دمج أنظمة الدفع التوربينية المروحية والمكبسية في الأنظمة الجوية غير المأهولة (UAS) بعيدة المدى
لماذا تجلب الأنظمة الجوية غير المأهولة (MALE UAS) المزودة بمحركات توربينية مروحية ومكبسية مشكلة دمج لا تواجهها الطائرات بدون طيار الكهربائية أبداً، وما تظهره الطائرات الحقيقية، وما يجب اختباره.
إن قرار اختيار نظام الدفع لطائرات MALE أو HALE هو تخصص مختلف تماماً عن اختيار محرك كهربائي ومروحة. فالمحرك التوربيني المروحي أو المحرك المكبسي الذي يعمل بالوقود الثقيل يجلب معه مأخذ هواء، وعادم، ونظام تبريد، ومروحة كبيرة بما يكفي للتفاعل بشكل ملموس مع هيكل الطائرة المثبتة عليه — كل ذلك عند سرعة طيران وارتفاع حقيقيين، وليس في بيئة السرعة المنخفضة ورقم رينولدز المنخفض التي تعمل فيها الطائرات بدون طيار الكهربائية الصغيرة.
1. محركان حقيقيان، ومشكلتا دمج حقيقيتان
يوضح المثالان الرائدان في هذه الفئة مدى اختلاف معنى "الدفع" حتى داخل نفس عائلة الطائرات. كانت طائرة MQ-1 Predator الأصلية تعمل بمحرك Rotax 914F واحد، وهو محرك مكبسي رباعي الأسطوانات ورباعي الأشواط مزود بشاحن توربيني بقوة تبلغ حوالي 115 حصاناً ، مبرد بالهواء عند الأسطوانات ومبرد بالماء عند الرؤوس، ويدفع مروحة دافعة ثنائية الشفرات ثابتة السرعة — كانت الطائرة تحلق بسرعة تتراوح تقريباً بين 84 إلى 135 ميلاً/ساعة، على ارتفاع حوالي 25,000 قدم، لأكثر من 24 ساعة متواصلة.
أما خليفتها الأكبر، طائرة MQ-9 Reaper ، فتعمل بمحرك توربيني مروحي من طراز Honeywell TPE331-10 مزود بنظام تحكم إلكتروني رقمي في المحرك ، والذي يدفع أيضاً مروحة دافعة خلفية متعددة الشفرات يمكن التحكم في خطوتها . ووفقاً لشركة General Atomics، تعمل الطائرة على ارتفاع يصل إلى 50,000 قدم، وتحلق بسرعة جوية حقيقية تبلغ 240 عقدة (KTAS)، وتتمتع بمدة بقاء في الجو تزيد عن 27 ساعة.
اختارت كلتا الطائرتين نفس البنية الأساسية — مروحة دافعة مثبتة في الجزء الخلفي من جسم الطائرة — على الرغم من أن إحداهما تعمل بالبنزين من خلال محرك مكبسي والأخرى تعمل بوقود النفاثات من خلال محرك توربيني مروحي. هذا الاختيار البنيوي ليس عرضياً بالنسبة لبرنامج نفق الرياح؛ بل هو أمر مركزي فيه.
2. لماذا يمثل تصميم المروحة الدافعة مشكلة اختبار بحد ذاته
المروحة الدافعة المثبتة خلف جسم الطائرة لا تواجه هواءً حراً نقياً — بل تبتلع الأثر المضطرب الناتج عن جسم الطائرة، واعتماداً على التصميم الهندسي، الجناح ومجموعة الذيل التي أمامها. هذا التدفق الداخل يكون مشوهاً بالفعل قبل أن يصل إلى قرص المروحة، وبدورها تقوم المروحة بتغذية دوامتها واضطراب الضغط الخاص بها إلى الأمام نحو مجال تدفق الذيل. إن اختبار المروحة وحدها على منصة الاختبار، أو الاختبار الديناميكي الهوائي للجناح وحده، لا يصف أي جانب من هذا التفاعل — فكل منهما لا يكون منطقياً إلا عند قياسه في وجود الآخر.
يعكس هذا اكتشافاً أوسع وموثقاً في أبحاث دمج مدخل المروحة ودفع هيكل الطائرة: إن وجود المروحة يغير بشكل ملموس توزيع الضغط الكلي ويُحدث تشوهاً دوامياً، كما أن تأثيرات تدفق السحب والعادم على هيكل الطائرة المدمج بنظام الدفع يمكن أن تغير نسبة الرفع إلى السحب وعزم الخطران — وهي تأثيرات لا تظهر إلا عند اختبار نظام الدفع وهيكل الطائرة معاً، وليس بشكل منفصل.
3. ما يجب أن يغطيه اختبار الدمج فعلياً
- هيكل الطائرة بالكامل مع وجود مروحة تمثيلية ، وليس نتيجة منصة قياس دفع للمروحة وحدها مضافة إلى منحنى قطبي لهيكل طائرة نظيف — فتكوين المروحة الدافعة يعني تحديداً أن الاثنين ليسا مستقلين.
- جودة التدفق الداخل عبر غلاف الطيران. يجب أن يوفر مأخذ الهواء في المحرك التوربيني المروحي استرداداً مقبولاً للضغط ومستويات تشوه مقبولة لواجهة المحرك عند الطيران، والتسلق، وأي حالة زاوية هجوم عالية يتضمنها ملف المهمة — وهو متطلب لا يوجد له مثيل في المحرك الكهربائي.
