การทดสอบการเปลี่ยนผ่านของ VTOL: ทิลต์โรเตอร์และเทลซิตเตอร์

อากาศยาน VTOL ปีกตรึง — ไม่ว่าจะเป็นทิลต์โรเตอร์ (tiltrotor) หรือเทลซิตเตอร์ (tailsitter) — ต้องทำการบินในสภาวะทางอากาศพลศาสตร์ที่แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิงสองรูปแบบ ได้แก่ การบินลอยตัวด้วยโรเตอร์ (rotor-borne hover) และการบินเดินทางด้วยปีก (wing-borne cruise) สภาวะการบินทั้งสองรูปแบบนี้ไม่ใช่ส่วนที่ยากในการทดสอบ ส่วนที่ยากคือระยะที่อยู่ระหว่างสภาวะทั้งสอง ซึ่งกระแสอากาศตามคลื่น (wake) จากโรเตอร์จะพัดผ่านปีกในทุกมุมตั้งแต่แนวตั้งไปจนถึงแนวนอน และอากาศยานจะไม่อยู่ในสถานะของเฮลิคอปเตอร์หรือเครื่องบิน ระยะดังกล่าวมีชื่อเรียกในอุตสาหกรรมว่า ช่วงการเปลี่ยนผ่าน (conversion corridor) — และจำเป็นต้องมีโปรแกรมการทดสอบเฉพาะของตนเอง

1. ช่วงการเปลี่ยนผ่านคือกรอบการบินที่ถูกกำหนดและผ่านการทดสอบแล้ว

ตัวอย่างที่ชัดเจนที่สุดที่มีการบันทึกไว้คือ XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft ซึ่งเป็นโครงการร่วมระหว่าง NASA และกองทัพบก โดยได้รับการทดสอบในอุโมงค์ลม Ames ขนาด 40 คูณ 80 ฟุต เพื่อประเมิน "สมรรถนะของอากาศยาน เสถียรภาพ การควบคุม และภาระทางโครงสร้างสำหรับโหมดการบินตั้งแต่เฮลิคอปเตอร์ ผ่านช่วงการเปลี่ยนผ่าน ไปจนถึงโหมดเครื่องบิน" โดยเฉพาะ โปรแกรมนี้ได้จัดทำแผนผัง ช่วงการเปลี่ยนผ่าน (conversion corridor) อย่างชัดเจน — ซึ่งก็คือโครงสร้างของอากาศยานที่กำหนดโดยมุมเอียงของกระเปาะเครื่องยนต์ (nacelle incidence) และความเร็วลม (airspeed) ที่ปลอดภัยในการบินโดยเปิดโรเตอร์ทำงานระหว่างจุดสูงสุดของโหมดเฮลิคอปเตอร์และเครื่องบิน มุมเอียงของกระเปาะเครื่องยนต์นั้นวัดโดยเทียบกับลำตัวเครื่อง: 0° คือโหมดเครื่องบิน, 90° คือโหมดเฮลิคอปเตอร์ และทุกมุมที่อยู่ระหว่างนั้นคือโครงสร้างการเปลี่ยนผ่านที่แตกต่างกัน

ข้อค้นพบเฉพาะเจาะจงเกี่ยวกับการเปลี่ยนผ่านบางส่วนจากโปรแกรมดังกล่าว:

