Tests von Turboprop- und Kolbenantrieben für UAS

Die Entscheidung für einen Antrieb bei einem MALE- oder HALE-Flugzeug ist eine völlig andere Disziplin als die Auswahl eines Elektromotors und Propellers. Ein Turboprop- oder Heavy-Fuel-Kolbenmotor bringt einen Lufteinlass, ein Abgassystem, ein Kühlsystem und einen Propeller mit sich, der groß genug ist, um signifikant mit dem Flugwerk zu interagieren, an dem er montiert ist – und das alles bei realer Reisegeschwindigkeit und Flughöhe, nicht im Bereich niedriger Geschwindigkeiten und niedriger Reynolds-Zahlen, in dem sich ein kleines elektrisches UAV bewegt.

1. Zwei reale Triebwerke, zwei reale Integrationsprobleme

Die beiden Vorzeigebeispiele dieser Klasse veranschaulichen, wie unterschiedlich „Antrieb“ selbst innerhalb derselben Flugzeugfamilie sein kann. Die ursprüngliche MQ-1 Predator wurde von einem einzelnen Rotax 914F angetrieben, einem turbogeladenen Vierzylinder-Viertakt-Kolbenmotor mit etwa 115 hp , luftgekühlt an den Zylindern und wassergekühlt an den Zylinderköpfen, der einen zweiblättrigen Constant-Speed-Druckpropeller antrieb – das Flugzeug flog mit einer Reisegeschwindigkeit von etwa 84 bis 135 mph in rund 25.000 ft Höhe für weit über 24 Stunden am Stück.

Ihr größerer Nachfolger, die MQ-9 Reaper , wird von einem Honeywell TPE331-10 Turboprop mit Digital Electronic Engine Control angetrieben, der ebenfalls einen im Heck montierten, mehrblättrigen Verstell-Druckpropeller antreibt. Laut General Atomics operiert das Flugzeug in bis zu 50.000 ft Höhe, erreicht eine Reisegeschwindigkeit von 240 Knoten True Airspeed und hat eine Ausdauer von über 27 Stunden.

Beide Flugzeuge nutzen dieselbe grundlegende Architektur – einen Druckpropeller , der am Heck des Rumpfes montiert ist –, obwohl das eine mit Benzin über einen Kolbenmotor und das andere mit Kerosin über einen Turboprop angetrieben wird. Diese architektonische Entscheidung ist für ein Windkanal-Programm nicht nebensächlich; sie ist von zentraler Bedeutung.

2. Warum das Druckpropeller-Layout ein eigenes Testproblem darstellt

Ein hinter dem Rumpf montierter Druckpropeller wird nicht von sauberer Freistromluft angeströmt – er saugt den Nachlauf des Rumpfes und, je nach Geometrie, der davor liegenden Tragfläche und des Leitwerks an. Diese Anströmung ist bereits verzerrt, bevor sie die Propellerebene erreicht, und der Propeller wiederum speist seinen eigenen Drall und seine Druckstörung nach vorne in das Strömungsfeld des Leitwerks ein. Ein isolierter Propeller-Prüfstandstest oder ein isolierter aerodynamischer Test der Tragfläche charakterisiert keine der beiden Seiten dieser Interaktion – jede macht nur Sinn, wenn sie in Anwesenheit der anderen gemessen wird.

Dies spiegelt eine breitere, dokumentierte Erkenntnis in der Forschung zur Propeller-Einlauf- und Flugwerk-Antriebs-Integration wider: Die Anwesenheit des Propellers verändert messbar die Gesamtdruckverteilung und führt zu Drallverzerrungen. Zudem können Einlass- und Abgasströmungseffekte an einem antriebsintegrierten Flugwerk das Auftriebs-Widerstands-Verhältnis und das Nickmoment verschieben – Effekte, die erst auftreten, wenn das Antriebssystem und das Flugwerk gemeinsam und nicht getrennt getestet werden.

3. Was Integrationstests tatsächlich abdecken müssen

Das vollständige Flugwerk mit einem repräsentativen Propeller , nicht das Ergebnis eines isolierten Propeller-Schubprüfstands, das auf die Polare eines sauberen Flugwerks gelegt wird – die Druckpropeller-Konfiguration bedeutet ausdrücklich, dass beide nicht unabhängig voneinander sind.
Qualität der Einlaufströmung über den gesamten Flugbereich. Der Lufteinlass eines Turboprops muss bei Reiseflug, Steigflug und jedem Zustand mit hohem Anstellwinkel, den das Missionsprofil umfasst, eine akzeptable Druckrückgewinnung und Verzerrungswerte an der Triebwerkseintrittsfläche liefern – eine Anforderung, für die es bei einem Elektromotor keine Entsprechung gibt.
Auswirkungen der Abgasintegration auf Widerstand und Nickmoment , da dokumentiert ist, dass Einlass- und Abgasströmungen beides messbar verschieben, und eine Mission der MALE-Klasse über die Effizienz im Reiseflug verkauft wird, bei der sich kleine Widerstandsnachteile über Flüge von mehr als 24 Stunden summieren.
Berücksichtigung des Kühlungswiderstands speziell für Kolbenmotoren – ein flüssigkeits- oder luftgekühlter Kolbenmotor erzeugt einen Kühlströmungswiderstand, der bei einem Elektromotor schlichtweg nicht anfällt, und dieser muss im selben Test erfasst werden wie das restliche Widerstandsbudget des Flugwerks.
Interaktion des Propellernachlaufs mit dem Leitwerk , da ein Druckpropeller-Layout das Leitwerk direkt in oder nahe an die Anströmung und den Propellerstrahl setzt – eine Kopplung, die sich mit der Leistungseinstellung und dem Anstellwinkel ändert.

