Isdannelsescertificeringstest for store fastvingede UAS

Isdannelse på en lille elektrisk UAV løses normalt med en opvarmet propel eller et opvarmet pitotrør — en målrettet løsning til en lille, strømbegrænset komponent. Isdannelse på et MALE- eller HALE-fly er et helt andet problem: Det er et standarddrevet certificeringskrav for hele flyet, der testes mod den samme isdannelsesprofil, som bemandede transportfly certificeres efter, fordi fartøjet i denne skala flyver i det samme vejr.

1. Certificeringsstandarden er den samme, som bemandede fly bruger

Referenceanlægget for denne type test er NASAs Icing Research Tunnel (IRT) på Glenn Research Center — en af verdens største nedkølede vindtunneler dedikeret til isdannelse på fly, og et anlæg, der eksplicit replikerer FAAs certificeringsstandard for isdannelse i Federal Aviation Regulation Part 25, Appendix C . Dets offentliggjorte specifikationer viser, hvad "fuldskala isdannelsescertificering" rent faktisk kræver:

Testsektion 6 ft høj × 9 ft bred × 20 ft lang
Testsektionens lufthastighed 50 til 350 knob
Testsektionens totale temperatur –25 °C til 5 °C
Indhold af flydende vand 0,2 til 3,0 g/m³ , med en skyuniformitet fastholdt på ±10 %
Dråbernes medianvolumendiameter 15 til 50 µm
En ensartet issky, der dækker 4,5 gange 6 fod af testsektionen
Simuleret motor-bleed-luftflow op til 1 lb/s , til test af termiske anti-isningssystemer, der bruger varm bleed-luft

IRT tester flykomponenter i fuld størrelse samt skalamodeller af både fly og helikoptere, og dets kundeliste — Boeing, Bell Helicopter, Goodrich, Cessna, Sikorsky samt U.S. Army, Navy og Air Force — afspejler, at dette er infrastruktur på certificeringsniveau og ikke blot en forskningskuriositet. Nyere NASA-isdannelsestestkampagner har også udvidet kalibreringsarbejdet mod de nyere Appendix O supercooled large drop (SLD) -betingelser, som både FAA og EASA nu kræver sideløbende med den oprindelige Appendix C-profil.

2. Hvorfor selve isbeskyttelsesteknologien varierer afhængigt af skala

Isbeskyttelsesteknologi opdeles tydeligt efter flyets skala, og det gør den af en fysisk årsag: tilgængelig effekt. Elektrotermisk opvarmning — den typiske tilgang for små UAV'er — er begrænset af den batteristrømstyrke, en lille elektrisk platform kan levere, hvilket er grunden til, at den normalt er begrænset til små, værdifulde komponenter som en propel eller et pitotrør frem for en hel vinge.

Et stort, brændstofdrevet MALE- eller HALE-fly har et helt andet effektbudget, og det åbner op for termisk anti-isning ved hjælp af motor-bleed-luft , der føres til vingens forkant gennem et piccolorør — den samme grundlæggende arkitektur, som bemandede transportfly har brugt i årtier, og som sparer flyet for at skulle bære den elektriske generatorkapacitet, som et fuldelektrisk isbeskyttelsessystem ville kræve. Dokumenterede eksempler i denne skala inkluderer RQ-4 Global Hawk , hvis anti-isningssystem til motorhjelmen trækker varme udvundet fra flyets hydrauliske system i stedet for bleed-luft — en påmindelse om, at "termisk beskyttelse" på en stor UAS kan konstrueres ud fra mere end én varmekilde ombord, og det rigtige valg afhænger af flyets specifikke systemarkitektur.

3. Hvad en isdannelsestestkampagne for store fastvingefly skal dække

Test mod den faktiske certificeringsprofil , ikke en vilkårlig kold-og-våd tilstand — Appendix C-kombinationer af indhold af flydende vand, dråbestørrelse og temperatur er specificeret præcist, fordi forskellige kombinationer producerer forskellige isformer og forskellige aerodynamiske ulemper.
Appendix O supercooled large drop-betingelser sideløbende med Appendix C , da SLD-isdannelse producerer isopbygning længere tilbage på bæreplanet end klassisk Appendix C-isdannelse, på et sted, som isbeskyttelsessystemer, der kun er designet til Appendix C, muligvis ikke dækker.
Hele det termiske system, ikke kun den opvarmede overflade — for et bleed-luft-system betyder det test af kanalføringen, piccolorørets fordeling og varmeleveringen under simuleret motorflow, ikke kun isoleret måling af isafkast fra et opvarmet panel.
Aerodynamisk ydeevne med realistiske isformer påsat , da certificering i sidste ende handler om flyets flyveegenskaber med den is, som beskyttelsessystemet er designet omkring — ikke kun om beskyttelsessystemet forhindrer isdannelse i det bedste scenarie.
Komponenter i fuld størrelse, hvor certificeringsgrundlaget kræver det — IRT's dokumenterede kapacitet til at teste flykomponenter i fuld størrelse eksisterer netop, fordi isopbygningsfysikken på visse komponenter ikke lader sig skalere rent til en lille model.

