SI VIS PACEM, PARA BELLUM: Il Bell XV-15 era un convertiplano con motori basculanti

Il Bell XV-15 era un convertiplano con motori basculanti. Progettato negli anni settanta dall'azienda statunitense Bell Aircraft Corporation con la designazione Model 301 è considerato il primo convertiplano a motori basculanti di successo. La bontà del progetto ha portato allo sviluppo dei successivi Bell-Boeing V-22 Osprey e Bell-Agusta BA609, i primi due convertiplani prodotti in serie.

Sviluppo

Realizzato come Model 301, l'XV-15 risultó da un contratto in comune tra l'US Army e la NASA per lo sviluppo di un convertiplano a rotori basculanti allo standard di produzione basato su una fusoliera tradizionale con carrello retrattile. L'XV-15 aveva un impennaggio bideriva e un'ala a sbalzo con gondole rotanti alle estremità, ciascuna alloggiante una turboelica azionante una grande elica/rotore. L'ala incorporava inoltre ipersostentatori/alettoni e ipersostentatori; un dispositivo avanzato era costituito dal sistema di aumento della stabilità e del controllo. Ne furono costruiti due esemplari; il primo compì un volo stazionario iniziale nel maggio 1977, mentre il secondo completò le prove di transizione completa nel luglio 1979.

Primi velivoli a rotore VTOL

L'idea di costruire velivoli di decollo e atterraggio verticali utilizzando rotori simili a elicotteri posti sulle ali ebbe origine negli anni '30. Il primo design che assomiglia ai moderni rotori inclinabili è stato brevettato da George Lehberger nel maggio 1930, ma non sviluppò ulteriormente il concetto.

Nella seconda guerra mondiale, un prototipo tedesco chiamato Focke-Achgelis Fa 269 fu sviluppato a partire dal 1942, ma non volò mai.

Due prototipi effettuarono il volo e furono:

il modello 1-G trascendente monoposto,
il modello 2 trascendentale 2 posti,

entrambi alimentati da singoli motori alternativi. Lo sviluppo iniziò sul Modello 1-G nel 1947 e volò nel 1954. Il Modello 1-G volò fino a un incidente nella baia di Chesapeake il 20 luglio 1955, distruggendo il prototipo ma non ferendo gravemente il pilota.

L’1-G è stato il primo velivolo con rotori inclinabili a volare e ha realizzato la maggior parte della transizione da elicottero ad aereo in volo entro dieci gradi dal volo orizzontale dell'aeromobile.

Il modello 2 fu sviluppato e volò poco dopo, ma non volò molto oltre i test vincolato al suolo. L' USAF revocò i finanziamenti a favore della Bell XV-3 che fu portato in volo per la prima volta nel 1955. Come i suoi predecessori, l’XV-3 aveva i motori nella fusoliera e gli alberi di trasmissione che trasferivano energia ai gruppi del rotore inclinabili.

Altri concetti di rotore, come rotori rallentati, rotori fermi, rotori pieghevoli e rotori a diametro variabile, sono stati studiati per i progetti successivi, ma gli ingegneri Bell Kenneth Wernicke e Bob Lichten li ritennero impossibili rispetto all'esperienza con il progetto XV-3.

Progressi tecnologici

Uno dei maggiori problemi con i primi progetti di velivoli a motori basculanti era che gli alberi di trasmissione che fornivano energia dalla fusoliera ai rotori, insieme al cambio e ai meccanismi di inclinazione delle punte delle ali, avevano carichi sostanziali posti su di loro ed erano troppo pesanti. Stavano trasferendo grandi quantità di energia e coppia su lunghe distanze per un sistema di trasmissione di potenza dell'aeromobile.

Il velivolo sperimentale XV-15 introdusse un importante avanzamento del concetto di design: al posto dei motori nella fusoliera, l’XV-15 posizionò i motori verso le gondole motore delle ali rotanti, direttamente accoppiati. Il percorso normale per la potenza era diretto dal motore tramite riduttore nel rotore / elica senza lunghi alberi di trasmissione. C'era ancora un albero di trasmissione lungo le ali in caso di emergenza per trasferire la potenza al rotore opposto in caso di avaria ad un motore; quell’albero, normalmente non portava alcun carico di potenza; ciò lo rendeva più leggero.

