Сертификационни изпитвания за обледеняване на големи БЛА с фиксирано крило

Обледеняването при малките електрически безпилотни летателни апарати (БЛА) обикновено се решава с отопляемо витло или отопляема тръба на Пито — целево решение за малък компонент с ограничено захранване. Обледеняването при летателни апарати от клас MALE или HALE е проблем от съвсем различен порядък: това е изискване за сертифициране на целия летателен апарат, основано на стандарти и тествано спрямо същия профил на обледеняване, за който се сертифицират пилотираните транспортни самолети, тъй като при този мащаб машината лети в същите метеорологични условия.

1. Стандартът за сертифициране е същият като при пилотираните самолети

Референтното съоръжение за този клас изпитвания е Icing Research Tunnel (IRT) на НАСА в изследователския център Glenn — един от най-големите хладилни аеродинамични тунели в света, посветен на обледеняването на въздухоплавателни средства, и съоръжение, което изрично възпроизвежда стандарта за сертифициране за обледеняване на FAA във Федералните авиационни правила (FAR), Част 25, Приложение C . Публикуваните му характеристики показват какво всъщност изисква „пълномащабното сертифициране за обледеняване“:

Изпитателна секция с размери 6 фута височина × 9 фута ширина × 20 фута дължина
Скорост на въздуха в изпитателната секция от 50 до 350 възела
Обща температура в изпитателната секция от –25°C до 5°C
Съдържание на течна вода от 0,2 до 3,0 g/m³ , с равномерност на облака, поддържана до ±10%
Медианен обемен диаметър на капките от 15 до 50 µm
Равномерен облак на обледеняване, покриващ 4,5 на 6 фута от изпитателната секция
Симулиран дебит на отбор на въздух от двигателя до 1 lb/s , за тестване на термични противообледенителни системи, използващи горещ въздух от компресора

IRT тества пълноразмерни компоненти на въздухоплавателни средства, както и мащабни модели на самолети и хеликоптери, а списъкът с клиенти — Boeing, Bell Helicopter, Goodrich, Cessna, Sikorsky, плюс Сухопътните войски, Военноморските и Военновъздушните сили на САЩ — отразява факта, че това е инфраструктура от сертификационен клас, а не изследователска екзотика. По-скорошните кампании на НАСА за изпитване на обледеняване също разшириха работата по калибриране към по-новите условия на Приложение O за преохладени големи капки (SLD) , които както FAA, така и EASA вече изискват наред с първоначалния профил по Приложение C.

2. Защо самата технология за защита от обледеняване се различава според мащаба

Технологията за защита от обледеняване се разделя ясно според мащаба на летателния апарат и това разделение има физическа причина: наличната мощност. Електротермичното нагряване — подходът, типичен за малките БЛА — е ограничено от силата на тока на батерията, която една малка електрическа платформа може да осигури, поради което обикновено се ограничава до малки, критично важни компоненти като витло или сонда на Пито, а не до цялото крило.

Голям, задвижван с гориво летателен апарат от клас MALE или HALE има напълно различен енергиен бюджет и това отваря възможност за термична защита от обледеняване чрез отбор на въздух от двигателя , отвеждан до атакуващия ръб на крилото чрез тръба тип „пиколо“ — същата основна архитектура, която пилотираните транспортни самолети използват от десетилетия, и която спестява на летателния апарат необходимостта да носи капацитет за генериране на електроенергия, какъвто би изисквала една изцяло електрическа система за защита от обледеняване. Документираните примери в този мащаб включват RQ-4 Global Hawk , чиято противообледенителна система на обтекателя на двигателя черпи топлина, извлечена от хидравличната система на летателния апарат, а не от отбор на въздух — напомняне, че „термичната защита“ на голям БЛА може да бъде проектирана от повече от един бордови източник на топлина, а правилният избор зависи от специфичната системна архитектура на летателния апарат.

3. Какво трябва да обхваща кампанията за изпитване на обледеняване на големи БЛА с фиксирано крило

Тестване спрямо действителния сертификационен профил , а не при произволни студени и влажни условия — съдържанието на течна вода, размерът на капките и температурните комбинации по Приложение C са точно определени, тъй като различните комбинации създават различни форми на леда и различни аеродинамични загуби.
Условия за преохладени големи капки по Приложение O наред с Приложение C , тъй като SLD обледеняването води до натрупване на лед по-назад по аеродинамичния профил в сравнение с класическото обледеняване по Приложение C, на място, което системите за защита от обледеняване, проектирани само за Приложение C, може да не покриват.
Цялата термична система, а не само нагряваната повърхност — за система с отбор на въздух това означава тестване на въздуховодите, разпределението през тръбата тип „пиколо“ и подаването на топлина при симулиран дебит от двигателя, а не просто изолирано измерване на отделянето на лед от нагрят панел.
Аеродинамични характеристики с прикрепени реалистични форми на лед , тъй като сертифицирането в крайна сметка се отнася до летателните качества на апарата с леда, за който е проектирана защитната система — а не само дали защитната система предотвратява образуването на лед в най-добрия случай.
Пълноразмерни компоненти, където сертификационната база го изисква — документираният капацитет на IRT да тества пълноразмерни компоненти на въздухоплавателни средства съществува именно защото физиката на натрупване на лед върху някои компоненти не се мащабира точно към малък модел.

