva svoj lasten program testiranja.

1. Prehodni koridor je definirana in testirana ovojnica leta

Najbolj jasen zabeležen primer je skupni raziskovalni zrakoplov NASA in ameriške vojske XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft , ki so ga testirali v vetrovniku Ames 40- by 80-Foot Wind Tunnel specifično za oceno "zmogljivosti zrakoplova, stabilnosti, nadzora in strukturnih obremenitev za načine letenja od helikopterskega, preko prehodnega, do letalskega načina". Program je eksplicitno začrtal prehodni koridor — konfiguracije zrakoplova, definirane s kotom nagiba gondole in hitrostjo zraka, ki so varne za letenje z vklopljenimi rotorji med helikopterskimi in letalskimi ekstremi. Sam kot nagiba gondole se meri glede na trup: 0° je letalski način, 90° je helikopterski način, vsak vmesni kot pa predstavlja ločeno prehodno konfiguracijo.

Nekaj specifičnih ugotovitev glede prehodnega leta iz tega programa:

Sled rotorja je neposredno obremenila rep. Na nizkohitrostnem koncu prehodne ovojnice, pri približno 60° nagiba gondole, je bila repna struktura izpostavljena visokim vibracijskim obremenitvam — dovolj visokim, da je horizontalni nosilec presegel svojo projektirano mejo neskončne življenjske dobe. Vzrok je bil ugotovljen z vizualizacijo toka s kosmiči: močan vrtinec, ki se je pri tem specifičnem kotu gondole valil preko konice krila in se usmeril navznoter na rep. Noben posamezen aerodinamični popravek (krilne ograjice, stabilizatorji na gondolah, generatorji vrtincev) tega ni rešil v celotnem razponu od lebdenja do letalskega načina — obremenitve je bilo treba obravnavati kot pristen problem, specifičen za prehodni let, in ne kot nekaj, kar bi lahko zakrpali z univerzalno rešitvijo.
Vrtinci s konic rotorja so vzbujali rep pri specifični hitrosti prehodnega leta. V helikopterskem načinu so oscilacijske obremenitve na pritrdilnih ušesih horizontalnega repa naraščale s hitrostjo zraka do približno 40 vozlov, nato pa so nad to hitrostjo hitro padle — vrtinci s konic rotorja, ki se pri lebdenju sproščajo navzdol, se ob začetku leta naprej usmerijo nazaj na pot repa specifično pri tej hitrosti, pri višji hitrosti pa rep popolnoma obidejo.
Testiranje pomanjšanih modelov razširja tovrstno delo na koridorju na sodobne zrakoplove. Program TRAM (Tilt Rotor Aeroacoustic Model) agencije NASA in ameriške vojske — model z dvojnim rotorjem v merilu 1/4, ki temelji na Bell/Boeing V-22 Osprey — je nadaljeval to linijo testiranja tiltrotorjev v celotni ovojnici v kompleksu National Full-Scale Aerodynamics Complex, desetletja po tem, ko je program XV-15 prvič definiral koridor.
Sama varnostna ovojnica je funkcija kota gondole. Simulacije, izvedene za ta program, so pokazale, da je odpoved obeh motorjev pri nagibu gondole nad 85° (globoko v helikopterskem/prehodnem načinu) edini pogoj okvare, ki bi lahko povzročil nevarno opletaje krakov in obremenitve — rešljivo le z zmanjšanjem nagiba gondole v 5 sekundah. Popolna konverzija od 95° do 0° se je lahko izvedla v 11 sekundah. Pod 85° ni bil potreben noben poseben reševalni ukrep. Z drugimi besedami, prehodni režim ima svoje lastne varnostne meje, ki jih lebdenje in križarjenje nimata.

2. Tailsitterji prinašajo soroden, a drugačen problem

Tailsitter preide iz vertikalnega v horizontalni let z nagibom celotnega trupa, kar pomeni, da njegovo krilo in trup prehajata skozi zelo visoke vpadne kote — daleč preko točke, kjer bi letalo s fiksnimi krili običajno doživelo zlom vzgona — preden zrakoplov preide v let na krilih. Objavljene raziskave v vetrovnikih o aerodinamiki tailsitterjev so bile specifično usmerjene v to: testiranje celotnega zrakoplova (krilo, trup in stabilizator skupaj, ne le izoliran aeroprofil) v celotnem razponu vpadnih kotov, skozi katere dejansko poteka manever prehoda, saj je aerodinamične sile v tem režimu težko napovedati zgolj iz teorije, modeli dinamike leta, ki se uporabljajo za načrtovanje krmilnika prehoda, pa so neposredno odvisni od teh podatkov iz vetrovnika.

Interakcija med propelerjem in krilom to še dodatno zaplete: pri visokem vpadnem kotu in nizki hitrosti zraka je sila, ki jo propeler inducira pravokotno na svojo os potiska, odvisna od vpadnega kota, hitrosti zraka, odklona zakrilc in potiska hkrati ter nelinearno — to pa ni razmerje, ki bi ga razkrili ločeni testi samega propelerja in samega krila.

