VTOL Geçiş Testleri: Tiltrotorlar ve Tailsitter'lar

Sabit kanatlı bir VTOL hava aracı — tiltrotor veya tailsitter — tamamen farklı iki aerodinamik rejimde uçmak zorundadır: rotor destekli askıda kalma (hover) ve kanat destekli seyir (cruise). Bu rejimlerin hiçbirini test etmek zor değildir. Zor olan kısım, rotor izinin (wake) dikeyden yataya kadar her açıda kanadı kestiği ve hava aracının ne bir helikopter ne de bir uçak olduğu, bu iki rejim arasındaki evredir. Bu evrenin endüstride bir adı vardır — dönüşüm koridoru — ve kendine özgü bir test programı gerektirir.

1. Dönüşüm koridoru, tanımlanmış ve test edilmiş bir uçuş zarfıdır

Kayıtlardaki en net örnek, özellikle "helikopterden geçiş ve uçak moduna kadar olan uçuş modları için hava aracı performansı, stabilitesi, kontrolü ve yapısal yüklerini" değerlendirmek üzere Ames 40'a 80 Fit Rüzgâr Tüneli'nde test edilen ortak NASA/Ordu XV-15 Tilt Rotor Araştırma Hava Aracı 'dır. Program, helikopter ve uçak uç noktaları arasında rotorlar çalışırken uçmanın güvenli olduğu, nasel açısı ve hava hızı ile tanımlanan hava aracı konfigürasyonlarını içeren bir dönüşüm koridorunun haritasını açıkça çıkarmıştır. Nasel açısının kendisi gövdeye göre ölçülür: 0° uçak modudur, 90° helikopter modudur ve bu ikisi arasındaki her açı farklı bir geçiş konfigürasyonudur.

Bu programdan elde edilen geçişe özgü bulgulardan bazıları şunlardır:

Rotor izi doğrudan kuyruğa yük bindirdi. Dönüşüm zarfının düşük hız ucunda, yaklaşık 60° nasel açısında, kuyruk yapısı yüksek titreşimli yüklere maruz kaldı — bu yükler, yatay sparın sonsuz ömürlü tasarım sınırını aşmasına neden olacak kadar yüksekti. Bunun nedeni iplikçik (tuft) akış görselleştirmesi ile tespit edildi: kanat ucu üzerinden yuvarlanan ve o spesifik nasel açısında kuyruğun üzerine doğru süpürülen güçlü bir girdap. Hiçbir tekil aerodinamik düzeltme (kanat perdeleri, nasel kenar şeritleri, girdap üreticileri) bu sorunu tüm askıda kalma-uçak aralığında çözemedi — yüklerin tek tip bir düzeltmeyle yamanması değil, gerçek bir geçişe özgü sorun olarak yönetilmesi gerekiyordu.
Rotor ucu girdapları, belirli bir geçiş hava hızında kuyruğu uyardı. Helikopter modunda, yatay kuyruk bağlantı kulplarındaki salınımlı yükler yaklaşık 40 knot'a kadar hava hızıyla arttı, ardından bu hızın üzerinde hızla düştü — askıda kalma sırasında aşağı doğru atılan rotor ucu girdapları, ileri uçuş başlarken özellikle bu hız civarında kuyruğun yoluna doğru geriye süpürülür, ardından daha yüksek hızlarda kuyruğu tamamen terk eder.
Ölçekli model testleri, aynı koridor çalışmasını modern hava araçlarına taşır. NASA ve Ordu'nun Tilt Rotor Aeroakustik Model (TRAM) programı — Bell/Boeing V-22 Osprey'in 1/4 ölçekli, çift rotorlu bir modeli — XV-15 programının koridoru ilk kez tanımlamasından on yıllar sonra, Ulusal Tam Ölçekli Aerodinamik Kompleksi'nde bu tam zarflı tiltrotor testi serisini sürdürmüştür.
Güvenlik zarfının kendisi nasel açısının bir fonksiyonudur. Program için yapılan simülasyon çalışmaları, 85° nasel açısının üzerindeki (helikopter/geçiş modunun derinliklerinde) çift motor arızasının, tehlikeli kanat çırpma ve yüklere neden olabilecek tek arıza durumu olduğunu buldu — bu durum yalnızca 5 saniye içinde nasel açısının düşürülmesiyle kurtarılabilirdi. 95°'den 0°'ye tam dönüşüm 11 saniyede gerçekleştirilebiliyordu. 85°'nin altında ise hiçbir özel kurtarma eylemine gerek yoktu. Başka bir deyişle geçiş rejimi, askıda kalma ve seyir modlarının paylaşmadığı kendine has güvenlik sınırlarına sahiptir.