- تأثيرات دمج العادم على السحب وعزم الخطران ، نظراً لأن تدفق السحب والعادم موثق بأنه يغير كليهما بشكل ملموس، وتعتمد مهام فئة MALE على كفاءة الطيران حيث تتراكم عقوبات السحب الصغيرة على مدار رحلات تزيد مدتها عن 24 ساعة.
- حساب سحب التبريد لمحطة طاقة مكبسية تحديداً — فالمحرك المكبسي المبرد بالسائل أو الهواء يولد سحب تدفق تبريد لا يولده المحرك الكهربائي ببساطة، ويجب تسجيله في نفس الاختبار كجزء من ميزانية السحب الكلية لهيكل الطائرة.
- تفاعل الأثر المضطرب للمروحة مع الذيل ، نظراً لأن تصميم المروحة الدافعة يضع مجموعة الذيل مباشرة في، أو بالقرب من، التدفق الداخل للمروحة وتيار الدفع — وهو اقتران يتغير مع إعدادات الطاقة وزاوية الهجوم.
4. خمسة أخطاء نلاحظها
- اختبار المروحة وهيكل الطائرة كحملتين منفصلتين. في تكوين المروحة الدافعة، يأتي التدفق الداخل للمروحة من الأثر المضطرب لهيكل الطائرة، ويتشكل تدفق ذيل هيكل الطائرة بواسطة المروحة — ولا يمكن لأي اختبار بمفرده التقاط هذا الاقتران.
- تخطي قياس تشوه المدخل بحجة أن "الشركة المصنعة للمحرك تحدده". تفترض مواصفات الشركة المصنعة تدفقاً داخلاً نظيفاً وغير مشوه؛ فالتشوه الناتج عن التركيب في هيكل الطائرة هو تأثير تركيبي لا يمكن لورقة مواصفات المحرك التنبؤ به.
- التعامل مع سحب التبريد كفكرة لاحقة لدمج المحرك. بالنسبة لمحطة الطاقة المكبسية، يعد تدفق التبريد جزءاً من ميزانية سحب الطائرة منذ اليوم الأول، وليس تصحيحاً يتم تطبيقه بعد الانتهاء من الاختبار الديناميكي الهوائي.
- افتراض أن الدفع التوربيني المروحي والمكبسي يتشاركان في خطة اختبار واحدة. إن متطلبات استرداد ضغط المدخل للمحرك التوربيني المروحي ومتطلبات تدفق هواء التبريد للمحرك المكبسي هي مشكلات فيزيائية مختلفة تتطلب أجهزة قياس مختلفة.
- عدم الاختبار عبر إعدادات طاقة مختلفة. يتغير تفاعل تيار دفع المروحة مع الذيل باختلاف الدفع، لذا فإن اختبار إعداد طاقة واحد يغفل كيفية تغير هذا الاقتران عبر ملف المهمة الفعلي — فطاقة التسلق، والطيران، والتحويم ليست نقاط اختبار قابلة للتبادل.
5. ماذا يعني هذا لبرنامجك
أخبرنا بنوع محركك، وتكوين المروحة، وملف طاقة المهمة ، وسنقوم بتحديد نطاق اختبار دمج هيكل الطائرة والدفع الذي يلتقط تأثيرات المدخل، والعادم، والتبريد، وتيار الدفع معاً — وليس كاختبارات منصة منفصلة مضافة إلى منحنى قطبي لهيكل طائرة نظيف. قراءة ذات صلة: مقالنا الرئيسي حول
long-range fixed-wing UAS testing.
المصادر والملاحظات
- نظام دفع MQ-1 Predator (محرك مكبسي Rotax 914F رباعي الأسطوانات مزود بشاحن توربيني بقوة تبلغ حوالي 115 حصاناً، أسطوانات مبردة بالهواء مع رؤوس مبردة بالماء، مروحة دافعة ثنائية الشفرات ثابتة السرعة، سرعة طيران تتراوح تقريباً بين 84-135 ميلاً/ساعة على ارتفاع حوالي 25,000 قدم لمهام تزيد عن 24 ساعة): يتوافق مع مواصفات المحرك المنشورة من قبل الشركة المصنعة (صفحة منتج Rotax, "914 UL | F") وتاريخ برنامج General Atomics MQ-1 Predator.
- نظام دفع MQ-9A Reaper (محرك توربيني مروحي Honeywell TPE331-10 مزود بنظام تحكم إلكتروني رقمي في المحرك، أقصى ارتفاع 50,000 قدم، سرعة طيران 240 عقدة (KTAS)، مدة بقاء في الجو تزيد عن 27 ساعة): General Atomics Aeronautical Systems, "MQ-9A Reaper (Predator B)".
- تكوين المروحة الدافعة المثبتة في الخلف على كل من هياكل طائرات Predator و Reaper هو ميزة موثقة في تصميم عائلة General Atomics Predator/Reaper.
- تأثيرات دمج مدخل المروحة (تغيرات ملموسة في توزيع الضغط الكلي والتشوه الدوامي مع تنشيط المروحة) وتأثيرات دمج السحب/العادم على نسبة الرفع إلى السحب وعزم الخطران هي نتائج موثقة في المنشورات الخاصة باختبارات نفق الرياح والمحاكاة لدمج مدخل المروحة ودفع هيكل الطائرة.
- إرشادات منهجية الاختبار (الاختبار المشترك للمروحة وهيكل الطائرة، قياس تشوه المدخل، حساب سحب التبريد، اختبار تيار الدفع بإعدادات طاقة متعددة) هي من الممارسات الهندسية لشركة TunnelTech.