Thử nghiệm chuyển đổi VTOL: Tiltrotor và Tailsitter

Một máy bay VTOL cánh cố định — tiltrotor (cánh quạt lật) hoặc tailsitter (cất hạ cánh bằng đuôi) — phải bay ở hai chế độ khí động học hoàn toàn khác nhau: bay treo bằng cánh quạt và bay hành trình bằng lực nâng của cánh. Cả hai chế độ này đều không phải là phần khó thử nghiệm. Phần khó nhất là giai đoạn chuyển tiếp giữa chúng, nơi luồng khí xả từ cánh quạt quét qua cánh ở mọi góc độ từ thẳng đứng đến nằm ngang và máy bay lúc này không hẳn là trực thăng cũng không hẳn là máy bay thông thường. Giai đoạn đó có một tên gọi trong ngành — hành lang chuyển đổi (conversion corridor) — và nó đòi hỏi một chương trình thử nghiệm riêng biệt.

1. Hành lang chuyển đổi là một đường bao bay được xác định và thử nghiệm

Minh họa rõ ràng nhất được ghi nhận là Máy bay nghiên cứu Tiltrotor XV-15 hợp tác giữa NASA và Quân đội Hoa Kỳ, được thử nghiệm trong hầm gió Ames 40 x 80 foot đặc biệt để đánh giá "hiệu suất máy bay, độ ổn định, khả năng điều khiển và tải trọng kết cấu cho các chế độ bay từ trực thăng qua giai đoạn chuyển tiếp đến chế độ máy bay thông thường." Chương trình này đã lập bản đồ rõ ràng một hành lang chuyển đổi — các cấu hình máy bay, được xác định bởi góc nghiêng vỏ động cơ (nacelle incidence) và tốc độ gió, đảm bảo an toàn khi bay với cánh quạt hoạt động giữa hai thái cực trực thăng và máy bay thông thường. Bản thân góc nghiêng vỏ động cơ được đo tương đối so với thân máy bay: 0° là chế độ máy bay thông thường, 90° là chế độ trực thăng, và mọi góc độ ở giữa là một cấu hình chuyển tiếp riêng biệt.

Một số phát hiện đặc thù về quá trình chuyển tiếp từ chương trình đó:

Luồng khí xả từ cánh quạt tác dụng tải trọng trực tiếp lên đuôi. Ở dải tốc độ thấp của đường bao chuyển đổi, với góc nghiêng vỏ động cơ khoảng 60°, kết cấu đuôi phải chịu tải trọng rung động cao — cao đến mức xà dọc ngang vượt quá giới hạn thiết kế tuổi thọ vô hạn của nó. Nguyên nhân được xác định thông qua trực quan hóa dòng chảy bằng sợi chỉ (tuft flow visualization): một cuộn xoáy mạnh cuộn qua đầu mút cánh và quét vào trong lên phần đuôi tại góc nghiêng vỏ động cơ cụ thể đó. Không có một giải pháp khí động học đơn lẻ nào (vách ngăn cánh, vây vỏ động cơ, bộ tạo xoáy) giải quyết được vấn đề này trên toàn bộ dải bay từ bay treo đến máy bay thông thường — các tải trọng này phải được xử lý như một vấn đề đặc thù của quá trình chuyển tiếp, chứ không thể chắp vá bằng một giải pháp chung cho tất cả.
Các cuộn xoáy ở mút cánh quạt kích động phần đuôi tại một tốc độ gió chuyển tiếp cụ thể. Ở chế độ trực thăng, tải trọng dao động trên các vấu gắn đuôi ngang tăng theo tốc độ gió lên đến khoảng 40 knot, sau đó giảm nhanh khi vượt qua mức này — các cuộn xoáy ở mút cánh quạt, xả xuống dưới khi bay treo, quét về phía sau vào đường đi của đuôi đặc biệt ở khoảng tốc độ đó khi bắt đầu bay tới, sau đó hoàn toàn thoát khỏi phần đuôi ở tốc độ cao hơn.
Thử nghiệm mô hình thu nhỏ mở rộng công việc về hành lang tương tự cho các máy bay hiện đại. Chương trình Mô hình Khí động âm học Tiltrotor (TRAM) của NASA và Quân đội Hoa Kỳ — một mô hình cánh quạt kép, tỷ lệ 1/4 của chiếc Bell/Boeing V-22 Osprey — đã tiếp tục hướng thử nghiệm tiltrotor toàn đường bao này tại Tổ hợp Khí động học Toàn tỷ lệ Quốc gia, nhiều thập kỷ sau khi chương trình XV-15 lần đầu tiên xác định hành lang này.
Bản thân đường bao an toàn là một hàm của góc nghiêng vỏ động cơ. Công tác mô phỏng được thực hiện cho chương trình phát hiện ra rằng sự cố hỏng động cơ kép ở góc nghiêng vỏ động cơ trên 85° (sâu trong chế độ trực thăng/chuyển tiếp) là điều kiện hỏng hóc duy nhất có thể tạo ra hiện tượng vỗ cánh quạt và tải trọng nguy hiểm — chỉ có thể phục hồi bằng cách giảm góc nghiêng vỏ động cơ trong vòng 5 giây. Việc chuyển đổi hoàn toàn từ 95° về 0° có thể được thực hiện trong 11 giây. Dưới 85°, hoàn toàn không cần hành động phục hồi đặc biệt nào. Nói cách khác, chế độ chuyển tiếp có những ranh giới an toàn riêng mà chế độ bay treo và bay hành trình không có.

