Trillingstests stimuleren Nasa’s project voor elektrische vliegtuigen

Om ervoor te zorgen dat Nasa’s nieuwe X-57 ‘Maxwell’ elektrische vliegtuig energiezuinig en veilig voor gebruik zou zijn, voerde de organisatie uitgebreide grondtrillingstests uit, waarbij de spanningen werden gesimuleerd die het zou ervaren tijdens een echte vlucht.

Nasa heeft zijn eerste volledig elektrische X-vliegtuig ontwikkeld, de X-57 Maxwell. Het vliegtuig, momenteel in de Mod II-configuratie, is een aangepaste versie van de Italiaanse Tecnam P2006T. In plaats van benzinemotoren heeft hij twee volledig elektrische motoren die worden aangedreven door tractiebatterijen.

Het project heeft een aantal doelen, waaronder een lager energieverbruik (de motoren van de X-57 verbruiken een vijfde van de energie van een vliegtuig met benzinemotor), minder uitstoot en minder geluid tijdens de vlucht.

Om ervoor te zorgen dat het nieuwe ontwerp voldoet aan de criteria voor energie-efficiëntie en luchtwaardigheid, onderging het experimentele vliegtuig meerdere trillingstests en werden gegevens van de versnellingsmeters rond de motor verzameld op een LAN-XI data-acquisitiesysteem en analyseplatform, geleverd door test- en meetexpert Hottinger Brüel & Kjær (HBK). Hierna gebruikten de ingenieurs de BK Connect-software van HBK om gegevens van 191 testruns te testen en te analyseren, met 14 verschillende testconfiguraties.

Een grondtrillingstest, of GVT, wordt uitgevoerd voordat de eerste testvlucht wordt gemaakt. Tijdens een GVT onderwerpen testingenieurs het vliegtuig aan een aantal verschillende trillingsprofielen terwijl ze de respons op honderden punten rond het casco meten. Door deze metingen te analyseren, kunnen ingenieurs de modale frequenties en modusvormen van het vliegtuig in een vluchtklare configuratie identificeren. Hierdoor kunnen ze het eindige-elementenmodel (FEM) van het vliegtuig valideren en bijwerken, dat ze vervolgens zullen gebruiken voor voorspellingen van flutteranalyse. Uiteindelijk vertelt de flutteranalyse of een constructie de nodige aero-elasticiteit en fluttermarges heeft die nodig zijn voor luchtwaardigheid.  

Bij het uitvoeren van een GVT is het belangrijk dat het testobject zo dicht mogelijk bij het uiteindelijke ontwerp ligt. Dit kan leiden tot interessante uitdagingen voor het testteam.

Zo waren tijdens de GVT de zware en hoogspannings elektromotorbatterijen niet echt. Bij normaal gebruik drijven zestien tractiebatterijmodules de dubbele elektromotoren aan en vertegenwoordigen ze bijna een derde van het totale gewicht van het vliegtuig. Om veilig te zijn, werden echter batterijmassasimulatoren gebruikt in plaats van bekrachtigde batterijen. Een uitdaging voor het testteam was het ontwerpen en bouwen van simulatoren die dezelfde grootte, massa en zwaartepunt hebben als de eigenlijke batterijen. Ze moesten ook op dezelfde manier op de romp worden gemonteerd als de eigenlijke batterijen.

 

Een andere uitdaging was dat twee Battery Control Modules (BCM’s) niet op tijd klaar waren. Om dit probleem te omzeilen, hebben ingenieurs twee BCM-mockup-eenheden ontworpen en gebouwd. De BCM-mockup-eenheden waren lichter dan de daadwerkelijke eenheden, dus de ingenieurs voegden shotbags toe om het gewicht op het verwachte vlieggewicht te brengen. Gewicht is een cruciale factor, dus het testteam moest indien nodig ontbrekende gewichts- en ballastgebieden opsporen. 

Men voerde 191 testruns uit met 14 testconfiguraties. De resultaten toonden veel vliegtuigmodi die niet werden weergegeven in de pre-test Mod II FEM modale resultaten. Deze ontbrekende FEM-modi die tijdens de GVT zijn geïdentificeerd, zullen helpen bij het bijwerken van het model na de test en het correlatieproces. De test bracht bijvoorbeeld modi aan het licht die werden vertoond door gekoppelde vliegtuigbeweging, vleugeltorsie en stuurvlakken. Bovendien bevatte het pre-testmodel enkele componenten niet, zoals de neusboom. Met de GVT-testgegevens kan het X-57-projectteam deze componenten nauwkeurig toevoegen aan het post-testmodel.