Certifikační testování námrazy pro velká UAS s pevnými křídly

Námraza na malém elektrickém UAV se obvykle řeší vyhřívanou vrtulí nebo vyhřívanou Pitotovou trubicí – cílené řešení pro malou součástku s omezeným napájením. Námraza na letounech kategorie MALE nebo HALE představuje zcela jiný řád problému: jde o certifikační požadavek pro celý letoun, který se řídí normami a testuje se vůči stejné obálce námrazy, pro kterou jsou certifikovány pilotované dopravní letouny, protože v tomto měřítku se stroj pohybuje ve stejném počasí.

1. Certifikační norma je stejná jako u pilotovaných letounů

Referenčním zařízením pro tento typ testování je Icing Research Tunnel (IRT) agentury NASA v Glennově výzkumném středisku – jeden z největších chlazených aerodynamických tunelů na světě určených pro výzkum námrazy na letadlech a zařízení, které explicitně replikuje certifikační normu FAA pro námrazu uvedenou v předpisu Federal Aviation Regulation Part 25, Appendix C . Jeho publikované parametry ukazují, co „certifikace námrazy v plném měřítku“ ve skutečnosti vyžaduje:

Zkušební úsek o rozměrech 6 ft na výšku × 9 ft na šířku × 20 ft na délku
Rychlost vzduchu ve zkušebním úseku 50 až 350 knots
Celková teplota ve zkušebním úseku –25 °C až 5 °C
Obsah kapalné vody 0,2 až 3,0 g/m³ , s uniformitou oblaku udržovanou na ±10 %
Střední objemový průměr kapek 15 až 50 µm
Uniformní oblak námrazy pokrývající 4,5 × 6 ft zkušebního úseku
Simulovaný průtok odebíraného vzduchu z motoru až 1 lb/s pro testování tepelných protinámrazových systémů, které využívají horký odebíraný vzduch

Tunel IRT testuje součásti letadel ve skutečné velikosti i zmenšené modely letounů a vrtulníků a jeho seznam zákazníků – Boeing, Bell Helicopter, Goodrich, Cessna, Sikorsky a k tomu americká armáda, námořnictvo a letectvo – odráží skutečnost, že se jedná o infrastrukturu na certifikační úrovni, nikoli o výzkumnou kuriozitu. Novější kampaně testování námrazy v NASA také rozšířily kalibrační práce směrem k novějším podmínkám Appendix O pro přechlazené velké kapky (SLD) , které nyní FAA i EASA vyžadují vedle původní obálky Appendix C.

2. Proč se samotná technologie ochrany proti námraze liší podle měřítka

Technologie ochrany proti námraze se jasně dělí podle velikosti letounu, a to z fyzikálního důvodu: dostupného výkonu. Elektrotermální ohřev – přístup typický pro malá UAV – je omezen proudem z baterie, který může malá elektrická platforma dodat, a proto se obvykle omezuje na malé, vysoce důležité komponenty, jako je vrtule nebo Pitotova trubice, spíše než na celé křídlo.

Velký letoun kategorie MALE nebo HALE poháněný palivem má zcela jiný energetický rozpočet, což otevírá možnosti pro tepelné odmrazování pomocí odebíraného vzduchu z motoru , který je veden k náběžné hraně křídla přes tzv. piccolo trubici – jde o stejnou základní architekturu, jakou pilotované dopravní letouny používají již desítky let, a která letoun ušetří nutnosti nést kapacitu pro výrobu elektrické energie, kterou by vyžadoval plně elektrický systém ochrany proti námraze. Mezi zdokumentované příklady v tomto měřítku patří RQ-4 Global Hawk , jehož protinámrazový systém krytu motoru odebírá teplo získané z hydraulického systému letounu namísto odebíraného vzduchu – což je připomínkou toho, že „tepelná ochrana“ na velkém UAS může být navržena s využitím více než jednoho palubního zdroje tepla a správná volba závisí na konkrétní systémové architektuře letounu.

3. Co musí zahrnovat kampaň testování námrazy pro velká letadla s pevnými křídly

Testování vůči skutečné certifikační obálce , nikoli za libovolných chladných a vlhkých podmínek – kombinace obsahu kapalné vody, velikosti kapek a teploty podle Appendix C jsou přesně specifikovány, protože různé kombinace vytvářejí různé tvary námrazy a různé aerodynamické ztráty.
Podmínky přechlazených velkých kapek podle Appendix O vedle Appendix C , protože námraza SLD způsobuje tvorbu ledu dále vzadu na profilu křídla než klasická námraza podle Appendix C, tedy v místech, která systémy ochrany proti námraze navržené pouze pro Appendix C nemusí pokrýt.
Celý tepelný systém, nejen vyhřívaný povrch – u systému s odebíraným vzduchem to znamená testování potrubí, distribuce přes piccolo trubici a dodávky tepla při simulovaném průtoku z motoru, nikoli pouze izolované měření odpadávání ledu z vyhřívaného panelu.
Aerodynamický výkon s připojenými realistickými tvary námrazy , protože certifikace je v konečném důsledku o letových vlastnostech letounu s námrazou, pro kterou je ochranný systém navržen – nejen o tom, zda ochranný systém v nejlepším případě zabrání tvorbě ledu.
Komponenty ve skutečné velikosti všude tam, kde to certifikační základ vyžaduje – zdokumentovaná kapacita tunelu IRT pro testování součástí letadel ve skutečné velikosti existuje právě proto, že fyzika tvorby námrazy na některých součástech se nedá jednoduše převést na malý model.

