Випробування перехідних режимів VTOL: конвертоплани та тейлсіттери

Літальний апарат вертикального зльоту та посадки (VTOL) з фіксованим крилом — конвертоплан або тейлсіттер — має літати у двох абсолютно різних аеродинамічних режимах: зависання на несучих гвинтах та крейсерський політ на підйомній силі крила. Жоден із цих режимів не є найскладнішим для випробувань. Найскладнішим є етап між ними, коли аеродинамічний слід від гвинта перетинає крило під усіма кутами від вертикального до горизонтального, і літальний апарат не є ані вертольотом, ані літаком. Цей етап має в галузі свою назву — коридор конверсії — і він вимагає окремої програми випробувань.

1. Коридор конверсії — це визначена та випробувана область режимів польоту

Найяскравішим задокументованим прикладом є спільний проєкт NASA та армії США — дослідницький конвертоплан XV-15 , який випробовувався в аеродинамічній трубі Ames розміром 40 на 80 футів спеціально для оцінки «льотних характеристик, стійкості, керованості та структурних навантажень для режимів польоту від вертолітного до перехідного та літакового». Програма чітко відобразила коридор конверсії — конфігурації літального апарата, що визначаються кутом нахилу мотогондол та швидкістю повітря, які є безпечними для польоту з увімкненими роторами між крайніми вертолітними та літаковими режимами. Сам кут нахилу мотогондоли вимірюється відносно фюзеляжу: 0° — це літаковий режим, 90° — вертолітний режим, а кожен кут між ними є окремою перехідною конфігурацією.

Деякі специфічні для перехідного режиму висновки з цієї програми:

Аеродинамічний слід від ротора безпосередньо навантажував хвостове оперення. На низькошвидкісній межі діапазону конверсії, при куті нахилу мотогондол близько 60°, конструкція хвостового оперення зазнавала високих вібраційних навантажень — настільки високих, що горизонтальний лонжерон перевищив свою розрахункову межу витривалості. Причину було виявлено за допомогою візуалізації потоку шовковинками: потужний вихор, що сходив із закінцівки крила та зміщувався всередину на хвостове оперення саме при цьому куті нахилу мотогондол. Жодне окреме аеродинамічне рішення (аеродинамічні перегородки на крилі, гребені на мотогондолах, генератори вихорів) не вирішило цю проблему у всьому діапазоні від зависання до літакового режиму — навантаження довелося контролювати як суто специфічну проблему перехідного режиму, а не виправляти універсальним рішенням.
Кінцеві вихори ротора створювали збурення на хвостовому оперенні при певній швидкості перехідного режиму. У вертолітному режимі коливальні навантаження на вузли кріплення горизонтального оперення зростали зі збільшенням швидкості повітря приблизно до 40 вузлів, а потім стрімко падали — кінцеві вихори ротора, що спрямовуються вниз під час зависання, зміщуються назад на траєкторію хвостового оперення саме на цій швидкості з початком поступального польоту, а потім повністю оминають хвіст на вищій швидкості.
Випробування масштабних моделей поширюють ті ж самі дослідження коридору на сучасні літальні апарати. Програма NASA та армії США Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM) — двогвинтова модель Bell/Boeing V-22 Osprey у масштабі 1/4 — продовжила цей напрямок випробувань конвертопланів у повному діапазоні режимів у Національному повномасштабному аеродинамічному комплексі через десятиліття після того, як програма XV-15 вперше визначила цей коридор.
Сама область безпечних режимів польоту є функцією кута нахилу мотогондоли. Моделювання, проведене для програми, показало, що відмова обох двигунів при куті нахилу мотогондол понад 85° (глибоко у вертолітному/перехідному режимі) була єдиною умовою відмови, яка могла спричинити небезпечний маховий рух лопатей та навантаження — вийти з якої можна було лише зменшивши кут нахилу мотогондол протягом 5 секунд. Повна конверсія від 95° до 0° могла бути виконана за 11 секунд. Нижче 85° жодних спеціальних дій для відновлення взагалі не було потрібно. Іншими словами, перехідний режим має власні межі безпеки, які не є спільними для режимів зависання та крейсерського польоту.

2. Тейлсіттери мають споріднену, але відмінну проблему

Тейлсіттер здійснює перехід шляхом зміни кута тангажу всього планера з вертикального на горизонтальний, що означає, що його крило та фюзеляж проходять через дуже великі кути атаки — далеко за межами тих, де літак з фіксованим крилом зазвичай звалюється — перш ніж літальний апарат перейде на підйомну силу крила. Опубліковані дослідження аеродинаміки тейлсіттерів в аеродинамічних трубах були спрямовані саме на це: випробування всього літального апарата (крила, фюзеляжу та стабілізатора разом, а не лише ізольованого профілю) у всьому діапазоні кутів атаки, через який фактично проходить маневр переходу, оскільки аеродинамічні сили в цьому режимі важко передбачити лише на основі теорії, а моделі динаміки польоту, що використовуються для розробки контролера переходу, безпосередньо залежать від цих даних з аеродинамічної труби.

Взаємодія повітряного гвинта та крила ускладнює ситуацію: при великому куті атаки та низькій швидкості повітря сила, яку гвинт індукує перпендикулярно до своєї осі тяги, залежить від кута атаки, швидкості повітря, відхилення закрилків та тяги одночасно і нелінійно — це не та залежність, яку можна виявити під час окремих випробувань лише гвинта та лише крила.

