Integrace turbovrtulového a pístového pohonu pro UAS s dlouhým doletem
Proč turbovrtulové a pístové UAS kategorie MALE přinášejí problém s integrací, kterému elektrické drony nikdy nečelí, co ukazují skutečná letadla a na co se při testování zaměřit.
Rozhodování o pohonu letounů kategorie MALE nebo HALE je zcela jiná disciplína než výběr elektromotoru a vrtule. Turbovrtulový nebo pístový motor na těžké palivo s sebou přináší sání vzduchu, výfuk, chladicí systém a vrtuli dostatečně velkou na to, aby významně interagovala s drakem letadla, na kterém je namontována – to vše při reálné cestovní rychlosti a výšce, nikoliv v režimu nízkých rychlostí a nízkých Reynoldsových čísel, ve kterém se pohybují malé elektrické UAV.
1. Dva skutečné motory, dva skutečné problémy s integrací
Dva vlajkové příklady této třídy ilustrují, jak odlišný význam může mít slovo „pohon“ i v rámci stejné rodiny letounů. Původní MQ-1 Predator byl poháněn jedním motorem Rotax 914F, přeplňovaným čtyřválcovým čtyřdobým pístovým motorem o výkonu přibližně 115 hp , se vzduchem chlazenými válci a vodou chlazenými hlavami, který poháněl dvoulistou tlačnou vrtuli se stálými otáčkami – letoun se pohyboval cestovní rychlostí zhruba 84 až 135 mph ve výšce kolem 25 000 stop po dobu více než 24 hodin v kuse.
Jeho větší nástupce, MQ-9 Reaper , je poháněn turbovrtulovým motorem Honeywell TPE331-10 s digitálním elektronickým řízením motoru , který rovněž pohání vzadu namontovanou vícelistou tlačnou vrtuli s nastavitelným úhlem náběhu . Podle společnosti General Atomics letoun operuje ve výškách až 50 000 stop, jeho pravá cestovní rychlost (TAS) je 240 uzlů a vytrvalost přesahuje 27 hodin.
Oba letouny zvolily stejnou základní architekturu – tlačnou vrtuli namontovanou v zadní části trupu – přestože jeden spaluje benzin v pístovém motoru a druhý letecké palivo v turbovrtulovém motoru. Tato architektonická volba není pro program testování ve větrném tunelu vedlejší; je pro něj zcela zásadní.
2. Proč je tlačná koncepce specifickým problémem při testování
Tlačná vrtule namontovaná za trupem není obtékána čistým volným proudem vzduchu – nasává úplav trupu a v závislosti na geometrii i křídla a ocasních ploch před ní. Tento přitékající proud je zkreslený ještě předtím, než dosáhne roviny vrtule, a vrtule naopak vnáší své vlastní víření a tlakové poruchy dopředu do proudového pole ocasních ploch. Samostatný test vrtule na zkušebním stavu nebo samostatný aerodynamický test křídla necharakterizuje ani jednu stranu této interakce – každý z nich má smysl pouze tehdy, je-li měřen za přítomnosti toho druhého.
To odráží širší, zdokumentované zjištění z výzkumu integrace vrtule se sáním a integrace pohonu s drakem: přítomnost vrtule měřitelně mění rozložení celkového tlaku a vnáší zkreslení vlivem víření. Účinky proudění v sání a výfuku na drak s integrovaným pohonem navíc mohou posunout aerodynamickou jemnost (poměr vztlaku a odporu) a klopivý moment – to jsou jevy, které se projeví až tehdy, když se pohonný systém a drak testují společně, nikoliv odděleně.
3. Co musí integrační testování skutečně zahrnovat
- Kompletní drak letadla s reprezentativní vrtulí , nikoliv výsledek tahu samostatné vrtule naroubovaný na poláru čistého draku – tlačná konfigurace specificky znamená, že tyto dvě složky nejsou nezávislé.
- Kvalitu proudění v sání napříč celou letovou obálkou. Sání vzduchu turbovrtulového motoru musí zajistit přijatelnou obnovu tlaku a úroveň zkreslení na vstupu do motoru při cestovním letu, stoupání a při jakémkoli stavu s vysokým úhlem náběhu, který profil mise zahrnuje – to je požadavek, který u elektromotoru nemá obdobu.
- Vliv integrace výfuku na odpor a klopivý moment , protože je prokázáno, že proudění v sání a výfuku měřitelně posouvá obojí, a mise třídy MALE se opírá o efektivitu cestovního letu, kde se malé ztráty vlivem odporu během více než 24hodinových letů sčítají.