4. Pět chyb, se kterými se setkáváme

Považování ochrany proti námraze za elektrotermální problém na úrovni komponent bez ohledu na velikost letounu. To, co funguje pro vrtuli malého UAV, nelze extrapolovat na křídlo letounu MALE/HALE – energetický rozpočet i certifikační základ se liší.
Testování pouze podle Appendix C a předpoklad, že to pokrývá „námrazu“. Podmínky přechlazených velkých kapek podle Appendix O jsou nyní samostatnou a povinnou součástí certifikačního základu pro mnoho programů a způsobují námrazu na jiné části profilu křídla.
Ověřování zdroje tepla bez ověření distribučního systému. Distribuce přes piccolo trubici a ztráty v potrubí u systému s odebíraným vzduchem jsou stejně důležité jako dostupné surové teplo – systém, který funguje na papíře, může na špičce křídla poskytovat nedostatečný výkon.
Měření prevence námrazy bez měření aerodynamických ztrát. Certifikace není jen o tom, „zda se tvoří led“ – jde o to, „jak letoun létá s tvary námrazy, vůči kterým je ochranný systém ověřován“.
Předpoklad, že zmenšený model zachytí vše, co by zachytila komponenta ve skutečné velikosti. Fyzika tvorby námrazy je jednou z oblastí, kde jsou efekty měřítka nejméně tolerantní, což je přesně ten důvod, proč aerodynamické tunely na certifikační úrovni testují přímo komponenty ve skutečné velikosti.

5. Co to znamená pro váš program

Sdělte nám svůj certifikační základ a architekturu ochrany proti námraze a my navrhneme testovací program vůči skutečné obálce Appendix C a Appendix O, pro kterou váš letoun potřebuje certifikaci – nikoli jen obecnou kontrolu v chladném počasí. Související čtení: náš hlavní článek na téma

long-range fixed-wing UAS testing

Zdroje a poznámky

Parametry zařízení NASA Icing Research Tunnel (zkušební úsek 6 ft × 9 ft × 20 ft, rychlost vzduchu 50–350 knots, celková teplota –25 °C až 5 °C, obsah kapalné vody 0,2–3,0 g/m³ s uniformitou oblaku ±10 %, střední objemový průměr kapek MVD 15–50 µm, uniformní oblak námrazy 4,5 × 6 ft, simulovaný průtok odebíraného vzduchu z motoru až 1 lb/s, replikace certifikačních norem FAA FAR Part 25 Appendix C pro námrazu, testování součástí letadel ve skutečné velikosti a zmenšených modelů letounů a vrtulníků a jeho zákaznická základna zahrnující Boeing, Bell Helicopter, Goodrich, Cessna, Sikorsky a složky ozbrojených sil USA): NASA Glenn Research Center / NASA Aeronautics Test Program, informační list „Icing Research Tunnel“.
Rozšíření kalibračních prací IRT na podmínky přechlazených velkých kapek (SLD) podle FAA/EASA Appendix O v novějších testovacích kampaních NASA je zdokumentováno v navazujících publikacích výzkumu námrazy NASA Glenn na serveru NASA Technical Reports Server.
Elektrotermální ochrana proti námraze jako typický přístup pro malé komponenty UAV s omezeným napájením v porovnání s tepelným odmrazováním odebíraným vzduchem přes piccolo trubici jako přístupem vhodným pro velké letouny HALE poháněné palivem a protinámrazový systém krytu motoru letounu RQ-4 Global Hawk, který odebírá teplo z hydraulického systému letounu namísto odebíraného vzduchu: v souladu s publikovanou literaturou o systémech ochrany letadel proti námraze.
Informace o letounu RQ-4B Global Hawk (třída HALE): v souladu s naším publikovaným článkem o testování UAS s pevnými křídly s dlouhým doletem (MALE, HALE a VTOL).
Pokyny k metodice testování (testování v plném rozsahu obálky Appendix C a Appendix O, tepelné ověření celého systému, měření aerodynamických ztrát s připojenými tvary námrazy, testování komponent ve skutečné velikosti) představují inženýrskou praxi společnosti TunnelTech, která přímo reaguje na výše zdokumentované parametry zařízení na certifikační úrovni.

Certifikace pro provoz v podmínkách námrazy a za každého počasí pro velká UAS s pevnými křídly