Il concetto di motore basculante ha introdotto complessità nella progettazione dei motori e dei gruppi motore per poter passare dal funzionamento in orizzontale al funzionamento in verticale. Tali problemi sono stati affrontati abbastanza presto nel programma XV-15.

Tra la fine degli anni '60 e l'inizio degli anni '70, la NASA e altri ricercatori hanno lavorato ampiamente ai test teorici e in galleria del vento di vari pod rotori. Due aziende sono state coinvolte nella ricerca e nella proposta di progetti: Bell Helicopter e Boeing Vertol. L'attenzione era focalizzata sui pod dei rotori di inclinazione, sull'integrazione dei rotori di inclinazione con le ali e sulla fusoliera dell'aeromobile e sullo studio del flusso d'aria mentre i rotori si inclinavano. Sono stati anche studiati i rotori di inclinazione con rotori fissi e con rotori pieghevoli.

Progetto XV-15

Quello che doveva diventare il programma XV-15 fu lanciato nel 1971 presso il Centro ricerche Ames della NASA. Dopo i lavori preliminari, fu indetto un concorso per aggiudicare due contratti di ricerca e sviluppo da 0,5 milioni di dollari per i prototipi. Le aziende che risposero includevano la Sikorsky Aircraft, la Grumman Aircraft, la Boeing Vertol e la Bell Helicopter.

Il 20 ottobre 1972 furono emessi contratti di ricerca e sviluppo per Bell Helicopter e Boeing Vertol. Le proposte di progettazione delle due società furono consegnate il 22 gennaio 1973.

Disegni in competizione

Boeing Vertol propose il suo modello 222 (da non confondere con il successivo elicottero convenzionale Bell 222), in cui i motori erano in gondole fisse alla fine di ogni ala, e un piccolo pod rotante con il rotore era leggermente più vicino alla fusoliera sull'ala. Questo design semplificò il design del motore mantenendolo sempre orizzontale senza avere alberi di trasmissione molto lunghi con i rotori inclinabili.

Nel design Bell Model 301, l'intero pod a forma di ala ruotava tra orizzontale e verticale, con il motore e il gruppo rotore fissati insieme all'interno del pod. Ciò semplificò la trasmissione della potenza, ma presentava requisiti più complicati per la progettazione del motore ed era probabilmente leggermente più pesante della proposta Boeing.

Dopo una revisione di entrambe le proposte, la NASA scelse il Bell 301 per ulteriori sviluppi e firmò un contratto per ulteriori attività di ricerca e sviluppo che fu emesso il 31 luglio 1973. Ingegneria e test approfonditi richiesero quattro anni per completare lo sviluppo del velivolo. Il primo dei due Bell XV-15, numero N702NA, volò per la prima volta il 3 maggio 1977. Dopo prove di volo minime presso la struttura di prova Bell, l'aereo fu trasferito al Centro di ricerca Ames a Mountain View, in California, dove fu poi montata la grande galleria a vento di Ames e fu ampiamente testato in vari ambienti di volo simulati.

Per il programma aeronautico di decollo / atterraggio verticale del Dipartimento della Difesa statunitense (JVX), Bell Helicopter e Boeing Vertol si sono uniti per presentare un'offerta per una versione ingrandita dell’XV-15 nel 1983. Il team Bell Boeing ebbe un contratto di progettazione preliminare quell'anno, che condusse al definitivo e operativo Bell Boeing V-22 Osprey.

Test di volo

Dopo la galleria del vento e i test di volo effettuati da Bell, l'aereo fu quindi trasferito alla NASA Dryden, che si trova alla base aeronautica di Edwards, nell'alto deserto della California. I test di volo XV-15 continuarono ad espandere l’inviluppo di volo. Fu presto in grado di operare con successo sia in modalità elicottero che in normali modalità di volo e di transitare senza problemi tra i due. Una volta considerato sufficientemente collaudato, l'aeromobile fu restituito al Centro ricerche Ames per ulteriori test.