3. Що насправді потрібно для кампанії випробувань перехідних режимів

Повне охоплення діапазону конверсії, а не лише двох кінцевих точок. Дані для режимів зависання та крейсерського польоту не дозволяють передбачити, що відбувається при проміжних кутах нахилу мотогондол або кутах тангажу — найгірші навантаження в програмі XV-15 з'явилися при куті нахилу мотогондол 60°, що зовсім не близько до жодної з крайнощів.
Візуалізація потоку на стику крила з мотогондолою або крила з фюзеляжем. Проблема навантаження на хвостове оперення XV-15 була діагностована лише завдяки наклеюванню шовковинок на внутрішню частину мотогондоли та відстеженню того, куди насправді спрямовувався утворений вихор — самі лише дані про сили не пояснювали цих навантажень.
Моніторинг структурних навантажень на хвостове оперення та задню частину фюзеляжу , а не лише на крило — для конвертоплана перетин аеродинамічним слідом від ротора хвостового оперення під певними кутами переходу є задокументованим і неочевидним режимом відмови.
Охоплення всього діапазону кутів атаки, через який проходить маневр переходу тейлсіттера , включно з кутами, що значно перевищують звичайний кут звалювання, оскільки саме в цьому режимі має працювати контролер переходу.
Врахування силової установки в кожній точці даних перехідного режиму — позаосьові сили, індуковані повітряним гвинтом під час переходу, є функцією кута атаки, швидкості повітря та тяги в сукупності, і їх не можна відокремити від аеродинамічних випробувань.

4. П'ять помилок, які ми спостерігаємо

Випробування лише режимів зависання та крейсерського польоту з інтерполяцією між ними. Дані XV-15 показують, що найгірші навантаження можуть виникати посередині коридору, а не в його кінцевих точках — інтерполяція б їх повністю пропустила.
Відмова від візуалізації потоку через те, що тензодатчики «показують цифру». Команда XV-15 знайшла причину навантажень на хвостове оперення — специфічний вихор із закінцівки крила при певному куті нахилу мотогондоли — лише за допомогою шовковинок; самі лише дані про сили вказували на наявність проблеми, але не пояснювали її причину.
Розгляд переходу тейлсіттера як «просто великого діапазону кутів атаки» на ізольованому крилі. Взаємодія фюзеляжу, стабілізатора та повітряного гвинта має значення на цих кутах — поляра ізольованого крила не відтворить поведінку всього літального апарата, яка необхідна для контролера переходу.
Припущення, що одне рішення (гребені, перегородки, генератори вихорів) усуне навантаження у всьому коридорі. У програмі XV-15 рішення, які допомогли горизонтальному оперенню, погіршили навантаження на вертикальний кіль — рішення для коридору конверсії необхідно оцінювати у всьому діапазоні режимів, а не за однієї умови.
Відсутність випробувань області відмов, а лише номінальних режимів. Межа безпеки, залежна від кута нахилу мотогондоли, виявлена на XV-15 (85° як поріг для відновлення після відмови обох двигунів), була отримана в результаті спеціального аналізу саме перехідного режиму — вона б не виявилася лише під час випробувань у номінальних умовах.

5. Що це означає для вашої програми

Повідомте нам ваш механізм переходу — конвертоплан чи тейлсіттер — і ваш цільовий коридор конверсії , і ми розробимо кампанію випробувань, яка охопить весь діапазон перехідних режимів, а не лише кінцеві точки зависання та крейсерського польоту. Пов'язані матеріали: наша головна стаття про

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

Джерела та примітки

Програма випробувань дослідницького конвертоплана XV-15 в аеродинамічній трубі (аеродинамічна труба Ames розміром 40 на 80 футів, цілі випробувань, що охоплюють режими від вертолітного через перехідний до літакового при можливостях труби до 170 вузлів, концепція коридору конверсії, умовність кута нахилу мотогондол 0° для літака / 90° для вертольота, навантаження на хвостове оперення від вихорів із закінцівок крила при куті нахилу мотогондол 60°, діагностоване за допомогою візуалізації шовковинками, збурення хвостового оперення кінцевими вихорами ротора, що досягає піку близько 40 вузлів у вертолітному режимі, поріг безпеки при відмові обох двигунів при куті нахилу мотогондол 85° з 5-секундним вікном для відновлення, а також повна конверсія від 95° до 0° за 11 секунд): 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).
Масштаб та основа програми Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM) (масштаб 1/4 моделі Bell/Boeing V-22 Osprey, ізольований ротор, випробуваний у Німецько-нідерландській аеродинамічній трубі, повнорозмахова двогвинтова модель, випробувана в секції 40 на 80 футів Національного повномасштабного аеродинамічного комплексу в NASA Ames): NASA Ames Research Center, "Tiltrotor Aeroacoustic Model".
Аеродинаміка перехідного режиму тейлсіттерів (випробування всього літального апарата в аеродинамічній трубі у всьому діапазоні кутів атаки, що охоплюється маневром переходу, та нелінійний зв'язок позаосьової сили, індукованої повітряним гвинтом, з кутом атаки, швидкістю повітря, відхиленням закрилків та тягою) загалом узгоджується з опублікованими дослідженнями тейлсіттерів в аеродинамічних трубах; характеристика підходу до випробувань від TunnelTech відображає нашу власну інженерну практику для цього класу літальних апаратів.
Рекомендації щодо методології випробувань (повне охоплення діапазону конверсії, візуалізація потоку на стиках, моніторинг конструкції хвостового оперення, оцінка рішень у всьому діапазоні режимів) є інженерною практикою TunnelTech, що безпосередньо ґрунтується на задокументованих висновках щодо XV-15, наведених вище.

Випробування перехідних режимів VTOL з фіксованим крилом: конвертоплани та тейлсіттери