4. Fünf Fehler, die wir beobachten

Testen von Propeller und Flugwerk in zwei separaten Kampagnen. Bei einer Druckpropeller-Konfiguration stammt die Anströmung des Propellers aus dem Nachlauf des Flugwerks, und die Leitwerksströmung des Flugwerks wird durch den Propeller geformt – kein Test allein erfasst diese Kopplung.
Auslassen der Messung der Einlaufverzerrung, weil „der Triebwerkshersteller sie spezifiziert“. Herstellerspezifikationen gehen von einer sauberen, unverzerrten Anströmung aus; die durch das Flugwerk verursachte Verzerrung ist ein Installationseffekt, den das Datenblatt des Triebwerks nicht vorhersagen kann.
Behandlung des Kühlungswiderstands als nachträglichen Gedanken bei der Triebwerksintegration. Bei einem Kolbenmotor ist die Kühlströmung vom ersten Tag an Teil des Widerstandsbudgets des Flugzeugs und keine Korrektur, die nach Abschluss des aerodynamischen Tests vorgenommen wird.
Die Annahme, dass Turboprop- und Kolbenantriebe denselben Testplan teilen. Die Anforderung an die Einlassdruckrückgewinnung eines Turboprops und die Anforderung an den Kühlluftstrom eines Kolbenmotors sind unterschiedliche physikalische Probleme mit unterschiedlichen Anforderungen an die Messtechnik.
Keine Tests über verschiedene Leistungseinstellungen hinweg. Die Interaktion des Propellerstrahls mit dem Leitwerk ändert sich mit dem Schub, sodass ein Test mit nur einer Leistungseinstellung nicht erfasst, wie sich diese Kopplung über das tatsächliche Missionsprofil verschiebt – Steigflug-, Reiseflug- und Loiter-Leistung sind keine austauschbaren Testpunkte.

5. Was das für Ihr Programm bedeutet

Nennen Sie uns Ihren Triebwerkstyp, Ihre Propellerkonfiguration und Ihr Missionsleistungsprofil , und wir konzipieren einen Flugwerk-Antriebs-Integrationstest, der Einlass-, Abgas-, Kühlungs- und Propellerstrahleffekte gemeinsam erfasst – nicht als separate Prüfstandstests, die auf die Polare eines sauberen Flugwerks aufgesetzt werden. Weiterführende Lektüre: unser Übersichtsartikel zu

long-range fixed-wing UAS testing

Quellen und Anmerkungen

Antrieb der MQ-1 Predator (turbogeladener Vierzylinder-Kolbenmotor Rotax 914F mit ca. 115 hp, luftgekühlte Zylinder mit wassergekühlten Zylinderköpfen, zweiblättriger Constant-Speed-Druckpropeller, Reisegeschwindigkeit ca. 84–135 mph in rund 25.000 ft Höhe für Missionen von über 24 Stunden): übereinstimmend mit den vom Hersteller veröffentlichten Triebwerksspezifikationen (Rotax, Produktseite „914 UL | F“) und der Programmhistorie der General Atomics MQ-1 Predator.
Antrieb der MQ-9A Reaper (Honeywell TPE331-10 Turboprop mit Digital Electronic Engine Control, maximale Flughöhe 50.000 ft, Reisegeschwindigkeit 240 KTAS, Ausdauer über 27 Stunden): General Atomics Aeronautical Systems, „MQ-9A Reaper (Predator B)“.
Die im Heck montierte Druckpropeller-Konfiguration sowohl bei der Predator als auch bei der Reaper ist ein dokumentiertes Merkmal des Designs der Predator/Reaper-Familie von General Atomics.
Propeller-Einlauf-Integrationseffekte (messbare Änderungen der Gesamtdruckverteilung und Drallverzerrung bei aktivem Propeller) sowie Einlass-/Abgas-Integrationseffekte auf das Auftriebs-Widerstands-Verhältnis und das Nickmoment sind dokumentierte Erkenntnisse in der veröffentlichten Literatur zu Windkanal- und Simulationsstudien der Propeller-Einlauf- und Flugwerk-Antriebs-Integration.
Leitlinien zur Testmethodik (kombinierte Propeller-Flugwerk-Tests, Messung der Einlaufverzerrung, Berücksichtigung des Kühlungswiderstands, Propellerstrahl-Tests mit mehreren Leistungseinstellungen) entsprechen der Ingenieurspraxis von TunnelTech.

Integration von Turboprop- und Kolbenantrieben für Langstrecken-UAS