Övergångstestning av VTOL: Tiltrotorer och tailsitters

Ett VTOL-flygplan med fast vinge – tiltrotor eller tailsitter – måste flyga i två helt olika aerodynamiska regimer: rotorburen hovring och vingburen kryssning. Ingen av dessa regimer är den svåra delen att testa. Den svåra delen är fasen däremellan, där rotorns vake korsar vingen i alla vinklar från vertikalt till horisontellt och flygplanet varken är en helikopter eller ett flygplan. Den fasen har ett namn i branschen – konverteringskorridoren – och den kräver sitt eget testprogram.

1. Konverteringskorridoren är ett definierat och testat flygområde

Den tydligaste illustrationen som finns dokumenterad är det gemensamma NASA/Army-projektet XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft , som testades i Ames 40- by 80-Foot Wind Tunnel specifikt för att utvärdera "flygplanets prestanda, stabilitet, kontroll och strukturella belastningar för flyglägen från helikopter genom övergången till flygplansläge". Programmet kartlade uttryckligen en konverteringskorridor – de flygplanskonfigurationer, definierade av nacellvinkel och lufthastighet, som är säkra att flyga med aktiva rotorer mellan helikopter- och flygplansextremerna. Själva nacellvinkeln mäts i förhållande till flygkroppen: 0° är flygplansläge, 90° är helikopterläge, och varje vinkel däremellan är en distinkt övergångskonfiguration.

Några av de övergångsspecifika resultaten från det programmet:

Rotorvaken belastade stjärten direkt. I låghastighetsänden av konverteringsområdet, vid cirka 60° nacellvinkel, utsattes stjärtstrukturen för höga vibrationsbelastningar – tillräckligt höga för att den horisontella balken skulle överskrida sin designgräns för oändlig livslängd. Orsaken identifierades med hjälp av flödesvisualisering med trådar (tufting): en kraftig virvel som rullade över vingspetsen och svepte inåt mot stjärten vid just den nacellvinkeln. Ingen enskild aerodynamisk åtgärd (vingstaket, nacellfenor, virvelgeneratorer) löste problemet över hela spannet från hovring till flygplan – belastningarna var tvungna att hanteras som ett genuint övergångsspecifikt problem, och kunde inte lappas ihop med en universallösning.
Rotorspetsvirvlar exciterade stjärten vid en specifik lufthastighet under övergången. I helikopterläge ökade de oscillerande belastningarna på den horisontella stjärtens fästöron med lufthastigheten upp till cirka 40 knop, för att sedan sjunka snabbt därefter – rotorspetsvirvlarna, som kastas nedåt vid hovring, sveper bakåt in i stjärtens bana specifikt runt den hastigheten när framåtflygningen börjar, och passerar sedan stjärten helt vid högre hastigheter.
Skalmodelltester utökar samma korridorsarbete till moderna flygplan. NASA:s och arméns Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM)-program – en dubbelrotormodell i skala 1/4 av Bell/Boeing V-22 Osprey – har fortsatt denna linje av tiltrotortester för hela flygområdet vid National Full-Scale Aerodynamics Complex, årtionden efter att XV-15-programmet först definierade korridoren.
Säkerhetsområdet är i sig en funktion av nacellvinkeln. Simuleringsarbete som gjordes för programmet visade att ett dubbelt motorbortfall över 85° nacellvinkel (djupt inne i helikopter-/övergångsläget) var det enda feltillståndet som kunde producera farligt bladfladder och farliga belastningar – vilket endast kunde hävas genom att minska nacellvinkeln inom 5 sekunder. Full konvertering från 95° till 0° kunde utföras på 11 sekunder. Under 85° behövdes ingen speciell återhämtningsåtgärd alls. Övergångsregimen har med andra ord sina egna säkerhetsgränser som hovring och kryssning inte delar.

2. Tailsitters medför ett relaterat men distinkt problem

En tailsitter gör sin övergång genom att tippa hela flygkroppen från vertikalt till horisontellt, vilket innebär att dess vinge och flygkropp sveper genom mycket höga anfallsvinklar – långt förbi den punkt där ett flygplan med fast vinge normalt skulle stalla – innan flygplanet är vingburet. Publicerat vindtunnelarbete om tailsitter-aerodynamik har specifikt inriktat sig på detta: att testa hela flygplanet (vinge, flygkropp och stabilisator tillsammans, inte bara en isolerad vingprofil) över hela det anfallsvinkelområde som övergångsmanövern faktiskt sveper igenom, eftersom de aerodynamiska krafterna i denna regim är svåra att förutsäga enbart utifrån teori, och de flygdynamiska modeller som används för att designa övergångsstyrenheten är direkt beroende av dessa vindtunneldata.

Interaktionen mellan propeller och vinge förvärrar detta: vid hög anfallsvinkel och låg lufthastighet beror den kraft som propellern inducerar vinkelrätt mot sin dragkraftsaxel på anfallsvinkel, lufthastighet, klaffutslag och dragkraft samtidigt och icke-linjärt – ett samband som separata tester av enbart propeller och enbart vinge inte kan avslöja.

