Integration af turboprop- og stempelmotorfremdrift til langrækkende UAS
Hvorfor turboprop- og stempelmotordrevne MALE UAS medfører et integrationsproblem, som elektriske droner aldrig står over for, hvad rigtige fly viser, og hvad der skal testes for.
Valget af fremdrift til et MALE- eller HALE-fly er en helt anden disciplin end blot at vælge en elmotor og en propel. En turboprop- eller heavy-fuel-stempelmotor medfører et luftindtag, en udstødning, et kølesystem og en propel, der er stor nok til at interagere betydeligt med det flyskrog, den er monteret på — alt sammen ved reel marchhastighed og -højde, og ikke i det lavhastighedsregime med lave Reynolds-tal, som en lille elektrisk UAV befinder sig i.
1. To rigtige motorer, to reelle integrationsproblemer
De to flagskibseksempler i denne klasse illustrerer, hvor forskelligt "fremdrift" kan defineres, selv inden for den samme flyfamilie. Den oprindelige MQ-1 Predator blev drevet af en enkelt Rotax 914F, en turboladet, firecylindret firetakts-stempelmotor på omkring 115 hk , luftkølet ved cylindrene og vandkølet ved topstykkerne, som trak en tobladet skubbepropel med konstant hastighed — flyet fløj med en marchhastighed på cirka 84 til 135 mph i omkring 25.000 fods højde i over 24 timer ad gangen.
Dens større efterfølger, MQ-9 Reaper , drives af en Honeywell TPE331-10 turboprop med Digital Electronic Engine Control , som ligeledes trækker en bagmonteret, flerbladet skubbepropel med justerbar stigning . Ifølge General Atomics opererer flyet i op til 50.000 fods højde, har en marchhastighed på 240 knob (true airspeed) og en udholdenhed på over 27 timer.
Begge fly benytter den samme grundlæggende arkitektur — en skubbepropel monteret bagerst på flyskroget — på trods af, at det ene kører på benzin via en stempelmotor, og det andet på jetbrændstof via en turboprop. Dette arkitektoniske valg er ikke uvæsentligt for et vindtunnelprogram; det er helt centralt.
2. Hvorfor skubbepropel-layoutet udgør sit eget testproblem
En skubbepropel monteret bag flyskroget møder ikke ren, uforstyrret luft — den indsuger kølvandet fra flyskroget og, afhængigt af geometrien, vingen og halepartiet foran den. Dette indløbsflow er allerede forvrænget, før det når propeldisken, og propellen sender til gengæld sin egen hvirvel (swirl) og trykforstyrrelse fremad ind i halepartiets flowfelt. En bænktest af propellen alene, eller en aerodynamisk test af vingen alene, karakteriserer ingen af siderne i denne interaktion — de giver kun mening, når de måles med den anden part til stede.
Dette afspejler et bredere, dokumenteret fund inden for forskning i propel-indløb og integration af flyskrog og fremdrift: Tilstedeværelsen af propellen ændrer målbart den samlede trykfordeling og introducerer swirl-forvrængning, og effekterne af indløbs- og udstødningsflow på et flyskrog med integreret fremdrift kan forskyde løft-modstandsforholdet og pitchmomentet — effekter, der først opstår, når fremdriftssystemet og flyskroget testes sammen, og ikke hver for sig.
3. Hvad integrationstest rent faktisk skal dække
- Hele flyskroget med en repræsentativ propel til stede , ikke et resultat fra en trykstandstest af propellen alene, der lægges oven på en polar for et rent flyskrog — skubbepropel-konfigurationen betyder specifikt, at de to ikke er uafhængige af hinanden.
- Indløbsflowets kvalitet på tværs af flyvekonvolutten. En turboprops luftindtag skal levere acceptable niveauer for trykgenvinding og forvrængning til motorfronten under march, stigning og enhver tilstand med høj angrebsvinkel, som missionsprofilen inkluderer — et krav, der ikke har nogen ækvivalent på en elmotor.