2. Tailsitter'lar benzer ancak farklı bir sorun taşır

Bir tailsitter, tüm gövdeyi dikeyden yataya doğru eğerek geçiş yapar; bu da kanadının ve gövdesinin, hava aracı kanat destekli hale gelmeden önce — sabit kanatlı bir hava aracının normalde perdövitese (stall) gireceği noktanın çok ötesinde — çok yüksek hücum açılarından geçtiği anlamına gelir. Tailsitter aerodinamiği üzerine yayınlanan rüzgâr tüneli çalışmaları özellikle bunu hedeflemiştir: geçiş manevrasının fiilen taradığı tüm hücum açısı aralığı boyunca tüm hava aracını (sadece izole edilmiş bir kanat profilini değil; kanat, gövde ve stabilizatörü birlikte) test etmek. Çünkü bu rejimdeki aerodinamik kuvvetleri yalnızca teoriden tahmin etmek zordur ve geçiş kontrolörünü tasarlamak için kullanılan uçuş dinamiği modelleri doğrudan bu rüzgâr tüneli verilerine dayanır.

Pervane-kanat etkileşimi bu durumu daha da karmaşık hale getirir: yüksek hücum açısı ve düşük hava hızında, pervanenin itki eksenine dik olarak indüklediği kuvvet; hücum açısına, hava hızına, flap sapmasına ve itkiye eşzamanlı ve doğrusal olmayan bir şekilde bağlıdır — bu, yalnızca pervane ve yalnızca kanat testlerinin ayrı ayrı ortaya çıkarabileceği bir ilişki değildir.

3. Bir geçiş testi kampanyası gerçekte neye ihtiyaç duyar?

Sadece iki uç nokta değil, gerçek bir dönüşüm taraması. Askıda kalma ve seyir verileri, ara nasel açılarında veya yunuslama (pitch) durumlarında ne olacağını tahmin edemez — XV-15 programının en kötü yükleri, her iki uç noktaya da yakın olmayan 60° nasel açısında ortaya çıkmıştır.
Kanat-nasel veya kanat-gövde birleşiminde akış görselleştirme. XV-15 kuyruk yüklemesi sorunu, yalnızca iç naselin iplikçiklerle (tuft) donatılması ve ortaya çıkan girdabın gerçekte nereye gittiğinin izlenmesiyle teşhis edilebildi — kuvvet verileri tek başına yükleri açıklayamadı.
Sadece kanatta değil, kuyruk ve arka gövdede yapısal yük izleme — bir tiltrotor için, belirli geçiş açılarında kuyruğu kesen rotor izi, belgelenmiş ve bariz olmayan bir arıza modudur.
Geçiş kontrolörünün tam olarak içinden uçması gereken rejim bu olduğundan, geleneksel perdövitesin (stall) çok ötesi de dahil olmak üzere, bir tailsitter'ın geçiş manevrasının taradığı tüm hücum açısı aralığının kapsanması .
Her geçiş veri noktasına itkinin dahil edilmesi — geçiş sırasındaki pervane kaynaklı eksen dışı kuvvetler; hücum açısı, hava hızı ve itkinin ortak bir fonksiyonudur ve aerodinamik testten ayrılamaz.

