Интеграция на турбовитлови и бутални двигатели при UAS с голям обсег
Защо MALE UAS с турбовитлови и бутални двигатели създават проблем с интеграцията, с който електрическите дронове никога не се сблъскват, какво показват реалните летателни апарати и какво трябва да се тества.
Изборът на задвижване за MALE или HALE летателен апарат е напълно различна дисциплина от избора на електродвигател и витло. Турбовитловият или буталният двигател на тежко гориво идва с въздухозаборник, изпускателна система, охладителна система и витло, достатъчно голямо, за да взаимодейства значително с планера, на който е монтирано — всичко това при реална крейсерска скорост и височина, а не в режима на ниска скорост и ниско число на Рейнолдс, в който оперира малкият електрически UAV.
1. Два реални двигателя, два реални проблема с интеграцията
Двата водещи примера в този клас илюстрират колко различно може да бъде значението на „задвижване“ дори в рамките на едно и също семейство летателни апарати. Оригиналният MQ-1 Predator се задвижваше от един Rotax 914F, четирицилиндров, четиритактов бутален двигател с турбокомпресор с мощност около 115 hp , с въздушно охлаждане на цилиндрите и водно охлаждане на главите, задвижващ двупало тласкащо витло с постоянна скорост — апаратът летеше с крейсерска скорост от приблизително 84 до 135 mph, на около 25 000 ft, за над 24 часа без прекъсване.
Неговият по-голям наследник, MQ-9 Reaper , се задвижва от турбовитлов двигател Honeywell TPE331-10 с цифрово електронно управление , който също задвижва монтирано отзад многопало тласкащо витло с регулируема стъпка . Според General Atomics, апаратът оперира на височина до 50 000 ft, лети с крейсерска скорост от 240 knots истинска въздушна скорост и има продължителност на полета над 27 часа.
И двата апарата използват една и съща основна архитектура — тласкащо витло , монтирано в задната част на фюзелажа — въпреки че единият работи с бензин чрез бутален двигател, а другият с авиационно гориво чрез турбовитлов двигател. Този архитектурен избор не е случаен за програмата за изпитвания в аеродинамичен тунел; той е централен за нея.
2. Защо конфигурацията с тласкащо витло представлява самостоятелен проблем при изпитванията
Тласкащо витло, монтирано зад фюзелажа, не работи в чист необезпокояван поток — то поглъща аеродинамичната следа на фюзелажа и, в зависимост от геометрията, на крилото и опашното оперение пред него. Този входящ поток вече е изкривен, преди да достигне диска на витлото, а витлото от своя страна предава собственото си завихряне и смущения в налягането напред към полето на потока около опашката. Стендово изпитване само на витлото или аеродинамично изпитване само на крилото не характеризира нито една от страните на това взаимодействие — всяко от тях има смисъл само когато се измерва в присъствието на другото.
Това отразява по-широка, документирана констатация в изследванията за интеграция на витло-въздухозаборник и планер-задвижване: присъствието на витлото измеримо променя разпределението на пълното налягане и внася изкривяване от завихряне, а ефектите от входящия и изходящия поток върху планер с интегрирано задвижване могат да променят аеродинамичното качество и надлъжния момент — ефекти, които се проявяват едва когато задвижващата система и планерът се тестват заедно, а не поотделно.
3. Какво всъщност трябва да обхващат изпитванията за интеграция
- Пълният планер с налично представително витло , а не резултат от стенд за тяга само на витлото, насложен върху полярата на чист планер — конфигурацията с тласкащо витло конкретно означава, че двете не са независими.
- Качество на входящия поток в целия експлоатационен диапазон. Въздухозаборникът на турбовитловия двигател трябва да осигури приемливо възстановяване на налягането и нива на изкривяване към входа на двигателя при крейсерски полет, изкачване и всякакви условия с голям ъгъл на атака, които профилът на мисията включва — изискване, което няма еквивалент при електродвигателите.
- Ефекти от интеграцията на изпускателната система върху челното съпротивление и надлъжния момент , тъй като е документирано, че входящият и изходящият поток измеримо променят и двете, а мисия от клас MALE разчита на крейсерската ефективност, при която малките увеличения на съпротивлението се натрупват по време на полети с продължителност над 24 часа.