- Udstødningsintegrationens effekter på modstand og pitchmoment , da det er dokumenteret, at indløbs- og udstødningsflow forskyder begge dele målbart, og en MALE-klasse mission sælges på march-effektivitet, hvor små modstandsstraffe akkumuleres over flyvninger på mere end 24 timer.
- Kølemodstand specifikt for en stempelmotor — en væske- eller luftkølet stempelmotor har en køleflow-modstand, som en elmotor simpelthen ikke genererer, og den skal registreres i den samme test som resten af flyskrogets modstandsbudget.
- Interaktion mellem propel-kølvand og haleparti , da et skubbepropel-layout placerer halepartiet direkte i, eller tæt på, propellens indløbsflow og slipstrøm — en kobling, der ændrer sig med motorindstilling og angrebsvinkel.
4. Fem fejl, vi ofte ser
- At teste propellen og flyskroget som to separate kampagner. På en skubbepropel-konfiguration kommer propellens indløbsflow fra flyskrogets kølvand, og flyskrogets haleflow formes af propellen — ingen af testene fanger koblingen alene.
- At springe måling af indløbsforvrængning over, fordi "motorproducenten specificerer det." Producentens specifikationer forudsætter et rent, uforvrænget indløbsflow; forvrængning opstået ved installation i flyskroget er en installationseffekt, som motorens specifikationsark ikke kan forudsige.
- At behandle kølemodstand som en eftertanke ved motorintegration. For en stempelmotor er køleflow en del af flyets modstandsbudget fra dag ét, ikke en korrektion, der anvendes, efter den aerodynamiske test er udført.
- At antage, at turboprop- og stempelmotorfremdrift deler samme testplan. En turboprops krav til indløbstrykgenvinding og en stempelmotors krav til køleluftflow er forskellige fysiske problemer med forskellige behov for instrumentering.
- Ikke at teste på tværs af motorindstillinger. Interaktionen mellem propellens slipstrøm og halepartiet ændrer sig med trækkraften, så en test med kun én motorindstilling overser, hvordan denne kobling forskyder sig på tværs af den faktiske missionsprofil — motorindstillinger for stigning, march og loiter er ikke udskiftelige testpunkter.
5. Hvad dette betyder for dit program
Fortæl os din motortype, propelkonfiguration og missionsprofil for motorkraft , så udarbejder vi en integrationstest for flyskrog og fremdrift, der fanger effekterne af indløb, udstødning, køling og slipstrøm samlet — ikke som separate bænktests, der blot lægges oven på en polar for et rent flyskrog. Relateret læsning: vores oversigtsartikel om
long-range fixed-wing UAS testing.
Kilder og noter
- MQ-1 Predator-fremdrift (Rotax 914F turboladet firecylindret stempelmotor på cirka 115 hk, luftkølede cylindre med vandkølede topstykker, tobladet skubbepropel med konstant hastighed, marchhastighed cirka 84–135 mph i omkring 25.000 fods højde til missioner på over 24 timer): i overensstemmelse med producentens offentliggjorte motorspecifikationer (Rotax, "914 UL | F" produktside) og General Atomics' historik for MQ-1 Predator-programmet.
- MQ-9A Reaper-fremdrift (Honeywell TPE331-10 turboprop med Digital Electronic Engine Control, maksimal højde 50.000 fod, marchhastighed 240 KTAS, udholdenhed over 27 timer): General Atomics Aeronautical Systems, "MQ-9A Reaper (Predator B)".
- Bagmonteret skubbepropel-konfiguration på både Predator- og Reaper-flyskrogene er en dokumenteret egenskab ved designet af General Atomics' Predator/Reaper-familie.
- Effekter af propel-indløbsintegration (målbare ændringer i den samlede trykfordeling og swirl-forvrængning med propellen aktiv) og effekter af indløbs-/udstødningsintegration på løft-modstandsforhold og pitchmoment er dokumenterede fund i den publicerede litteratur om vindtunneler og simulering af propel-indløb og integration af flyskrog og fremdrift.
- Vejledning i testmetodologi (kombineret test af propel og flyskrog, måling af indløbsforvrængning, registrering af kølemodstand, slipstrømstest med flere motorindstillinger) er ingeniørpraksis hos TunnelTech.