Испитивање транзиције VTOL летелица: Тилтротори и тејлситери

VTOL летелица са фиксним крилима — тилтротор или тејлситер — мора да лети у два потпуно различита аеродинамичка режима: лебдење помоћу ротора и крстарење помоћу крила. Ниједан од ових режима није тежак за испитивање. Тежак део је фаза између њих, где траг ротора прелази преко крила под сваким углом од вертикалног до хоризонталног, а летелица није ни хеликоптер ни авион. Та фаза има своје име у индустрији — коридор конверзије — и захтева сопствени програм испитивања.

1. Коридор конверзије је дефинисана, испитана анвелопа лета

Најјаснија забележена илустрација је заједничка истраживачка летелица NASA-е и Војске САД, XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft , испитана у Ames аеродинамичком тунелу димензија 40 са 80 стопа, специфично ради процене „перформанси летелице, стабилности, управљивости и структуралних оптерећења за режиме лета од хеликоптера, преко транзиције, до авионског режима“. Програм је експлицитно мапирао коридор конверзије — конфигурације летелице, дефинисане нагибом гондоле и брзином ваздуха, које су безбедне за лет са укљученим роторима између хеликоптерских и авионских екстрема. Сам нагиб гондоле се мери у односу на труп: 0° је авионски режим, 90° је хеликоптерски режим, а сваки угао између представља засебну транзициону конфигурацију.

Неки од налаза специфичних за транзицију из тог програма:

Траг ротора је директно оптерећивао реп. На крају анвелопе конверзије при малим брзинама, при нагибу гондоле од око 60°, структура репа је трпела висока вибрациона оптерећења — довољно висока да хоризонтална рамењача премаши своју пројектовану границу бесконачног века трајања. Узрок је идентификован помоћу визуелизације струјања кончићима: снажан вртлог који се преврће преко врха крила и скреће ка унутрашњости на реп при том специфичном углу гондоле. Ниједно појединачно аеродинамичко решење (аеродинамичке преграде на крилу, усмеривачи на гондоли, генератори вртлога) није ово решило у целом распону од лебдења до авионског режима — оптерећења су морала да се третирају као прави проблем специфичан за транзицију, а не да се крпе универзалним решењем.
Вртлози са врхова кракова ротора побуђивали су реп при специфичној брзини транзиције. У хеликоптерском режиму, осцилаторна оптерећења на ушицама за причвршћивање хоризонталног репа расла су са брзином ваздуха до око 40 чворова, а затим су нагло опадала изнад те вредности — вртлози са врхова кракова ротора, који се при лебдењу одвајају надоле, скрећу уназад на путању репа управо око те брзине када почиње лет унапред, а затим потпуно заобилазе реп при већим брзинама.
Испитивање модела у размери проширује исти рад на коридору на модерне летелице. Програм Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM) NASA-е и Војске САД — модел са два ротора у размери 1/4 летелице Bell/Boeing V-22 Osprey — наставио је ову линију испитивања тилтротора у пуној анвелопи у Националном аеродинамичком комплексу у пуној размери (National Full-Scale Aerodynamics Complex), деценијама након што је програм XV-15 први пут дефинисао коридор.
Сама безбедносна анвелопа је функција угла гондоле. Симулације урађене за овај програм показале су да је отказ оба мотора изнад 85° нагиба гондоле (дубоко у хеликоптерском/транзиционом режиму) био једини услов отказа који би могао да произведе опасно махање кракова и оптерећења — из чега се летелица може извући само смањењем нагиба гондоле у року од 5 секунди. Потпуна конверзија од 95° до 0° могла се извршити за 11 секунди. Испод 85°, никаква посебна акција извлачења уопште није била потребна. Другим речима, транзициони режим има своје сопствене безбедносне границе које лебдење и крстарење не деле.

2. Тејлситери носе сродан, али другачији проблем

Тејлситер врши транзицију пропињањем целог змаја летелице из вертикалног у хоризонтални положај, што значи да његово крило и труп пролазе кроз веома високе нападне углове — далеко преко границе где би летелица са фиксним крилима нормално доживела слом узгона — пре него што летелица пређе на лет помоћу крила. Објављени радови из аеродинамичких тунела о аеродинамици тејлситера специфично су циљали ово: испитивање целе летелице (крило, труп и стабилизатор заједно, а не само изоловани аеропрофил) кроз цео опсег нападних углова кроз који транзициони маневар заправо пролази, јер је аеродинамичке силе у овом режиму тешко предвидети само из теорије, а модели динамике лета који се користе за пројектовање контролера транзиције директно зависе од тих података из аеродинамичког тунела.

Интеракција пропелера и крила ово додатно компликује: при високом нападном углу и малој брзини ваздуха, сила коју пропелер индукује нормално на своју осу потиска зависи од нападног угла, брзине ваздуха, отклона закрилаца и потиска истовремено и нелинеарно — што није однос који ће открити одвојена испитивања само пропелера и само крила.