Gli XV-15 furono considerati sufficientemente testati ed uno fu portato allo Paris air Show del 1981 per voli dimostrativi. Il New York Times elogiò le sue prestazioni e per lo spettacolo: la macchina aveva eseguito una serie di manovre tra cui un inchino verso la folla. Nel corso dell'anno successivo, al senatore Barry Goldwater, al segretario della Marina John Lehman e ad altri funzionari furono offerti voli di co-pilotaggio per promuovere la tecnologia dei rotori basculanti per gli ulteriori sviluppi in campo militare.

I convertiplani XV-15 rappresentarono una dimostrazione standard durante l'airshow annuale estivo presso la Moffett Field Naval Air Station per diversi anni negli anni '80. Entrambi gli XV-15 si portarono in volo durante gli anni '80 testando l'aerodinamica e le applicazioni del rotore inclinabile per i tipi di aeromobili civili e militari che seguirono: il programma V-22 e l’AW609.

La Federazione Aeronautica Internazionale classificò l’XV-15 come Rotodyne, e come tale il mezzo detiene il record di velocità di 456 chilometri orari (283 mph), e 3 km e 6 km in salita.

Ulteriori test

Il primo velivolo prototipo XV-15, N702NA, fu trasferito di nuovo alla Bell per lo sviluppo e l'uso dimostrativo dell'azienda. Il 20 agosto 1992, l'aereo si schiantò mentre veniva pilotato da un pilota ospite. Stava decollando per un passaggio finale quando un bullone scivolò fuori dal sistema di controllo collettivo su di un pilone, facendo sì che quel rotore andasse al massimo. L'aereomobile fuori controllo e si schiantò capovolto. Sebbene significativamente danneggiato, l'aereo era sostanzialmente strutturalmente intatto e sia il pilota che il copilota riportarono solo lievi ferite dall'incidente. La cabina di pilotaggio dell'aeromobile fu recuperata e convertita per essere utilizzata come simulatore di volo.

Il secondo prototipo XV-15, N703NA, fu utilizzato per i test a supporto del programma di inclinazione del rotore militare dell’Osprey V-22 e dei prototipi del Bell / Agusta BA609. I di test della NASA proseguirono fino al mese di settembre del 2003. La distanza di decollo più breve fu raggiunta con le gondole motore con un angolo di 75 gradi.

Dopo che N703NA fu ritirato dalle operazioni di prova, fu donato allo Smithsonian National Air and Space Museum di Washington, DC. Il XV-15 fu trasportato attraverso il paese da Fort Worth, in Texas, al museo prima di essere ritirato per essere esposto. Ora è in mostra presso la Steven F. Udvar-Hazy Center a Washington Dulles International Airport.

Specifiche (XV-15)

Caratteristiche generali:

Equipaggio: due (pilota, copilota)
Lunghezza: 42 ft 1 in (12,83 m
Apertura alare: 17,42 m (57 ft 2 in) con rotori rotanti)
Diametro del rotore: 7,62 m
Altezza: 3,86 m (12 piedi 8 pollici)
Airfoil : NACA 64A015
Peso a vuoto : 4.574 kg
Max. peso al decollo : 6.000 kg (13.000 lb)
Potenze del motore:
1.550 shp (1.156 kW) potenza al decollo normale (10 min max)
1.802 shp (1.354 kW) potenza di emergenza (2 min max)
Peso del carburante: 651 kg (1.436 lb)
Motopropulsore: 2 × motore turboshaft Avco Lycoming LTC1K-4K (modificato T53-L-13B ), 1.550 shp (1.156 kW) ciascuno.

Prestazioni:

Velocità massima : 300 nodi (345 mph, 557 km / h)
Velocità di stallo : 100 nodi in modalità aereo (115 mph, 185 km / h)
Gamma : 445 nmi (515 mi, 825 km)
Massimale di servizio : 8.840 m (29.500 piedi)
Caricamento del disco : 13,2 lb / ft 2 (73 kg / m 2 )
Carico di potenza: 1,35 kg / kW
Altitudine di volo sospeso: 2.635 m (2.635 m) fuori effetto suolo.