- Отчитане на съпротивлението от охлаждането специално за бутални двигатели — бутален двигател с течно или въздушно охлаждане генерира съпротивление от охлаждащия поток, каквото електродвигателят просто не създава, и то трябва да бъде отчетено в същото изпитване като останалата част от бюджета на съпротивлението на планера.
- Взаимодействие на следата от витлото с опашката , тъй като конфигурацията с тласкащо витло поставя опашното оперение директно в или близо до входящия поток и витловата струя — връзка, която се променя в зависимост от режима на мощност и ъгъла на атака.
4. Пет грешки, които забелязваме
- Изпитване на витлото и планера като две отделни кампании. При конфигурация с тласкащо витло, входящият поток към витлото идва от следата на планера, а потокът около опашката на планера се оформя от витлото — нито едно от двете изпитвания самостоятелно не отчита тази връзка.
- Пропускане на измерването на изкривяването на входящия поток, защото „производителят на двигателя го е специфицирал“. Спецификациите на производителя предполагат чист, неизкривен входящ поток; изкривяването при монтиран на планера двигател е инсталационен ефект, който спецификацията на двигателя не може да предвиди.
- Разглеждане на съпротивлението от охлаждането като второстепенен въпрос при интеграцията на двигателя. За бутален двигател охлаждащият поток е част от бюджета на съпротивлението на летателния апарат от първия ден, а не корекция, прилагана след приключване на аеродинамичното изпитване.
- Допускане, че турбовитловите и буталните двигатели споделят един и същ план за изпитване. Изискването за възстановяване на налягането на входа при турбовитлов двигател и изискването за охлаждащ въздушен поток при бутален двигател са различни физични проблеми с различни нужди от измервателна апаратура.
- Липса на изпитвания при различни режими на мощност. Взаимодействието на витловата струя с опашката се променя в зависимост от тягата, така че изпитване само при един режим на мощност пропуска начина, по който тази връзка се изменя в рамките на реалния профил на мисията — мощностите за изкачване, крейсерски полет и патрулиране не са взаимозаменяеми тестови точки.
5. Какво означава това за вашата програма
Споделете с нас вашия тип двигател, конфигурация на витлото и профил на мощността за мисията , и ние ще планираме изпитване за интеграция на планера и задвижването, което обхваща едновременно ефектите от въздухозаборника, изпускателната система, охлаждането и витловата струя — а не като отделни стендови изпитвания, прикрепени към полярата на чист планер. Свързано четиво: нашата основна статия за
long-range fixed-wing UAS testing.
Източници и бележки
- Задвижване на MQ-1 Predator (четирицилиндров бутален двигател с турбокомпресор Rotax 914F с мощност около 115 hp, цилиндри с въздушно охлаждане и глави с водно охлаждане, двупало тласкащо витло с постоянна скорост, крейсерска скорост приблизително 84–135 mph на около 25 000 ft за мисии с продължителност над 24 часа): в съответствие с публикуваните от производителя спецификации на двигателя (Rotax, продуктова страница "914 UL | F") и историята на програмата MQ-1 Predator на General Atomics.
- Задвижване на MQ-9A Reaper (турбовитлов двигател Honeywell TPE331-10 с цифрово електронно управление, максимална височина 50 000 ft, крейсерска скорост 240 KTAS, продължителност на полета над 27 часа): General Atomics Aeronautical Systems, "MQ-9A Reaper (Predator B)".
- Конфигурацията с монтирано отзад тласкащо витло както при планера на Predator, така и при този на Reaper, е документирана характеристика на дизайна на фамилията Predator/Reaper на General Atomics.
- Ефектите от интеграцията на витлото и въздухозаборника (измерими промени в разпределението на пълното налягане и изкривяване от завихряне при активно витло) и ефектите от интеграцията на входящия/изходящия поток върху аеродинамичното качество и надлъжния момент са документирани констатации в публикуваната литература за изпитвания в аеродинамичен тунел и симулации на интеграцията между витло-въздухозаборник и планер-задвижване.
- Насоките за методологията на изпитване (комбинирано изпитване на витло и планер, измерване на изкривяването на входящия поток, отчитане на съпротивлението от охлаждането, изпитване на витловата струя при различни режими на мощност) са инженерна практика на TunnelTech.