2. Tailsitter mang một vấn đề liên quan nhưng khác biệt

Một chiếc tailsitter chuyển tiếp bằng cách chúc toàn bộ khung máy bay từ thẳng đứng sang nằm ngang, điều này có nghĩa là cánh và thân máy bay của nó quét qua các góc tấn (angle of attack) rất cao — vượt xa mức mà một máy bay cánh cố định thông thường sẽ bị tròng trành (stall) — trước khi máy bay được nâng bằng cánh. Các nghiên cứu hầm gió đã công bố về khí động học của tailsitter đã đặc biệt nhắm vào điều này: thử nghiệm toàn bộ máy bay (cánh, thân và cánh ổn định cùng nhau, không chỉ là một biên dạng cánh đơn lẻ) trên toàn bộ dải góc tấn mà thao tác chuyển tiếp thực sự quét qua, bởi vì các lực khí động học trong chế độ này rất khó dự đoán chỉ từ lý thuyết và các mô hình động lực học bay được sử dụng để thiết kế bộ điều khiển chuyển tiếp phụ thuộc trực tiếp vào dữ liệu hầm gió đó.

Tương tác giữa cánh quạt và cánh máy bay làm phức tạp thêm điều này: ở góc tấn cao và tốc độ gió thấp, lực mà cánh quạt tạo ra vuông góc với trục lực đẩy của nó phụ thuộc đồng thời và phi tuyến tính vào góc tấn, tốc độ gió, độ lệch cánh tà và lực đẩy — đây không phải là một mối quan hệ mà các thử nghiệm cánh quạt đơn lẻ và cánh đơn lẻ riêng biệt có thể tiết lộ.

3. Một chiến dịch thử nghiệm chuyển tiếp thực sự cần gì

Một dải quét chuyển đổi thực sự, không chỉ là hai điểm đầu cuối. Dữ liệu bay treo và bay hành trình không dự đoán được những gì xảy ra ở các góc nghiêng vỏ động cơ hoặc tư thế chúc mũi trung gian — các tải trọng tồi tệ nhất của chương trình XV-15 xuất hiện ở góc nghiêng vỏ động cơ 60°, không hề gần với bất kỳ thái cực nào.
Trực quan hóa dòng chảy tại điểm nối cánh-vỏ động cơ hoặc cánh-thân máy bay. Vấn đề tải trọng đuôi của XV-15 chỉ được chẩn đoán bằng cách gắn các sợi chỉ (tufting) vào phần trong của vỏ động cơ và theo dõi xem cuộn xoáy tạo ra thực sự đi về đâu — chỉ riêng dữ liệu lực không thể giải thích được các tải trọng này.
Giám sát tải trọng kết cấu trên phần đuôi và thân sau , không chỉ trên cánh — đối với tiltrotor, luồng khí xả từ cánh quạt quét qua đuôi ở các góc chuyển tiếp cụ thể là một chế độ hỏng hóc đã được ghi nhận và không hề hiển nhiên.
Bao phủ toàn bộ dải góc tấn mà thao tác chuyển tiếp của tailsitter quét qua , bao gồm cả việc vượt xa điểm tròng trành thông thường, vì đó chính xác là chế độ mà bộ điều khiển chuyển tiếp phải bay qua.
Lực đẩy được bao gồm trong mọi điểm dữ liệu chuyển tiếp — các lực lệch trục do cánh quạt tạo ra trong quá trình chuyển tiếp là một hàm của góc tấn, tốc độ gió và lực đẩy kết hợp lại, không thể tách rời khỏi thử nghiệm khí động học.