ENGLISH

The Bell XV-15 is an American tiltrotor VTOL aircraft. It was the second successful experimental tiltrotor aircraft and the first to demonstrate the concept's high speed performance relative to conventional helicopters.

Development

Early VTOL rotor aircraft

The idea of building Vertical Take-Off and Landing aircraft using helicopter-like rotors at the wingtips originated in the 1930s. The first design resembling modern tiltrotors was patented by George Lehberger in May 1930, but he did not develop the concept further. In World War II, a German prototype called the Focke-Achgelis Fa 269 was developed starting in 1942, but it never flew.

Two prototypes that made it to flight were the one-seat Transcendental Model 1-G and two-seat Transcendental Model 2, both powered by single reciprocating engines. Development started on the Model 1-G in 1947, and it flew in 1954. The Model 1-G flew until a crash in Chesapeake Bay on 20 July 1955, destroying the prototype aircraft but not seriously injuring the pilot. The Transcendental 1-G was the first tiltrotor aircraft to have flown, and it accomplished most of a helicopter-to-aircraft transition in flight to within ten degrees of true horizontal aircraft flight. The Model 2 was developed and flew shortly afterward, but it did not fly much beyond hover tests. The United States Air Force withdrew funding in favor of the Bell XV-3.

The Bell XV-3 was first flown in 1955. Like its predecessors, the XV-3 had the engines in the fuselage and driveshafts transferring power out to tilting wingtip rotor assemblies.

Other rotor concepts, such as slowed rotors, stopped rotors, folding rotors, and variable-diameter rotors, were investigated for subsequent designs, but Bell engineers Kenneth Wernicke and Bob Lichten deemed them unfeasible compared to experience with the XV-3 project.

Technological advances

One of the major problems with the early tiltrotor aircraft designs was that the driveshafts carrying power from the fuselage out to the wingtip rotors, along with the gearbox and tilting mechanisms at the wingtips, had substantial loads placed upon them and were heavy. They were transferring large amounts of power and torque long distances for an aircraft power transmission system.

The XV-15 experimental aircraft introduced a major design concept advance: instead of engines in the fuselage, the XV-15 moved the engines out to the rotating wingtip pods, directly coupled to the rotors. The normal path for power was directly from the engine into a speed-reduction gearbox and into the rotor/propeller without any long shafts involved. There was still a driveshaft along the wings for emergency use to transfer power to the opposite rotor in case of engine failure, but that shaft did not normally carry any power loads, making it lighter.

The tilting engine concept introduced complexities in the design of the engines and engine pods to be able to shift from operating horizontally to operating vertically. Those problems were addressed fairly early in the XV-15 program.

In the late 1960s and early 1970s, NASA and other researchers worked extensively on theoretical and wind tunnel tests of various rotor pods. Two companies were involved in the research and proposing designs: Bell Helicopter and Boeing Vertol. The focus was on tilt-rotor pods, integration of the tilting rotors with the wings and fuselage of the aircraft, and studying the airflow as the rotors tilted. Tilt rotors with fixed rotors and with folding rotors were investigated.

XV-15 project

What was to become the XV-15 program was launched in 1971 at NASA Ames Research Center. After preliminary work, a competition was held to award two $0.5 million research and development contracts for prototype designs. Companies that responded included Sikorsky Aircraft, Grumman Aircraft, Boeing Vertol, and Bell Helicopter.

R&D contracts were issued to Bell Helicopter and Boeing Vertol on 20 October 1972. The two companies' design proposals were delivered on 22 January 1973.

Competing designs

Boeing Vertol proposed its Model 222 (not to be confused with the later Bell 222 conventional helicopter), in which the engines were in fixed pods at the end of each wing, and a small, rotating pod with the rotor was slightly closer to the fuselage on the wing. This design simplified the engine design by keeping it horizontal at all times without having very long driveshafts to the tilting rotors.

In the Bell design, Bell Model 301, the whole wingtip pod rotated between horizontal and vertical, with the engine and rotor assembly fixed together within the pod. This simplified the power transmission, but it had more complicated requirements for the engine design and was probably slightly heavier than the Boeing proposal.

