Flatter: A SZTAKI segít megszelídíteni a rettegett repülési jelenséget

A Számítástechnikai és Automatizálási Kutatóintézet (SZTAKI) által vezetett európai kutatócsoportnak egy aktív vezérlőrendszer segítségével sikerült leküzdenie az aeroelaszticitás egyik fontos kihívását, a flatterjelenség elnyomását a légijármű-szerkezetekben.

A kutatók egy speciálisan felépített, pilóta nélküli légi járművel (UAV) végrehajtott repülési kampányban mutatták be az áttörésnek számító új eljárást, amely a következő generációs kereskedelmi repülőgépek hatékony technológiájaként használható. Az EU által finanszírozott FliPASED (Flight Phase Adaptive Aero-Servo-Elastic Aircraft Design Methods) projektben a SZTAKI mellett a Német Repülési Központ (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, DLR), a francia Repülési és Űrkutatási Labor (ONERA) és a Müncheni Műszaki Egyetem (TUM) vesz részt.

A repülőgépeket a könnyűszerkezetes felépítést támogató technológiákkal tervezik, hogy az alacsonyabb üzemanyag-fogyasztás révén csökkentsék karbonlábnyomukat. Következésképpen a repülőgép-szerkezetek rugalmasak, vagyis deformálódnak, ha aerodinamikai terhelésnek vannak kitéve. A jelen trendek szerint az anyagok és a tervezési fejlesztések lehetővé teszik, hogy a jövő repülőgépei még könnyebbek legyenek, tovább növelve rugalmasságukat. A csapat olyan területeken is repülésre bírta UAV-t, ahol flatter-elnyomó rendszer nélkül ez nem volt lehetséges. A repülési tesztekre a Cochstedtben található DLR Pilóta nélküli Repülőgép Rendszerek Nemzeti Kísérleti Tesztközpontjában került sor. A csapat olyan területeken is repülésre bírta az UAV-t, ahol flatterelnyomó rendszer nélkül ez nem volt lehetséges. A sikeres repülési tesztekre a Cochstedtben található DLR Pilóta Nélküli Repülőgéprendszerek Nemzeti Kísérleti Tesztközpontjában került sor.

A szerkezeti deformáció és az aerodinamika közötti kölcsönhatást aeroelaszticitásnak nevezik. A rugalmasság növekedésével a repülőgép szerkezeti dinamikája, vagyis rezgési jellemzői elkezdenek befolyásolni egyes jelenségeket. Bizonyos körülmények között a repülőgép szerkezetének rezgései és a környező légáramlás közötti kölcsönhatások instabillá válhatnak. Ez a jól ismert aeroelasztikus jelenség, amelyet flatternek neveznek, katasztrofális meghibásodáshoz vezethet a rezgési amplitúdó gyors növekedése miatt. Ezért a légi jármű szerkezetét úgy kell megtervezni – megfelelő tartalékkal –, hogy a maximális üzemi sebességnél vagy az alatt soha ne fordulhasson elő flatter. Ez a kulcsfontosságú követelmény jelentős korlátot jelent a repülőgép-szerkezetek még könnyebbé tételében.

A Flight Phase Adaptive Aero-Servo-Elastic Aircraft Design Methods (FliPASED) projekt egyik fő célja az volt, hogy aktív eszközökkel, fedélzeti vezérlőfelületek, érzékelők és intelligens vezérlőalgoritmusok segítségével elnyomják a flattert. A kutatók ezért azt vizsgálták, hogy az aktív flatterelnyomás ezen elve milyen mértékben tesz lehetővé új tervezési szabadságot a repülőgép szerkezeti tömegének további csökkentése érdekében. A cél megvalósítása számos kulcsfontosságú feladatot foglalt magában: módszerek és eszközök kidolgozása a pontos rugalmas repülőgép-modellezéshez; a tervezett flattersebességet meghaladó repülést lehetővé tevő repülőgép-vezérlő algoritmusok kidolgozása; a kifejlesztett eszközök és módszerek validálása biztonságos, illetve megfizethető kísérleti tesztplatformon.

T-FLEX és P-FLEX UAV-k

A T-FLEX UAV-t egy korábbi európai kutatási projekt, a Flutter Free Flight Envelope eXpansion (FLEXOP) keretében tervezték. A mostanihoz hasonló demonstrációk előnye, hogy a különböző technológiák így viszonylag gyorsan és biztonságosan tesztelhetők próbapadon, az üzemelő kereskedelmi repülőgépek adaptálási költségének töredékéért, emberi élet kockáztatása nélkül. A kutatók az UAV második változatát, a P-FLEX-et használták az aktív flatterszabályozás tesztelésére. Fontos biztonsági elemként a pilóták által üzemeltetett flattergátló rendszert is beépítették, amely a repülési tesztek kiegészítő biztonsági eszköze.

Repülési teszt Cochstedtben

A repülési teszt egy légi jármű kritikus értékelése aeroelasztikus stabilitásának felmérésére. Ez magában foglalja a légi jármű ellenőrzött és szisztematikus tesztelését annak érdekében, hogy különböző repülési körülmények között mérjék fel a teljesítményét. A flatterteszt fontos mérföldkő minden repülőgép-tanúsítási kampányában, mivel segít azonosítani és csökkenteni a flatter kockázatát, ez ugyanis katasztrofális szerkezeti hibához vezethet, ha nem foglalkoznak vele.