กระแสอากาศตามคลื่นจากโรเตอร์สร้างภาระให้กับส่วนหางโดยตรง ที่ช่วงความเร็วต่ำของกรอบการเปลี่ยนผ่าน ที่มุมเอียงของกระเปาะเครื่องยนต์ประมาณ 60° โครงสร้างส่วนหางต้องรับภาระการสั่นสะเทือนสูงมาก — สูงพอที่จะทำให้คานขวาง (horizontal spar) ทะลุขีดจำกัดการออกแบบอายุการใช้งานแบบไม่จำกัด สาเหตุถูกระบุโดยใช้การสร้างภาพการไหลด้วยเส้นด้าย (tuft flow visualization): กระแสวน (vortex) ที่รุนแรงม้วนตัวผ่านปลายปีกและพัดเข้าสู่ด้านในไปยังส่วนหางที่มุมกระเปาะเครื่องยนต์นั้นโดยเฉพาะ ไม่มีวิธีแก้ไขทางอากาศพลศาสตร์เพียงวิธีเดียว (เช่น wing fences, nacelle strakes, vortex generators) ที่สามารถแก้ปัญหานี้ได้ตลอดช่วงตั้งแต่การบินลอยตัวไปจนถึงโหมดเครื่องบิน — ภาระเหล่านี้ต้องได้รับการจัดการในฐานะปัญหาเฉพาะของการเปลี่ยนผ่านอย่างแท้จริง ไม่ใช่การแก้ไขแบบครอบจักรวาล
กระแสวนที่ปลายโรเตอร์กระตุ้นส่วนหางที่ความเร็วลมการเปลี่ยนผ่านเฉพาะ ในโหมดเฮลิคอปเตอร์ ภาระการแกว่งตัวที่จุดยึดหางแนวนอนเพิ่มขึ้นตามความเร็วลมจนถึงประมาณ 40 นอต จากนั้นจึงลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อความเร็วสูงกว่านั้น — กระแสวนที่ปลายโรเตอร์ซึ่งถูกปล่อยลงด้านล่างขณะบินลอยตัว จะพัดไปด้านหลังเข้าสู่เส้นทางของส่วนหางโดยเฉพาะที่ความเร็วดังกล่าวเมื่อเริ่มบินไปข้างหน้า จากนั้นจะพ้นส่วนหางไปทั้งหมดเมื่อความเร็วสูงขึ้น
การทดสอบแบบจำลองย่อส่วนขยายผลการทำงานในช่วงการเปลี่ยนผ่านเดียวกันไปยังอากาศยานสมัยใหม่ โปรแกรม Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM) ของ NASA และกองทัพบก — ซึ่งเป็นแบบจำลองโรเตอร์คู่ขนาด 1/4 ของ Bell/Boeing V-22 Osprey — ได้สานต่อแนวทางการทดสอบทิลต์โรเตอร์แบบเต็มกรอบการบินนี้ที่ National Full-Scale Aerodynamics Complex หลายทศวรรษหลังจากที่โปรแกรม XV-15 ได้กำหนดช่วงการเปลี่ยนผ่านขึ้นเป็นครั้งแรก
กรอบความปลอดภัยนั้นเป็นฟังก์ชันของมุมกระเปาะเครื่องยนต์ งานจำลองสถานการณ์ที่ทำขึ้นสำหรับโปรแกรมนี้พบว่า ความล้มเหลวของเครื่องยนต์คู่ที่มุมเอียงของกระเปาะเครื่องยนต์สูงกว่า 85° (ลึกเข้าไปในโหมดเฮลิคอปเตอร์/การเปลี่ยนผ่าน) เป็นสภาวะความล้มเหลวเดียวที่อาจทำให้เกิดการกระพือของใบพัดและภาระที่เป็นอันตราย — ซึ่งสามารถกู้คืนได้โดยการลดมุมเอียงของกระเปาะเครื่องยนต์ภายใน 5 วินาทีเท่านั้น การเปลี่ยนผ่านเต็มรูปแบบจาก 95° ถึง 0° สามารถดำเนินการได้ใน 11 วินาที หากต่ำกว่า 85° จะไม่จำเป็นต้องดำเนินการกู้คืนพิเศษใดๆ เลย กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ สภาวะการเปลี่ยนผ่านมีขอบเขตความปลอดภัยของตนเองซึ่งไม่เหมือนกับการบินลอยตัวและการบินเดินทาง