After a review of both proposals, NASA selected the Bell 301 for further development, and a contract for further R&D was issued on 31 July 1973. Extensive engineering and testing took the next four years to complete the development of the aircraft. The first of two Bell XV-15s, tail number N702NA, first flew on 3 May 1977. After minimal flight tests at the Bell test facility, the aircraft was moved to Ames Research Center in Mountain View, California, where it was then mounted in the large Ames wind tunnel and tested extensively in various simulated flight environments.

For the U.S. Department of Defense Joint-service Vertical take-off/landing Experimental (JVX) aircraft program, Bell Helicopter and Boeing Vertol teamed to submit a bid for an enlarged version of the XV-15 in 1983. The Bell Boeing team received a preliminary design contract that year, which led to the Bell Boeing V-22 Osprey.

Flight testing

Following wind tunnel and flight testing by Bell, the aircraft was then moved to NASA Dryden, which is at Edwards Air Force Base in the California High Desert. The XV-15 flight testing continued expanding its flight envelope. It was able to successfully operate in both helicopter and normal aircraft flight modes and smoothly transition between the two. Once the aircraft was considered sufficiently tested, it was returned to Ames Research Center for further testing.

The XV-15s were deemed sufficiently tested, and one aircraft was taken to the 1981 Paris Air Show for demonstration flights. The New York Times praised its performance. "And if ever there was a lovable plane, it is the Bell XV-15... The machine, the hit of the show, performed a series of maneuvers including bowing to the crowd." Over the next year, Senator Barry Goldwater, Navy Secretary John Lehman, and other officials were offered guest co-piloting flights to promote tiltrotor technology for military development.

The XV-15s were a standard demonstration in the annual summer airshow at the co-located Moffett Field Naval Air Station for several years during the 1980s. Both XV-15s were flown actively throughout the 1980s testing aerodynamics and tiltrotor applications for civilian and military aircraft types that might follow, including the V-22 and AW609 program.

The Fédération Aéronautique Internationale classifies the XV-15 as a Rotodyne, and as such it holds the speed record of 456 kilometres per hour (283 mph), and the 3 km and 6 km time-to-climb.

Further testing

The first XV-15 prototype aircraft, N702NA, was transferred back to Bell for company development and demonstration use. On 20 August 1992, the aircraft crashed while being flown by a guest test pilot. He was lifting off for a final hover when a bolt slipped out of the collective control system on one pylon, causing that rotor to go to full pitch. The aircraft rolled upside down out of control and crashed inverted. While significantly damaged, the aircraft was largely structurally intact and both the pilot and copilot escaped with only minor injuries from the crash. The cockpit of the aircraft was salvaged and converted for use as a flight simulator.

The second XV-15 prototype, N703NA, was used for tests to support the V-22 Osprey military tiltrotor program and Bell/Agusta BA609 civilian medium tiltrotor transport aircraft. It continued in primarily NASA test operations until September 2003. The shortest takeoff distance was achieved with the nacelles at 75 degrees angle.

After N703NA was retired from test operations, it was donated to the Smithsonian National Air and Space Museum in Washington, D.C. The XV-15 was flown cross-country from Fort Worth, Texas to the museum before being decommissioned for display. It is now on display at the Steven F. Udvar-Hazy Center at Washington Dulles International Airport.

Specifications (XV-15)

General characteristics:

Crew: two (pilot, copilot)
Length: 42 ft 1 in (12.83 m
Wingspan: 57 ft 2 in (17.42 m) with turning rotors)
Rotor diameter: 25 ft (7.62 m)
Height: 12 ft 8 in (3.86 m)
Airfoil: NACA 64A015
Empty weight: 10,083 lb (4,574 kg)
Max. takeoff weight: 13,000 lb (6,000 kg)
Engine power ratings:
1,550 shp (1,156 kW) normal takeoff power (10 min max)
1,802 shp (1,354 kW) emergency power (2 min max)
Fuel weight: 1,436 lb (651 kg)
Powerplant: 2 × Avco Lycoming LTC1K-4K (modified T53-L-13B) turboshaft engine, 1,550 shp (1,156 kW) each.