Δοκιμές Πιστοποίησης Παγοποίησης για Μεγάλα UAS Σταθερής Πτέρυγας

Η παγοποίηση σε ένα μικρό ηλεκτρικό UAV συνήθως αντιμετωπίζεται με έναν θερμαινόμενο έλικα ή έναν θερμαινόμενο σωλήνα pitot — μια στοχευμένη λύση για ένα μικρό εξάρτημα με περιορισμούς ισχύος. Η παγοποίηση σε ένα αεροσκάφος MALE ή HALE αποτελεί ένα εντελώς διαφορετικού μεγέθους πρόβλημα: είναι μια απαίτηση πιστοποίησης βάσει προτύπων για ολόκληρο το αεροσκάφος, η οποία δοκιμάζεται στον ίδιο φάκελο παγοποίησης με τον οποίο πιστοποιούνται τα επανδρωμένα μεταφορικά αεροσκάφη, επειδή σε αυτή την κλίμακα το όχημα πετάει στις ίδιες καιρικές συνθήκες.

1. Το πρότυπο πιστοποίησης είναι το ίδιο με αυτό που χρησιμοποιούν τα επανδρωμένα αεροσκάφη

Η εγκατάσταση αναφοράς για αυτή την κατηγορία δοκιμών είναι η Icing Research Tunnel (IRT) της NASA στο Glenn Research Center — μία από τις μεγαλύτερες ψυχόμενες αεροσήραγγες στον κόσμο, αφιερωμένη στην παγοποίηση αεροσκαφών, και μια εγκατάσταση που ρητά αναπαράγει το πρότυπο πιστοποίησης παγοποίησης της FAA στον Ομοσπονδιακό Κανονισμό Αεροπορίας (FAR) Μέρος 25, Παράρτημα C . Τα δημοσιευμένα χαρακτηριστικά της δείχνουν τι πραγματικά απαιτεί η "πιστοποίηση παγοποίησης πλήρους κλίμακας":

Τμήμα δοκιμών ύψους 6 ft × πλάτους 9 ft × μήκους 20 ft
Ταχύτητα αέρα στο τμήμα δοκιμών 50 έως 350 knots
Ολική θερμοκρασία στο τμήμα δοκιμών –25°C έως 5°C
Περιεκτικότητα σε υγρό νερό 0,2 έως 3,0 g/m³ , με την ομοιομορφία του νέφους να διατηρείται στο ±10%
Μέση ογκομετρική διάμετρος σταγονιδίων 15 έως 50 µm
Ένα ομοιόμορφο νέφος παγοποίησης που καλύπτει 4,5 επί 6 ft του τμήματος δοκιμών
Προσομοιωμένη ροή αέρα απαγωγής κινητήρα (bleed-air) έως 1 lb/s , για τη δοκιμή θερμικών αντιπαγωτικών συστημάτων που χρησιμοποιούν θερμό αέρα απαγωγής

Η IRT δοκιμάζει εξαρτήματα αεροσκαφών πλήρους μεγέθους, καθώς και μοντέλα υπό κλίμακα τόσο αεροπλάνων όσο και ελικοπτέρων, και το πελατολόγιό της — Boeing, Bell Helicopter, Goodrich, Cessna, Sikorsky, συν τον Στρατό, το Ναυτικό και την Πολεμική Αεροπορία των ΗΠΑ — αντικατοπτρίζει ότι πρόκειται για υποδομή επιπέδου πιστοποίησης, όχι για μια ερευνητική περιέργεια. Πιο πρόσφατες εκστρατείες δοκιμών παγοποίησης της NASA έχουν επίσης επεκτείνει τις εργασίες βαθμονόμησης προς τις νεότερες συνθήκες υπερψυγμένων μεγάλων σταγόνων (SLD) του Παραρτήματος O , τις οποίες τόσο η FAA όσο και η EASA απαιτούν πλέον παράλληλα με τον αρχικό φάκελο του Παραρτήματος C.