2. เทลซิตเตอร์ (Tailsitters) มีปัญหาที่เกี่ยวข้องกันแต่แตกต่างออกไป

เทลซิตเตอร์ทำการเปลี่ยนผ่านโดยการปรับพิทช์ (pitch) โครงสร้างอากาศยานทั้งหมดจากแนวตั้งเป็นแนวนอน ซึ่งหมายความว่าปีกและลำตัวเครื่องจะกวาดผ่านมุมปะทะ (angle of attack) ที่สูงมาก — เกินกว่าจุดที่อากาศยานปีกตรึงปกติจะเกิดอาการร่วงหล่น (stall) ไปมาก — ก่อนที่อากาศยานจะเข้าสู่การบินด้วยปีก งานวิจัยอุโมงค์ลมที่ตีพิมพ์เกี่ยวกับอากาศพลศาสตร์ของเทลซิตเตอร์ได้มุ่งเป้าไปที่สิ่งนี้โดยเฉพาะ: การทดสอบอากาศยานทั้งลำ (ปีก ลำตัวเครื่อง และแพนหางทรงตัวร่วมกัน ไม่ใช่แค่แพนอากาศเดี่ยวๆ) ตลอดช่วงมุมปะทะทั้งหมดที่การเคลื่อนที่เปลี่ยนผ่านกวาดผ่านจริง เนื่องจากแรงทางอากาศพลศาสตร์ในสภาวะนี้ยากที่จะคาดเดาจากทฤษฎีเพียงอย่างเดียว และแบบจำลองพลศาสตร์การบินที่ใช้ในการออกแบบตัวควบคุมการเปลี่ยนผ่านนั้นขึ้นอยู่กับข้อมูลจากอุโมงค์ลมดังกล่าวโดยตรง

ปฏิสัมพันธ์ระหว่างใบพัดและปีกทำให้ปัญหานี้ซับซ้อนยิ่งขึ้น: ที่มุมปะทะสูงและมีความเร็วลมต่ำ แรงที่ใบพัดเหนี่ยวนำให้ตั้งฉากกับแกนแรงขับนั้นขึ้นอยู่กับมุมปะทะ ความเร็วลม การเบี่ยงเบนของแฟลป (flap deflection) และแรงขับไปพร้อมๆ กันในลักษณะที่ไม่เป็นเชิงเส้น — ซึ่งไม่ใช่ความสัมพันธ์ที่การทดสอบเฉพาะใบพัดหรือเฉพาะปีกแยกกันจะสามารถเปิดเผยได้

3. สิ่งที่แคมเปญการทดสอบการเปลี่ยนผ่านต้องการอย่างแท้จริง

การกวาดช่วงการเปลี่ยนผ่านที่แท้จริง ไม่ใช่แค่จุดปลายสองจุด ข้อมูลการบินลอยตัวและการบินเดินทางไม่สามารถคาดเดาสิ่งที่จะเกิดขึ้นที่มุมกระเปาะเครื่องยนต์หรือทัศนคติพิทช์ (pitch attitudes) ในระดับกลางได้ — ภาระที่แย่ที่สุดของโปรแกรม XV-15 ปรากฏขึ้นที่มุมเอียงของกระเปาะเครื่องยนต์ 60° ซึ่งไม่ได้ใกล้เคียงกับจุดสูงสุดหรือต่ำสุดเลย
การสร้างภาพการไหลที่รอยต่อระหว่างปีกกับกระเปาะเครื่องยนต์ หรือปีกกับลำตัวเครื่อง ปัญหาภาระส่วนหางของ XV-15 ได้รับการวินิจฉัยโดยการติดเส้นด้าย (tufting) ที่กระเปาะเครื่องยนต์ด้านในและติดตามว่ากระแสวนที่เกิดขึ้นนั้นพัดไปที่ใด — ข้อมูลแรงเพียงอย่างเดียวไม่สามารถอธิบายภาระที่เกิดขึ้นได้
การเฝ้าระวังภาระทางโครงสร้างที่ส่วนหางและลำตัวเครื่องส่วนหลัง ไม่ใช่แค่ที่ปีก — สำหรับทิลต์โรเตอร์ กระแสอากาศตามคลื่นจากโรเตอร์ที่พัดผ่านส่วนหางในมุมการเปลี่ยนผ่านเฉพาะนั้น เป็นโหมดความล้มเหลวที่มีการบันทึกไว้และไม่สามารถสังเกตเห็นได้ชัดเจน
การครอบคลุมช่วงมุมปะทะทั้งหมดที่การเคลื่อนที่เปลี่ยนผ่านของเทลซิตเตอร์กวาดผ่าน รวมถึงช่วงที่เลยจุดร่วงหล่น (stall) แบบดั้งเดิมไปมาก เนื่องจากนั่นคือสภาวะที่ตัวควบคุมการเปลี่ยนผ่านต้องทำการบินผ่านอย่างแท้จริง
รวมระบบขับเคลื่อนไว้ในทุกจุดข้อมูลการเปลี่ยนผ่าน — แรงนอกแกนที่เกิดจากใบพัดระหว่างการเปลี่ยนผ่านเป็นฟังก์ชันของมุมปะทะ ความเร็วลม และแรงขับร่วมกัน ซึ่งไม่สามารถแยกออกจากการทดสอบทางอากาศพลศาสตร์ได้