3. Kaj dejansko potrebuje kampanja testiranja prehodnega leta

Pravi pregled celotne konverzije, ne le obeh skrajnih točk. Podatki o lebdenju in križarjenju ne napovedujejo, kaj se zgodi pri vmesnih kotih gondole ali kotih nagiba trupa — najhujše obremenitve v programu XV-15 so se pojavile pri 60° nagiba gondole, kar ni blizu nobenemu od ekstremov.
Vizualizacija toka na stiku krilo-gondola ali krilo-trup. Problem obremenitve repa pri XV-15 je bil diagnosticiran šele z namestitvijo kosmičev na notranji del gondole in sledenjem, kam je dejansko šel nastali vrtinec — zgolj podatki o silah niso pojasnili obremenitev.
Spremljanje strukturnih obremenitev na repu in zadnjem delu trupa , ne le na krilu — pri tiltrotorju je prečkanje sledi rotorja preko repa pri specifičnih prehodnih kotih dokumentiran in ne povsem očiten način odpovedi.
Zajetje celotnega razpona vpadnih kotov, skozi katere poteka manever prehoda tailsitterja , vključno z območjem daleč preko konvencionalnega zloma vzgona, saj je to natančno tisti režim, skozi katerega mora leteti krmilnik prehoda.
Pogon mora biti vključen v vsako podatkovno točko prehoda — zunajosne sile, ki jih inducira propeler med prehodom, so funkcija vpadnega kota, hitrosti zraka in potiska skupaj, in jih ni mogoče ločiti od aerodinamičnega testa.

4. Pet napak, ki jih opažamo

Testiranje zgolj lebdenja in križarjenja ter interpolacija med njima. Podatki XV-15 kažejo, da se najhujše obremenitve lahko pojavijo na sredini koridorja in ne na kateri koli skrajni točki — interpolacija bi to popolnoma spregledala.
Izpuščanje vizualizacije toka, ker merilne celice "pokažejo številko". Ekipa XV-15 je vzrok za obremenitve repa — specifičen vrtinec na konici krila pri specifičnem kotu gondole — odkrila šele s pomočjo kosmičev; zgolj podatki o silah so jim povedali, da obstaja problem, ne pa tudi zakaj.
Obravnavanje prehoda tailsitterja kot "zgolj velik razpon vpadnih kotov" na izoliranem krilu. Interakcija trupa, stabilizatorja in propelerja je pri teh kotih zelo pomembna — polara izoliranega krila ne bo reproducirala obnašanja celotnega zrakoplova, ki ga potrebuje krmilnik prehoda.
Predpostavka, da bo ena sama rešitev (stabilizatorji, ograjice, generatorji vrtincev) odpravila obremenitve v celotnem koridorju. V programu XV-15 so popravki, ki so pomagali horizontalnemu repu, poslabšali obremenitve vertikalnega stabilizatorja — popravke v prehodnem koridorju je treba ovrednotiti v celotni ovojnici, ne le pri enem pogoju.
Ne-testiranje ovojnice okvar, temveč le nominalne ovojnice. Varnostna meja, odvisna od kota gondole, ugotovljena pri XV-15 (85° kot prag za rešljivo odpoved obeh motorjev), je izhajala iz namenske analize specifično prehodnega režima — pri testiranju zgolj nominalnih pogojev se to ne bi pokazalo.

5. Kaj to pomeni za vaš program

Zaupajte nam vaš mehanizem prehoda — tiltrotor ali tailsitter — in vaš ciljni prehodni koridor , mi pa bomo zasnovali testno kampanjo, ki bo zajela celotno prehodno ovojnico, ne le njenih skrajnih točk lebdenja in križarjenja. Sorodno branje: naš osrednji članek o

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

Viri in opombe

Program vetrovnika za raziskovalni zrakoplov XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft (vetrovnik Ames 40- by 80-Foot Wind Tunnel, cilji testiranja, ki zajemajo helikopterski način, prehod in letalski način do zmogljivosti vetrovnika 170 vozlov, koncept prehodnega koridorja, konvencija nagiba gondole 0° letalo / 90° helikopter, obremenitev repa zaradi vrtincev na konici krila pri 60° nagiba gondole, diagnosticirana z vizualizacijo s kosmiči, vzbujanje repa zaradi vrtincev s konic rotorja, ki doseže vrhunec blizu 40 vozlov v helikopterskem načinu, varnostni prag pri odpovedi obeh motorjev pri 85° nagiba gondole s 5-sekundnim oknom za reševanje in popolna konverzija od 95° do 0° v 11 sekundah): 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).
Merilo in osnova programa Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM) (merilo 1/4 zrakoplova Bell/Boeing V-22 Osprey, izoliran rotor testiran v nemško-nizozemskem vetrovniku (German-Dutch Wind Tunnel), model z dvojnim rotorjem polnega razpona testiran v sekciji 40- by 80-foot kompleksa National Full-Scale Aerodynamics Complex pri NASA Ames): NASA Ames Research Center, "Tiltrotor Aeroacoustic Model".
Aerodinamika prehoda tailsitterjev (testiranje celotnega zrakoplova v vetrovniku v celotnem razponu vpadnih kotov, ki jih zajame manever prehoda, in nelinearna sklopitev zunajosne sile, ki jo inducira propeler, z vpadnim kotom, hitrostjo zraka, odklonom zakrilc in potiskom) je v veliki meri skladna z objavljenimi raziskavami tailsitterjev v vetrovnikih; karakterizacija pristopa k testiranju s strani podjetja TunnelTech odraža našo lastno inženirsko prakso za ta razred zrakoplovov.
Smernice za metodologijo testiranja (popolni pregledi konverzije, vizualizacija toka na stikih, spremljanje strukturnih obremenitev repa, vrednotenje popravkov v celotni ovojnici) so inženirska praksa podjetja TunnelTech, ki neposredno izhaja iz zgoraj dokumentiranih ugotovitev XV-15.

Testiranje prehodnega leta VTOL zrakoplovov s fiksnimi krili: Tiltrotorji in tailsitterji