2. Γιατί η ίδια η τεχνολογία προστασίας από παγοποίηση διαφοροποιείται ανάλογα με την κλίμακα

Η τεχνολογία προστασίας από παγοποίηση διαχωρίζεται σαφώς ανάλογα με την κλίμακα του αεροσκάφους, και αυτό συμβαίνει για έναν φυσικό λόγο: τη διαθέσιμη ισχύ. Η ηλεκτροθερμική θέρμανση — η τυπική προσέγγιση για μικρά UAV — περιορίζεται από την ένταση ρεύματος της μπαταρίας που μπορεί να παρέχει μια μικρή ηλεκτρική πλατφόρμα, γι' αυτό και συνήθως περιορίζεται σε μικρά εξαρτήματα υψηλής αξίας, όπως ένας έλικας ή ένας αισθητήρας pitot, αντί για ολόκληρη την πτέρυγα.

Ένα μεγάλο, πετρελαιοκίνητο αεροσκάφος MALE ή HALE έχει έναν εντελώς διαφορετικό προϋπολογισμό ισχύος, και αυτό ανοίγει τον δρόμο για τη θερμική αντιπαγωτική προστασία με χρήση αέρα απαγωγής κινητήρα , ο οποίος διοχετεύεται στο χείλος προσβολής της πτέρυγας μέσω ενός σωλήνα piccolo — η ίδια βασική αρχιτεκτονική που χρησιμοποιούν τα επανδρωμένα μεταφορικά αεροσκάφη εδώ και δεκαετίες, και η οποία γλιτώνει το αεροσκάφος από τη μεταφορά της ικανότητας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που θα απαιτούσε ένα πλήρως ηλεκτρικό σύστημα προστασίας από παγοποίηση. Τεκμηριωμένα παραδείγματα σε αυτή την κλίμακα περιλαμβάνουν το RQ-4 Global Hawk , του οποίου το αντιπαγωτικό σύστημα στο κάλυμμα του κινητήρα αντλεί θερμότητα που εξάγεται από το υδραυλικό σύστημα του αεροσκάφους αντί για αέρα απαγωγής — μια υπενθύμιση ότι η "θερμική προστασία" σε ένα μεγάλο UAS μπορεί να σχεδιαστεί από περισσότερες από μία ενσωματωμένες πηγές θερμότητας, και η σωστή επιλογή εξαρτάται από τη συγκεκριμένη αρχιτεκτονική συστημάτων του αεροσκάφους.

3. Τι πρέπει να καλύπτει μια εκστρατεία δοκιμών παγοποίησης για μεγάλα αεροσκάφη σταθερής πτέρυγας

Δοκιμές βάσει του πραγματικού φακέλου πιστοποίησης , και όχι μιας αυθαίρετης ψυχρής και υγρής συνθήκης — οι συνδυασμοί περιεκτικότητας σε υγρό νερό, μεγέθους σταγονιδίων και θερμοκρασίας του Παραρτήματος C καθορίζονται με ακρίβεια, επειδή διαφορετικοί συνδυασμοί παράγουν διαφορετικά σχήματα πάγου και διαφορετικές αεροδυναμικές επιπτώσεις.
Συνθήκες υπερψυγμένων μεγάλων σταγόνων του Παραρτήματος O παράλληλα με το Παράρτημα C , καθώς η παγοποίηση SLD προκαλεί συσσώρευση πάγου πιο πίσω στην αεροτομή σε σχέση με την κλασική παγοποίηση του Παραρτήματος C, σε μια θέση που τα συστήματα προστασίας από παγοποίηση τα οποία έχουν σχεδιαστεί μόνο για το Παράρτημα C ενδέχεται να μην καλύπτουν.
Ολόκληρο το θερμικό σύστημα, όχι μόνο τη θερμαινόμενη επιφάνεια — για ένα σύστημα αέρα απαγωγής, αυτό σημαίνει δοκιμή των αγωγών, της διανομής μέσω του σωλήνα piccolo και της παροχής θερμότητας υπό προσομοιωμένη ροή κινητήρα, και όχι απλώς μέτρηση της αποκόλλησης πάγου από ένα θερμαινόμενο πάνελ μεμονωμένα.
Αεροδυναμική απόδοση με προσαρτημένα ρεαλιστικά σχήματα πάγου , καθώς η πιστοποίηση αφορά τελικά τα πτητικά χαρακτηριστικά του αεροσκάφους με τον πάγο γύρω από τον οποίο έχει σχεδιαστεί το σύστημα προστασίας — όχι μόνο το αν το σύστημα προστασίας αποτρέπει τον σχηματισμό πάγου στην καλύτερη περίπτωση.
Εξαρτήματα πλήρους μεγέθους όπου το απαιτεί η βάση πιστοποίησης — η τεκμηριωμένη ικανότητα της IRT να δοκιμάζει εξαρτήματα αεροσκαφών πλήρους μεγέθους υπάρχει ακριβώς επειδή η φυσική της συσσώρευσης πάγου σε ορισμένα εξαρτήματα δεν κλιμακώνεται ομαλά σε ένα μικρό μοντέλο.