A cochstedti (Németország) DLR Pilóta Nélküli Repülőgéprendszerek Nemzeti Kísérleti Tesztközpontjában végzett flatter repülésteszt kampány célja az volt, hogy megerősítse az előre jelzett nyílt hurkú flattersebességet (flattersebesség aktív flatterszabályozás használata nélkül), és két aktív flatterelnyomó vezérlőt demonstráljon ezen a nyílt hurkú flatterelési sebességen túl. A teszthéten minden projektpartner csapata jelen volt, mivel a repülési tesztek sikere egyértelműen csak multidiszciplináris csapatmunkával lehetséges.

A hét intenzív munkával indult, célja az aeroelasztikus modellek frissítése volt a legfrissebb földi vibrációs teszt (GVT) adatai alapján. E modellekre építve különböző elemzési módszereket alkalmaztak a várható flatterelési viselkedés validálására és a tényleges flattersebesség lehető legpontosabb előrejelzésére. A szárny flattermechanizmusa a hagyományos hajlító-torziós lengések csatolódását foglalta magában, amelyet nagy megbízhatósággal először másodpercenként 56 méteres sebességnél becsültek instabillá válónak. Ezt követően a modellt arra használták, hogy nagyszámú szimuláció segítségével felkészítsék a szabályozóalgoritmust a repülési tesztelésre.

A repülési teszttervet ezen eredmények alapján alakították ki. A kutatók úgy döntöttek, hogy nyitott hurkú repülési tesztet hajtanak végre állandó magasságban, növekvő repülési sebesség mellett. A gép előkészítését követően a fedélzeti robotpilóta-rendszer lehetővé tette a repülőgép számára a célul kitűzött repülési sebességek fenntartását. A repülő matematikai modelljétől független adatvezérelt OMA-agoritmusok (Operational Modal Analysis) eredményei a nyílt hurkú repülési teszttől az 54 méter per szekundum (m/s) sebességig megerősítették a szimmetrikus szárnyhajlítási és szárnytorziós módok közötti csatolási jelenségnek a szimulációs modellek által előre jelzett előfordulását. Ezen túlmenően a flatter kritikus üzemmódjának csillapítása az aeroelasztikus csillapítás egy százaléka alá csökkent, ami azt jelzi, hogy a másodpercenkénti 54 méter valóban a stabil repülési tartomány szélén volt.

A flattersebességet meghaladó repülés

A következő lépés az aktív flatterszabályozás tesztelése volt. A kutatók két különböző aktív flattervezérlőt terveztek, egy strukturált H-végtelen szabályozót és egy H2-optimális bemenet-kimenet-keverék szabályozót. Úgy döntöttek, hogy minden szabályozó számára külön repülési tesztet hajtanak végre, ahol a légi jármű átrepül az előre jelzett 56 m/s-os flattersebességen. A repülőtér, a tűzoltók és a FliPASED csapata több készenléti tervvel felkészülve vállalták ezt az esetleges meghibásodás esetére kiszámított kockázatot. A repülőgép 2023. május 26-án, pénteken 09:50-kor szállt fel, a rendszerellenőrzést követően bekapcsolták az aktív flatterszabályozó rendszert. A légi jármű ezután biztonságosan átrepült a flattersebességen. Mindkét szabályozó 61 m/s-ig engedélyezte az UAV repülését, ami jóval meghaladja a kritikus értéket, és ez lényeges eredménynek számít.

A képen emberek, talaj, személy, csoport látható

Egy fontos kérdés azonban még maradt. Valóban jelen van a repülőgépen a várt pusztító flatter 56 m/s sebességnél? Ezután úgy döntöttek, hogy a szimulációs modellek és az adatvezérelt OMA-algoritmusok eredményeinek megerősítése céljából szabályozó nélkül repülnek túl az előre jelzett flattersebességen. Ismét több biztonsági protokollt vezettek be. Mivel az UAV a repülés során a rendkívül turbulens körülmények miatt a vártnál hamarabb elérte az 56 m/s sebességet, a repülőgép flattert tapasztalt, ami sérüléseket és a szárny hátsó részén a flatterjelenség kiváltására elhelyezett rudak elvesztését eredményezte. Ez a nem szándékos hibabiztos funkció megmentette a repülőgépet, és lehetővé tette a biztonságos leszállást további incidensek nélkül. Ez az utolsó repülési teszt megerősítette, hogy a szabályozók nagyon jól teljesítettek, és hogy az aktív vezérlés hatékony eszköz lehet a repülési instabilitás ellen a könnyebb repülőgép-szerkezetek védelme érdekében.

Kitekintés a repülőipari közösség számára

A repülési tesztek először mutattak be sikeres repülés közbeni aktív flatterelnyomást egy UAV-n, amelynek jellemzői hasonlóak a kereskedelmi repülőgépekéhez. Ez példátlan, úgynevezett technológiai felkészültségi szintet demonstrál, bizonyítva, hogy a következő generációs kereskedelmi repülőgépek hatékony technológiájaként használható.

Mivel a flatter veszélyes és rendkívül nemkívánatos jelenség, a valódi flatterről szóló adatok rendkívül ritkák. A FliPASED projekt résztvevőinek ezért az a szándéka, hogy az aktív flatterszabályozást, a szimulációt és a valós idejű előrejelzést bemutató repülési hardver- és szoftvereszközök publikálása mellett egy nyílt forráskódú adattárat is biztosítanak az összes repülési teszt adataival. Ennek célja, hogy más mérnökök és kutatók is fejlesszék és validálják eszközeiket és módszereiket, ami e kutatási terület előrehaladását eredményezi.