3. Шта је заправо потребно кампањи испитивања транзиције

Прави пролаз кроз конверзију, а не само две крајње тачке. Подаци о лебдењу и крстарењу не предвиђају шта се дешава при средњим угловима гондоле или угловима пропињања — најгора оптерећења у програму XV-15 појавила су се при нагибу гондоле од 60°, ни близу ниједног екстрема.
Визуелизација струјања на споју крила и гондоле или крила и трупа. Проблем оптерећења репа на XV-15 дијагностикован је тек постављањем кончића на унутрашњу страну гондоле и праћењем куда је резултујући вртлог заправо отишао — сами подаци о силама нису објаснили оптерећења.
Мониторинг структуралног оптерећења на репу и задњем делу трупа , а не само на крилу — за тилтротор, траг ротора који прелази преко репа при специфичним угловима транзиције је документован и не тако очигледан облик отказа.
Покривеност целог опсега нападних углова кроз који пролази транзициони маневар тејлситера , укључујући и далеко преко конвенционалног слома узгона, јер је то управо режим кроз који контролер транзиције мора да пролети.
Погон укључен у сваку тачку података о транзицији — силе ван осе које индукује пропелер током транзиције су функција нападног угла, брзине ваздуха и потиска заједно, и не могу се одвојити од аеродинамичког испитивања.

4. Пет грешака које виђамо

Испитивање само лебдења и крстарења и интерполација између њих. Подаци са XV-15 показују да се најгора оптерећења могу појавити у средини коридора, а не на било којој крајњој тачки — интерполација би то потпуно пропустила.
Прескакање визуелизације струјања јер мерне ћелије „показују број“. Тим XV-15 је открио узрок оптерећења репа — специфичан вртлог са врха крила при специфичном углу гондоле — искључиво помоћу кончића; сами подаци о силама су им рекли да постоји проблем, али не и зашто.
Третирање транзиције тејлситера као „само великог пролаза кроз нападне углове“ на изолованом крилу. Интеракција трупа, стабилизатора и пропелера је важна при овим угловима — полара изолованог крила неће репродуковати понашање целе летелице које је потребно контролеру транзиције.
Претпоставка да ће једно решење (усмеривачи, преграде, генератори вртлога) очистити оптерећења дуж целог коридора. У програму XV-15, решења која су помогла хоризонталном репу погоршала су оптерећења вертикалног стабилизатора — решења за транзициони коридор морају се процењивати кроз целу анвелопу, а не само у једном услову.
Неиспитивање анвелопе отказа, већ само номиналне. Безбедносна граница зависна од угла гондоле пронађена на XV-15 (85° као праг за отказ оба мотора из којег се летелица може извући) произашла је из наменске анализе специфично транзиционог режима — то се не би показало само при испитивању у номиналним условима.

5. Шта ово значи за ваш програм

Реците нам ваш механизам транзиције — тилтротор или тејлситер — и ваш циљни коридор конверзије , а ми ћемо осмислити кампању испитивања која пролази кроз целу анвелопу транзиције, а не само кроз њене крајње тачке лебдења и крстарења. Повезано читање: наш главни чланак о

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

Извори и напомене

Програм испитивања летелице XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft у аеродинамичком тунелу (Ames аеродинамички тунел 40 са 80 стопа, циљеви испитивања који покривају режиме од хеликоптера преко транзиције до авионског режима до 170 чворова капацитета тунела, концепт коридора конверзије, конвенција нагиба гондоле од 0° за авион / 90° за хеликоптер, оптерећење репа од вртлога са врхова крила при нагибу гондоле од 60° дијагностиковано путем визуелизације кончићима, побуда репа вртлозима са врхова кракова ротора која достиже врхунац близу 40 чворова у хеликоптерском режиму, безбедносни праг за отказ оба мотора при нагибу гондоле од 85° са прозором за извлачење од 5 секунди, и потпуна конверзија од 95° до 0° за 11 секунди): 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).
Размера и основа програма Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM) (размера 1/4 летелице Bell/Boeing V-22 Osprey, изоловани ротор испитан у Немачко-холандском аеродинамичком тунелу, модел са два ротора пуног распона испитан у секцији 40 са 80 стопа Националног аеродинамичког комплекса у пуној размери у NASA Ames-у): NASA Ames Research Center, "Tiltrotor Aeroacoustic Model".
Аеродинамика транзиције тејлситера (испитивање целе летелице у аеродинамичком тунелу кроз опсег нападних углова кроз који пролази транзициони маневар, и нелинеарно спрезање силе ван осе коју индукује пропелер са нападним углом, брзином ваздуха, отклоном закрилаца и потиском) у великој мери је у складу са објављеним истраживањима тејлситера у аеродинамичким тунелима; TunnelTech-ова карактеризација приступа испитивању одражава нашу сопствену инжењерску праксу за ову класу летелица.
Смернице за методологију испитивања (потпуни пролази кроз конверзију, визуелизација струјања на спојевима, мониторинг структуре репа, евалуација решења у пуној анвелопи) представљају инжењерску праксу компаније TunnelTech, директно засновану на горе документованим налазима са XV-15.

Испитивање транзиције VTOL летелица са фиксним крилима: Тилтротори и тејлситери