4. Năm sai lầm chúng tôi thường thấy

Chỉ thử nghiệm bay treo và bay hành trình rồi nội suy giữa chúng. Dữ liệu XV-15 cho thấy các tải trọng tồi tệ nhất có thể xuất hiện ở giữa hành lang, chứ không phải ở hai điểm đầu cuối — việc nội suy sẽ hoàn toàn bỏ lỡ điều này.
Bỏ qua trực quan hóa dòng chảy vì các cảm biến lực "đã hiển thị một con số." Nhóm XV-15 chỉ tìm ra nguyên nhân của tải trọng đuôi — một cuộn xoáy mút cánh cụ thể ở một góc nghiêng vỏ động cơ cụ thể — thông qua việc gắn sợi chỉ; chỉ riêng dữ liệu lực cho họ biết có vấn đề, chứ không phải tại sao.
Coi quá trình chuyển tiếp của tailsitter "chỉ là một dải quét góc tấn lớn" trên một cánh đơn lẻ. Tương tác giữa thân máy bay, cánh ổn định và cánh quạt đều quan trọng ở các góc này — một đường cong cực (polar) của cánh đơn lẻ sẽ không tái tạo được hành vi của toàn bộ máy bay mà bộ điều khiển chuyển tiếp cần.
Giả định rằng một giải pháp duy nhất (vây, vách ngăn, bộ tạo xoáy) sẽ dọn sạch các tải trọng trên toàn bộ hành lang. Trong chương trình XV-15, các giải pháp giúp ích cho đuôi ngang lại làm cho tải trọng trên cánh tản đứng tồi tệ hơn — các giải pháp cho hành lang chuyển tiếp cần được đánh giá trên toàn bộ đường bao, chứ không phải ở một điều kiện duy nhất.
Không thử nghiệm đường bao hỏng hóc, chỉ thử nghiệm đường bao danh định. Ranh giới an toàn phụ thuộc vào góc nghiêng vỏ động cơ được tìm thấy trên XV-15 (85° là ngưỡng cho sự cố hỏng động cơ kép có thể phục hồi) đến từ phân tích chuyên dụng dành riêng cho chế độ chuyển tiếp — điều này sẽ không xuất hiện nếu chỉ thử nghiệm ở điều kiện danh định.

5. Điều này có ý nghĩa gì đối với chương trình của bạn

Hãy cho chúng tôi biết cơ chế chuyển tiếp của bạn — tiltrotor hay tailsitter — và hành lang chuyển đổi mục tiêu của bạn , và chúng tôi sẽ lên phạm vi cho một chiến dịch thử nghiệm quét toàn bộ đường bao chuyển tiếp, chứ không chỉ là các điểm đầu cuối bay treo và bay hành trình. Bài viết liên quan: bài viết tổng hợp của chúng tôi về

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

Nguồn và ghi chú

Chương trình hầm gió Máy bay nghiên cứu Tiltrotor XV-15 (Hầm gió Ames 40 x 80 foot, các mục tiêu thử nghiệm bao gồm từ chế độ trực thăng qua chuyển tiếp đến chế độ máy bay thông thường với khả năng của hầm lên đến 170 knot, khái niệm hành lang chuyển đổi, quy ước góc nghiêng vỏ động cơ 0° cho máy bay thông thường / 90° cho trực thăng, tải trọng đuôi từ các cuộn xoáy mút cánh ở góc nghiêng vỏ động cơ 60° được chẩn đoán qua trực quan hóa bằng sợi chỉ, sự kích động đuôi do cuộn xoáy mút cánh quạt đạt đỉnh gần 40 knot ở chế độ trực thăng, ngưỡng an toàn khi hỏng động cơ kép ở góc nghiêng vỏ động cơ 85° với thời gian phục hồi 5 giây, và chuyển đổi hoàn toàn từ 95° về 0° trong 11 giây): 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).
Quy mô và cơ sở của chương trình Mô hình Khí động âm học Tiltrotor (TRAM) (tỷ lệ 1/4 của Bell/Boeing V-22 Osprey, cánh quạt đơn lẻ được thử nghiệm tại Hầm gió Đức-Hà Lan, mô hình cánh quạt kép toàn sải cánh được thử nghiệm trong phần 40 x 80 foot của Tổ hợp Khí động học Toàn tỷ lệ Quốc gia tại NASA Ames): NASA Ames Research Center, "Tiltrotor Aeroacoustic Model".
Khí động học chuyển tiếp của tailsitter (thử nghiệm hầm gió toàn bộ máy bay trên dải góc tấn được quét qua bởi thao tác chuyển tiếp, và sự kết hợp phi tuyến tính của lực lệch trục do cánh quạt tạo ra với góc tấn, tốc độ gió, độ lệch cánh tà và lực đẩy) hoàn toàn nhất quán với các nghiên cứu hầm gió về tailsitter đã được công bố; đặc điểm phương pháp thử nghiệm của TunnelTech phản ánh thực tiễn kỹ thuật của chính chúng tôi đối với lớp máy bay này.
Hướng dẫn phương pháp thử nghiệm (quét chuyển đổi toàn bộ, trực quan hóa dòng chảy tại điểm nối, giám sát kết cấu đuôi, đánh giá giải pháp trên toàn bộ đường bao) là thực tiễn kỹ thuật của TunnelTech, được đúc kết trực tiếp từ các phát hiện XV-15 đã được ghi nhận ở trên.

Thử nghiệm chuyển đổi VTOL cánh cố định: Tiltrotor và Tailsitter