4. Fem fejl, vi ser

At behandle isbeskyttelse som et elektrotermisk problem på komponentniveau uanset flyets skala. Det, der fungerer for en lille UAV's propel, kan ikke overføres til en MALE/HALE-vinge — både effektbudgettet og certificeringsgrundlaget er anderledes.
Kun at teste Appendix C og antage, at det dækker "isdannelse." Appendix O supercooled large drop-betingelser er nu en særskilt, påkrævet del af certificeringsgrundlaget for mange programmer, og de danner is på en anden del af bæreplanet.
At validere varmekilden uden at validere leveringssystemet. Et bleed-luft-systems piccolorørsfordeling og kanaltab betyder lige så meget som den rå tilgængelige varme — et system, der fungerer på papiret, kan underlevere ved vingespidsen.
At måle isforebyggelse uden at måle den aerodynamiske ulempe. Certificering er ikke kun "dannes der is" — det er "hvordan flyver flyet med de isformer, som beskyttelsessystemet er valideret imod."
At antage, at en skalamodel fanger alt, hvad en komponent i fuld størrelse ville. Isopbygningsfysik er et af de områder, hvor skalaeffekter er mindst tilgivende, hvilket præcis er grunden til, at isdannelsestunneler på certificeringsniveau tester komponenter i fuld størrelse direkte.

5. Hvad dette betyder for dit program

Fortæl os dit certificeringsgrundlag og din isbeskyttelsesarkitektur , så vil vi udarbejde et testprogram mod den faktiske Appendix C- og Appendix O-profil, som dit fly skal certificeres efter — ikke et generisk koldvejrstjek. Relateret læsning: vores hub-artikel om

long-range fixed-wing UAS testing

Kilder og noter

NASA Icing Research Tunnel-anlægskarakteristika (testsektion 6 ft × 9 ft × 20 ft, lufthastighed 50–350 knob, total temperatur –25 °C til 5 °C, indhold af flydende vand 0,2–3,0 g/m³ med ±10 % skyuniformitet, dråbe-MVD 15–50 µm, ensartet issky 4,5 gange 6 ft, simuleret motor-bleed-luftflow op til 1 lb/s, replikation af FAA FAR Part 25 Appendix C-certificeringsstandarder for isdannelse, test af flykomponenter i fuld størrelse og skalamodeller af fly og helikoptere, og dets kundebase, der inkluderer Boeing, Bell Helicopter, Goodrich, Cessna, Sikorsky og amerikanske militærtjenester): NASA Glenn Research Center / NASA Aeronautics Test Program, "Icing Research Tunnel" fact sheet.
Udvidelse af IRT-kalibreringsarbejde til FAA/EASA Appendix O supercooled large drop (SLD)-betingelser i nyere NASA-testkampagner er dokumenteret i efterfølgende NASA Glenn-isdannelsesforskningspublikationer på NASA Technical Reports Server.
Elektrotermisk isbeskyttelse som den typiske tilgang for små, strømbegrænsede UAV-komponenter, kontra termisk bleed-luft-anti-isning via piccolorør som den tilgang, der er egnet til store, brændstofdrevne HALE-fly, og RQ-4 Global Hawks anti-isningssystem til motorhjelmen, der trækker varme fra flyets hydrauliske system: i overensstemmelse med offentliggjort litteratur om isbeskyttelsessystemer til fly.
Flybaggrund for RQ-4B Global Hawk (HALE-klassen): i overensstemmelse med vores offentliggjorte artikel om test af langtrækkende fastvingede UAS (MALE, HALE og VTOL).
Vejledning i testmetodologi (fuldprofil Appendix C- og Appendix O-test, termisk validering af hele systemet, måling af aerodynamisk ulempe med påsatte isformer, test af komponenter i fuld størrelse) er TunnelTechs ingeniørpraksis, der reagerer direkte på de anlægskarakteristika på certificeringsniveau, der er dokumenteret ovenfor.

Isdannelse og all-weather-certificering for store fastvingede UAS