3. Vad en testkampanj för övergångar faktiskt kräver

Ett verkligt konverteringssvep, inte bara de två ändpunkterna. Hovrings- och kryssningsdata förutsäger inte vad som händer vid mellanliggande nacellvinklar eller tippattityder – XV-15-programmets värsta belastningar uppstod vid 60° nacellvinkel, långt ifrån någon av extremerna.
Flödesvisualisering vid övergången mellan vinge och nacell eller vinge och flygkropp. Problemet med stjärtbelastningen på XV-15 diagnostiserades endast genom att fästa trådar (tufting) på den inre nacellen och spåra vart den resulterande virveln faktiskt tog vägen – kraftdata ensamt förklarade inte belastningarna.
Övervakning av strukturella belastningar på stjärten och bakre flygkroppen , inte bara vingen – för en tiltrotor är rotorvaken som korsar stjärten vid specifika övergångsvinklar ett dokumenterat och icke-uppenbart felläge.
Täckning av hela det anfallsvinkelområde som en tailsitters övergångsmanöver sveper igenom , inklusive långt förbi konventionell stall, eftersom det är precis den regim som övergångsstyrenheten måste flyga igenom.
Framdrivning inkluderad i varje datapunkt för övergången – propellerinducerade krafter utanför axeln under övergången är en funktion av anfallsvinkel, lufthastighet och dragkraft tillsammans, och kan inte separeras från det aerodynamiska testet.

4. Fem misstag vi ser

Att endast testa hovring och kryssning och interpolera däremellan. XV-15-data visar att de värsta belastningarna kan uppstå i mitten av korridoren, inte vid någon av ändpunkterna – en interpolering hade missat detta helt.
Att hoppa över flödesvisualisering för att lastcellerna "visar en siffra". XV-15-teamet hittade endast orsaken till stjärtbelastningarna – en specifik vingspetsvirvel vid en specifik nacellvinkel – genom trådvisualisering (tufting); kraftdata ensamt talade om för dem att det fanns ett problem, inte varför.
Att behandla tailsitter-övergången som "bara ett stort anfallsvinkelsvep" på en isolerad vinge. Interaktionen mellan flygkropp, stabilisator och propeller spelar roll vid dessa vinklar – en polar för en isolerad vinge kommer inte att återskapa det beteende för hela flygplanet som övergångsstyrenheten behöver.
Att anta att en enskild åtgärd (fenor, staket, virvelgeneratorer) kommer att rensa upp belastningarna över hela korridoren. I XV-15-programmet gjorde åtgärder som hjälpte den horisontella stjärten belastningarna på den vertikala fenan värre – åtgärder i konverteringskorridoren måste utvärderas över hela flygområdet, inte bara vid ett förhållande.
Att inte testa felområdet, utan bara det nominella. Den nacellvinkelberoende säkerhetsgränsen som hittades på XV-15 (85° som tröskelvärde för ett återhämtningsbart dubbelt motorbortfall) kom från en dedikerad analys av specifikt övergångsregimen – den hade inte dykt upp enbart vid testning under nominella förhållanden.

5. Vad detta innebär för ditt program

Berätta för oss om din övergångsmekanism – tiltrotor eller tailsitter – och din målsatta konverteringskorridor , så utformar vi en testkampanj som sveper över hela övergångsområdet, inte bara dess ändpunkter för hovring och kryssning. Relaterad läsning: vår navartikel om

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

Källor och anteckningar

XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft vindtunnelprogram (Ames 40- by 80-Foot Wind Tunnel, testmål som täcker helikopter genom övergång till flygplansläge upp till 170 knops tunnelkapacitet, konceptet med konverteringskorridor, konvention för nacellvinkel på 0° flygplan / 90° helikopter, stjärtbelastning från vingspetsvirvlar vid 60° nacellvinkel diagnostiserad via trådvisualisering, stjärtexcitering från rotorspetsvirvlar som når sin topp nära 40 knop i helikopterläge, säkerhetströskeln för dubbelt motorbortfall vid 85° nacellvinkel med 5 sekunders återhämtningsfönster, och full konvertering från 95° till 0° på 11 sekunder): 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).
Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM)-programmets skala och grund (skala 1/4 av Bell/Boeing V-22 Osprey, isolerad rotor testad i German-Dutch Wind Tunnel, dubbelrotormodell med full spännvidd testad i 40- by 80-foot-sektionen av National Full-Scale Aerodynamics Complex vid NASA Ames): NASA Ames Research Center, "Tiltrotor Aeroacoustic Model".
Tailsitter-övergångsaerodynamik (vindtunneltestning av hela flygplanet över det anfallsvinkelområde som sveps av övergångsmanövern, och icke-linjär koppling av propellerinducerad kraft utanför axeln med anfallsvinkel, lufthastighet, klaffutslag och dragkraft) överensstämmer i stort med publicerad vindtunnelforskning om tailsitters; TunnelTechs karaktärisering av testmetoden återspeglar vår egen ingenjörspraxis för denna flygplansklass.
Vägledning för testmetodik (fullständiga konverteringssvep, flödesvisualisering vid övergångar, strukturell övervakning av stjärten, utvärdering av åtgärder för hela flygområdet) är TunnelTechs ingenjörspraxis, direkt informerad av de dokumenterade XV-15-resultaten ovan.

Övergångstestning av VTOL-flygplan med fast vinge: Tiltrotorer och tailsitters