4. Πέντε λάθη που βλέπουμε

Αντιμετώπιση της προστασίας από παγοποίηση ως ένα ηλεκτροθερμικό πρόβλημα σε επίπεδο εξαρτήματος σε οποιαδήποτε κλίμακα αεροσκάφους. Αυτό που λειτουργεί για τον έλικα ενός μικρού UAV δεν μπορεί να εφαρμοστεί στην πτέρυγα ενός MALE/HALE — ο προϋπολογισμός ισχύος και η βάση πιστοποίησης είναι και τα δύο διαφορετικά.
Δοκιμή μόνο του Παραρτήματος C και η υπόθεση ότι αυτό καλύπτει την "παγοποίηση". Οι συνθήκες υπερψυγμένων μεγάλων σταγόνων του Παραρτήματος O αποτελούν πλέον ένα διακριτό, υποχρεωτικό μέρος της βάσης πιστοποίησης για πολλά προγράμματα, και προκαλούν παγοποίηση σε διαφορετικό τμήμα της αεροτομής.
Επικύρωση της πηγής θερμότητας χωρίς επικύρωση του συστήματος παροχής. Η διανομή μέσω του σωλήνα piccolo και οι απώλειες στους αγωγούς ενός συστήματος αέρα απαγωγής έχουν την ίδια σημασία με τη διαθέσιμη ακατέργαστη θερμότητα — ένα σύστημα που λειτουργεί στα χαρτιά μπορεί να υπολειτουργεί στο ακροπτερύγιο.
Μέτρηση της πρόληψης του πάγου χωρίς μέτρηση της αεροδυναμικής επίπτωσης. Η πιστοποίηση δεν είναι απλώς "σχηματίζεται πάγος" — είναι "πώς πετάει το αεροσκάφος με τα σχήματα πάγου έναντι των οποίων επικυρώνεται το σύστημα προστασίας".
Η υπόθεση ότι ένα μοντέλο υπό κλίμακα αποτυπώνει τα πάντα όπως ένα εξάρτημα πλήρους μεγέθους. Η φυσική της συσσώρευσης πάγου είναι ένας από τους τομείς όπου οι επιπτώσεις της κλίμακας συγχωρούν λιγότερο, και αυτός είναι ακριβώς ο λόγος για τον οποίο οι αεροσήραγγες παγοποίησης επιπέδου πιστοποίησης δοκιμάζουν απευθείας εξαρτήματα πλήρους μεγέθους.