4. ข้อผิดพลาด 5 ประการที่เราพบเห็น

การทดสอบเฉพาะการบินลอยตัวและการบินเดินทาง แล้วทำการประมาณค่าในช่วง (interpolating) ระหว่างสองจุดนั้น ข้อมูล XV-15 แสดงให้เห็นว่าภาระที่แย่ที่สุดสามารถปรากฏขึ้นตรงกลางช่วงการเปลี่ยนผ่าน ไม่ใช่ที่จุดปลายจุดใดจุดหนึ่ง — การประมาณค่าในช่วงจะทำให้พลาดจุดนี้ไปโดยสิ้นเชิง
การข้ามการสร้างภาพการไหลเนื่องจากโหลดเซลล์ "แสดงตัวเลขแล้ว" ทีม XV-15 พบสาเหตุของภาระส่วนหาง — ซึ่งก็คือกระแสวนที่ปลายปีกเฉพาะจุดที่มุมกระเปาะเครื่องยนต์เฉพาะ — ผ่านการติดเส้นด้าย (tufting) เท่านั้น ข้อมูลแรงเพียงอย่างเดียวบอกพวกเขาว่ามีปัญหา แต่ไม่ได้บอกว่าทำไม
การปฏิบัติต่อการเปลี่ยนผ่านของเทลซิตเตอร์เสมือนเป็น "แค่การกวาดมุมปะทะขนาดใหญ่" บนปีกเดี่ยวๆ ปฏิสัมพันธ์ระหว่างลำตัวเครื่อง แพนหางทรงตัว และใบพัดล้วนมีความสำคัญที่มุมเหล่านี้ — กราฟโพลาร์ของปีกเดี่ยวๆ จะไม่สามารถจำลองพฤติกรรมของอากาศยานทั้งลำที่ตัวควบคุมการเปลี่ยนผ่านต้องการได้
การทึกทักเอาว่าการแก้ไขเพียงวิธีเดียว (เช่น strakes, fences, vortex generators) จะช่วยขจัดภาระได้ตลอดทั้งช่วงการเปลี่ยนผ่าน ในโปรแกรม XV-15 การแก้ไขที่ช่วยส่วนหางแนวนอนกลับทำให้ภาระของครีบแนวตั้งแย่ลง — การแก้ไขในช่วงการเปลี่ยนผ่านจำเป็นต้องได้รับการประเมินตลอดทั้งกรอบการบิน ไม่ใช่แค่ในสภาวะเดียว
ไม่ทดสอบกรอบความล้มเหลว ทดสอบเฉพาะกรอบปกติเท่านั้น ขอบเขตความปลอดภัยที่ขึ้นอยู่กับมุมกระเปาะเครื่องยนต์ที่พบใน XV-15 (85° เป็นเกณฑ์สำหรับความล้มเหลวของเครื่องยนต์คู่ที่สามารถกู้คืนได้) มาจากการวิเคราะห์เฉพาะเจาะจงของสภาวะการเปลี่ยนผ่าน — ซึ่งจะไม่ปรากฏขึ้นในการทดสอบสภาวะปกติเพียงอย่างเดียว

5. สิ่งนี้มีความหมายอย่างไรต่อโปรแกรมของคุณ

บอกกลไกการเปลี่ยนผ่านของคุณให้เราทราบ — ทิลต์โรเตอร์ หรือ เทลซิตเตอร์ — และช่วงการเปลี่ยนผ่านเป้าหมายของคุณ แล้วเราจะกำหนดขอบเขตแคมเปญการทดสอบที่กวาดครอบคลุมกรอบการเปลี่ยนผ่านทั้งหมด ไม่ใช่แค่จุดปลายของการบินลอยตัวและการบินเดินทาง บทความที่เกี่ยวข้อง: บทความหลักของเราเกี่ยวกับ