4. Пет грешки, които наблюдаваме

Разглеждане на защитата от обледеняване като електротермичен проблем на ниво компонент при всеки мащаб на летателния апарат. Това, което работи за витлото на малък БЛА, не може да се екстраполира към крило на MALE/HALE — енергийният бюджет и сертификационната база са напълно различни.
Тестване само по Приложение C и допускане, че това покрива „обледеняването“. Условията за преохладени големи капки по Приложение O вече са отделна, задължителна част от сертификационната база за много програми и те обледеняват различна част от аеродинамичния профил.
Валидиране на източника на топлина без валидиране на системата за доставка. Разпределението през тръбата тип „пиколо“ и загубите във въздуховодите на системата за отбор на въздух са също толкова важни, колкото и наличната сурова топлина — система, която работи на хартия, може да се окаже недостатъчно ефективна в края на крилото.
Измерване на предотвратяването на лед без измерване на аеродинамичните загуби. Сертифицирането не е просто „образува ли се лед“ — то е „как лети апаратът с формите на лед, спрямо които е валидирана защитната система“.
Допускане, че мащабен модел обхваща всичко, което би показал пълноразмерен компонент. Физиката на натрупване на лед е една от областите, където мащабните ефекти са най-безкомпромисни, което е и точната причина, поради която аеродинамичните тунели от сертификационен клас тестват директно пълноразмерни компоненти.

5. Какво означава това за вашата програма

Споделете с нас вашата сертификационна база и архитектура за защита от обледеняване и ние ще изготвим програма за изпитване спрямо действителния профил по Приложение C и Приложение O, за който вашият летателен апарат трябва да бъде сертифициран — а не просто обща проверка за студено време. Свързано четиво: нашата основна статия за

long-range fixed-wing UAS testing

Източници и бележки

Характеристики на съоръжението Icing Research Tunnel на НАСА (изпитателна секция 6 фута × 9 фута × 20 фута, скорост на въздуха 50–350 възела, обща температура –25°C до 5°C, съдържание на течна вода 0,2–3,0 g/m³ с ±10% равномерност на облака, MVD на капките 15–50 µm, равномерен облак на обледеняване 4,5 на 6 фута, симулиран дебит на отбор на въздух от двигателя до 1 lb/s, възпроизвеждане на стандартите за сертифициране за обледеняване на FAA FAR Част 25 Приложение C, тестване на пълноразмерни компоненти на въздухоплавателни средства и мащабни модели на самолети и хеликоптери, и клиентска база, включваща Boeing, Bell Helicopter, Goodrich, Cessna, Sikorsky и военните служби на САЩ): NASA Glenn Research Center / NASA Aeronautics Test Program, "Icing Research Tunnel" fact sheet.
Разширяването на работата по калибриране на IRT към условията за преохладени големи капки (SLD) по Приложение O на FAA/EASA в по-скорошни тестови кампании на НАСА е документирано в последващи публикации за изследване на обледеняването на NASA Glenn на сървъра за технически доклади на НАСА.
Електротермичната защита от обледеняване като типичен подход за малки компоненти на БЛА с ограничено захранване, спрямо термичната защита чрез отбор на въздух през тръба тип „пиколо“ като подход, подходящ за големи, задвижвани с гориво летателни апарати HALE, и противообледенителната система на обтекателя на двигателя на RQ-4 Global Hawk, черпеща топлина от хидравличната система на летателния апарат: в съответствие с публикуваната литература за системи за защита от обледеняване на въздухоплавателни средства.
Информация за летателния апарат RQ-4B Global Hawk (клас HALE): в съответствие с нашата публикувана статия за тестване на БЛА с фиксирано крило с голям обсег (MALE, HALE и VTOL).
Насоките за методологията на изпитване (тестване на пълния профил по Приложение C и Приложение O, термично валидиране на цялата система, измерване на аеродинамичните загуби с прикрепени форми на лед, тестване на пълноразмерни компоненти) са инженерна практика на TunnelTech, която директно отговаря на характеристиките на съоръженията от сертификационен клас, документирани по-горе.

Сертифициране за обледеняване и всякакви метеорологични условия на големи безпилотни летателни апарати (БЛА) с фиксирано крило