- Zohlednění odporu chlazení specificky pro pístovou pohonnou jednotku – kapalinou nebo vzduchem chlazený pístový motor vykazuje odpor chladicího proudu, který elektromotor jednoduše nevytváří, a tento odpor musí být zachycen ve stejném testu jako zbytek celkového odporu draku.
- Interakci úplavu vrtule s ocasními plochami , protože tlačná koncepce umisťuje ocasní plochy přímo do přitékajícího proudu a vrtulového proudu (slipstream) nebo do jejich blízkosti – tato vazba se mění v závislosti na nastavení výkonu a úhlu náběhu.
4. Pět chyb, se kterými se setkáváme
- Testování vrtule a draku jako dvou oddělených kampaní. U tlačné konfigurace pochází přitékající proud vrtule z úplavu draku a proudění kolem ocasních ploch draku je formováno vrtulí – ani jeden z testů sám o sobě tuto vazbu nezachytí.
- Vynechání měření zkreslení v sání, protože „to udává výrobce motoru“. Specifikace výrobce předpokládají čistý, nezkreslený přitékající proud; zkreslení způsobené zástavbou do draku je instalační efekt, který technický list motoru nedokáže předpovědět.
- Považování odporu chlazení za dodatečný problém integrace motoru. U pístové pohonné jednotky je chladicí proud součástí celkového odporu letadla od prvního dne, nikoliv korekcí aplikovanou po dokončení aerodynamického testu.
- Předpoklad, že turbovrtulový a pístový pohon sdílejí stejný plán testování. Požadavek na obnovu tlaku v sání u turbovrtulového motoru a požadavek na chladicí proud vzduchu u pístového motoru jsou odlišné fyzikální problémy s odlišnými nároky na měřicí techniku (instrumentaci).
- Netestování napříč různými nastaveními výkonu. Interakce vrtulového proudu s ocasními plochami se mění v závislosti na tahu, takže test s jediným nastavením výkonu nezachytí, jak se tato vazba mění v průběhu skutečného profilu mise – výkon pro stoupání, cestovní let a vyčkávání nejsou zaměnitelné testovací body.
5. Co to znamená pro váš program
Sdělte nám typ vašeho motoru, konfiguraci vrtule a výkonový profil mise a my navrhneme test integrace pohonu a draku, který společně zachytí účinky sání, výfuku, chlazení a vrtulového proudu – nikoliv jako oddělené testy na zkušebním stavu naroubované na poláru čistého draku. Související čtení: náš hlavní článek o
long-range fixed-wing UAS testing.
Zdroje a poznámky
- Pohon MQ-1 Predator (přeplňovaný čtyřválcový pístový motor Rotax 914F o výkonu přibližně 115 hp, vzduchem chlazené válce s vodou chlazenými hlavami, dvoulistá tlačná vrtule se stálými otáčkami, cestovní rychlost přibližně 84–135 mph ve výšce zhruba 25 000 stop pro mise trvající více než 24 hodin): v souladu se zveřejněnými specifikacemi motoru od výrobce (produktová stránka Rotax, „914 UL | F“) a historií programu MQ-1 Predator společnosti General Atomics.
- Pohon MQ-9A Reaper (turbovrtulový motor Honeywell TPE331-10 s digitálním elektronickým řízením motoru, maximální výška 50 000 stop, cestovní rychlost 240 KTAS, vytrvalost přes 27 hodin): General Atomics Aeronautical Systems, „MQ-9A Reaper (Predator B)“.
- Vzadu namontovaná konfigurace s tlačnou vrtulí na dracích letounů Predator i Reaper je zdokumentovaným prvkem konstrukce rodiny Predator/Reaper společnosti General Atomics.
- Účinky integrace vrtule a sání (měřitelné změny v rozložení celkového tlaku a zkreslení vlivem víření při aktivní vrtuli) a účinky integrace sání/výfuku na aerodynamickou jemnost a klopivý moment jsou zdokumentovaná zjištění v publikované literatuře týkající se testování ve větrném tunelu a simulací integrace vrtule se sáním a pohonu s drakem.
- Pokyny k metodice testování (kombinované testování vrtule a draku, měření zkreslení v sání, zohlednění odporu chlazení, testování vrtulového proudu při různých nastaveních výkonu) představují inženýrskou praxi společnosti TunnelTech.