5. Τι σημαίνει αυτό για το πρόγραμμά σας

Πείτε μας τη βάση πιστοποίησής σας και την αρχιτεκτονική προστασίας από παγοποίηση , και θα σχεδιάσουμε ένα πρόγραμμα δοκιμών βάσει του πραγματικού φακέλου του Παραρτήματος C και του Παραρτήματος O έναντι του οποίου πρέπει να πιστοποιηθεί το αεροσκάφος σας — όχι έναν γενικό έλεγχο ψυχρού καιρού. Σχετική ανάγνωση: το κεντρικό μας άρθρο σχετικά με

long-range fixed-wing UAS testing

Πηγές και σημειώσεις

Χαρακτηριστικά της εγκατάστασης Icing Research Tunnel της NASA (τμήμα δοκιμών 6 ft × 9 ft × 20 ft, ταχύτητα αέρα 50–350 knots, ολική θερμοκρασία –25°C έως 5°C, περιεκτικότητα σε υγρό νερό 0,2–3,0 g/m³ με ομοιομορφία νέφους ±10%, MVD σταγονιδίων 15–50 µm, ομοιόμορφο νέφος παγοποίησης 4,5 επί 6 ft, προσομοιωμένη ροή αέρα απαγωγής κινητήρα έως 1 lb/s, αναπαραγωγή των προτύπων πιστοποίησης παγοποίησης FAA FAR Μέρος 25 Παράρτημα C, δοκιμή εξαρτημάτων αεροσκαφών πλήρους μεγέθους και μοντέλων υπό κλίμακα αεροπλάνων και ελικοπτέρων, και η πελατειακή της βάση που περιλαμβάνει τις Boeing, Bell Helicopter, Goodrich, Cessna, Sikorsky και τις στρατιωτικές υπηρεσίες των ΗΠΑ): NASA Glenn Research Center / NASA Aeronautics Test Program, ενημερωτικό δελτίο "Icing Research Tunnel".
Η επέκταση των εργασιών βαθμονόμησης της IRT στις συνθήκες υπερψυγμένων μεγάλων σταγόνων (SLD) του Παραρτήματος O των FAA/EASA σε πιο πρόσφατες εκστρατείες δοκιμών της NASA τεκμηριώνεται σε μεταγενέστερες δημοσιεύσεις έρευνας παγοποίησης του NASA Glenn στον διακομιστή NASA Technical Reports Server.
Η ηλεκτροθερμική προστασία από παγοποίηση ως η τυπική προσέγγιση για μικρά εξαρτήματα UAV με περιορισμούς ισχύος, έναντι της θερμικής αντιπαγωτικής προστασίας με αέρα απαγωγής μέσω σωλήνα piccolo ως η προσέγγιση που ταιριάζει σε μεγάλα, πετρελαιοκίνητα αεροσκάφη HALE, και το αντιπαγωτικό σύστημα στο κάλυμμα του κινητήρα του RQ-4 Global Hawk που αντλεί θερμότητα από το υδραυλικό σύστημα του αεροσκάφους: σε συμφωνία με τη δημοσιευμένη βιβλιογραφία για τα συστήματα προστασίας αεροσκαφών από παγοποίηση.
Ιστορικό αεροσκάφους για το RQ-4B Global Hawk (κατηγορία HALE): σε συμφωνία με το δημοσιευμένο άρθρο μας σχετικά με τις δοκιμές UAS σταθερής πτέρυγας μεγάλης εμβέλειας (MALE, HALE και VTOL).
Η καθοδήγηση μεθοδολογίας δοκιμών (δοκιμές πλήρους φακέλου Παραρτήματος C και Παραρτήματος O, θερμική επικύρωση ολόκληρου του συστήματος, μέτρηση αεροδυναμικών επιπτώσεων με προσαρτημένα σχήματα πάγου, δοκιμή εξαρτημάτων πλήρους μεγέθους) αποτελεί μηχανική πρακτική της TunnelTech, η οποία ανταποκρίνεται άμεσα στα χαρακτηριστικά εγκαταστάσεων επιπέδου πιστοποίησης που τεκμηριώνονται παραπάνω.

Πιστοποίηση Παγοποίησης και Παντός Καιρού για Μεγάλα UAS Σταθερής Πτέρυγας