4. Karşılaştığımız beş hata

Sadece askıda kalma ve seyir durumlarını test etmek ve aralarında interpolasyon yapmak. XV-15 verileri, en kötü yüklerin uç noktalarda değil, koridorun ortasında ortaya çıkabileceğini göstermektedir — interpolasyon bunu tamamen gözden kaçırırdı.
Yük hücreleri "bir sayı gösterdiği" için akış görselleştirmeyi atlamak. XV-15 ekibi, kuyruk yüklerinin nedenini — belirli bir nasel açısındaki belirli bir kanat ucu girdabını — yalnızca iplikçik (tuft) yöntemiyle buldu; kuvvet verileri onlara sadece bir sorun olduğunu söyledi, nedenini değil.
Tailsitter geçişini izole edilmiş bir kanat üzerinde "sadece büyük bir hücum açısı taraması" olarak ele almak. Gövde, stabilizatör ve pervane etkileşiminin tümü bu açılarda önemlidir — izole edilmiş bir kanat poları, geçiş kontrolörünün ihtiyaç duyduğu tam hava aracı davranışını yeniden üretemez.
Tek bir düzeltmenin (kenar şeritleri, perdeler, girdap üreticileri) tüm koridor boyunca yükleri temizleyeceğini varsaymak. XV-15 programında, yatay kuyruğa yardımcı olan düzeltmeler dikey yüzgeç yüklerini daha da kötüleştirdi — dönüşüm koridoru düzeltmelerinin tek bir koşulda değil, tüm zarf boyunca değerlendirilmesi gerekir.
Arıza zarfını test etmemek, sadece nominal olanı test etmek. XV-15'te bulunan nasel açısına bağlı güvenlik sınırı (kurtarılabilir bir çift motor arızası için eşik olarak 85°), özellikle geçiş rejiminin özel analizinden gelmiştir — bu, yalnızca nominal koşul testlerinde ortaya çıkmazdı.

5. Bu, programınız için ne anlama geliyor?

Bize geçiş mekanizmanızı — tiltrotor veya tailsitter — ve hedef dönüşüm koridorunuzu söyleyin , biz de sadece askıda kalma ve seyir uç noktalarını değil, tüm geçiş zarfını tarayan bir test kampanyası planlayalım. İlgili okuma:

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

hakkındaki ana makalemiz.

Kaynaklar ve notlar

XV-15 Tilt Rotor Araştırma Hava Aracı rüzgâr tüneli programı (Ames 40'a 80 Fit Rüzgâr Tüneli, 170 knot tünel kapasitesine kadar helikopterden geçiş ve uçak moduna kadar olan test hedefleri, dönüşüm koridoru konsepti, 0° uçak / 90° helikopter nasel açısı kuralı, iplikçik görselleştirmesi ile teşhis edilen 60° nasel açısında kanat ucu girdaplarından kaynaklanan kuyruk yüklemesi, helikopter modunda 40 knot civarında zirve yapan rotor ucu girdabı kuyruk uyarımı, 5 saniyelik kurtarma penceresi ile 85° nasel açısındaki çift motor arızası güvenlik eşiği ve 11 saniyede tam 95°'den 0°'ye dönüşüm): 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 Aeroakustik Model (TRAM) programı ölçeği ve temeli (Bell/Boeing V-22 Osprey'in 1/4 ölçeği, Alman-Hollanda Rüzgâr Tüneli'nde test edilen izole rotor, NASA Ames'teki Ulusal Tam Ölçekli Aerodinamik Kompleksi'nin 40'a 80 fitlik bölümünde test edilen tam açıklıklı çift rotorlu model): NASA Ames Araştırma Merkezi, "Tiltrotor Aeroakustik Modeli".
Tailsitter geçiş aerodinamiği (geçiş manevrası tarafından taranan hücum açısı aralığı boyunca tam hava aracı rüzgâr tüneli testi ve pervane kaynaklı eksen dışı kuvvetin hücum açısı, hava hızı, flap sapması ve itki ile doğrusal olmayan eşleşmesi), yayınlanmış tailsitter rüzgâr tüneli araştırmalarıyla genel olarak tutarlıdır; TunnelTech'in test yaklaşımını karakterize etmesi, bu hava aracı sınıfı için kendi mühendislik uygulamamızı yansıtmaktadır.
Test metodolojisi kılavuzu (tam dönüşüm taramaları, birleşim yeri akış görselleştirmesi, kuyruk yapısal izlemesi, tam zarf düzeltme değerlendirmesi), doğrudan yukarıdaki belgelenmiş XV-15 bulgularından beslenen TunnelTech mühendislik uygulamasıdır.

Sabit Kanatlı VTOL Geçiş Testleri: Tiltrotorlar ve Tailsitter'lar