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

แหล่งที่มาและหมายเหตุ

โปรแกรมอุโมงค์ลม XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft (อุโมงค์ลม Ames ขนาด 40 คูณ 80 ฟุต, วัตถุประสงค์การทดสอบครอบคลุมตั้งแต่เฮลิคอปเตอร์ผ่านการเปลี่ยนผ่านไปจนถึงโหมดเครื่องบินด้วยขีดความสามารถของอุโมงค์ลมสูงสุด 170 นอต, แนวคิดช่วงการเปลี่ยนผ่าน, ธรรมเนียมการกำหนดมุมเอียงของกระเปาะเครื่องยนต์ที่ 0° สำหรับเครื่องบิน / 90° สำหรับเฮลิคอปเตอร์, ภาระส่วนหางจากกระแสวนที่ปลายปีกที่มุมเอียงของกระเปาะเครื่องยนต์ 60° ซึ่งวินิจฉัยผ่านการสร้างภาพด้วยเส้นด้าย, การกระตุ้นส่วนหางจากกระแสวนที่ปลายโรเตอร์ซึ่งพุ่งสูงสุดใกล้ 40 นอตในโหมดเฮลิคอปเตอร์, เกณฑ์ความปลอดภัยจากความล้มเหลวของเครื่องยนต์คู่ที่มุมเอียงของกระเปาะเครื่องยนต์ 85° พร้อมกรอบเวลาการกู้คืน 5 วินาที, และการเปลี่ยนผ่านเต็มรูปแบบจาก 95° ถึง 0° ใน 11 วินาที): 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)
ขนาดและพื้นฐานของโปรแกรม Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM) (ขนาด 1/4 ของ Bell/Boeing V-22 Osprey, การทดสอบโรเตอร์เดี่ยวที่ German-Dutch Wind Tunnel, แบบจำลองโรเตอร์คู่เต็มความกว้างปีกที่ทดสอบในส่วนขนาด 40 คูณ 80 ฟุตของ National Full-Scale Aerodynamics Complex ที่ NASA Ames): NASA Ames Research Center, "Tiltrotor Aeroacoustic Model"
อากาศพลศาสตร์การเปลี่ยนผ่านของเทลซิตเตอร์ (การทดสอบอุโมงค์ลมของอากาศยานทั้งลำตลอดช่วงมุมปะทะที่กวาดผ่านโดยการเคลื่อนที่เปลี่ยนผ่าน และการจับคู่แบบไม่เป็นเชิงเส้นของแรงนอกแกนที่เกิดจากใบพัดร่วมกับมุมปะทะ ความเร็วลม การเบี่ยงเบนของแฟลป และแรงขับ) มีความสอดคล้องอย่างกว้างขวางกับงานวิจัยอุโมงค์ลมของเทลซิตเตอร์ที่ได้รับการตีพิมพ์; การระบุลักษณะแนวทางการทดสอบของ TunnelTech สะท้อนถึงแนวปฏิบัติทางวิศวกรรมของเราเองสำหรับอากาศยานประเภทนี้
คำแนะนำเกี่ยวกับระเบียบวิธีทดสอบ (การกวาดช่วงการเปลี่ยนผ่านทั้งหมด, การสร้างภาพการไหลที่รอยต่อ, การเฝ้าระวังโครงสร้างส่วนหาง, การประเมินการแก้ไขแบบเต็มกรอบการบิน) เป็นแนวปฏิบัติทางวิศวกรรมของ TunnelTech ซึ่งได้รับข้อมูลโดยตรงจากข้อค้นพบของ XV-15 ที่มีการบันทึกไว้ข้างต้น

การทดสอบการเปลี่ยนผ่านของอากาศยาน VTOL ปีกตรึง: ทิลต์โรเตอร์ (Tiltrotors) และเทลซิตเตอร์ (Tailsitters)