Ενσωμάτωση Πρόωσης με Ελικοστρόβιλους και Εμβολοφόρους Κινητήρες για UAS Μεγάλης Εμβέλειας
Γιατί τα MALE UAS με ελικοστρόβιλους και εμβολοφόρους κινητήρες παρουσιάζουν προβλήματα ενσωμάτωσης που δεν αντιμετωπίζουν ποτέ τα ηλεκτρικά drones, τι δείχνουν τα πραγματικά αεροσκάφη και τι πρέπει να δοκιμαστεί.
Η απόφαση για το σύστημα πρόωσης σε ένα αεροσκάφος MALE ή HALE αποτελεί έναν εντελώς διαφορετικό τομέα από την απλή επιλογή ενός ηλεκτροκινητήρα και ενός έλικα. Ένας ελικοστρόβιλος (turboprop) ή ένας εμβολοφόρος κινητήρας βαρέος καυσίμου φέρει μια εισαγωγή αέρα, μια εξαγωγή, ένα σύστημα ψύξης και έναν έλικα αρκετά μεγάλο ώστε να αλληλεπιδρά σημαντικά με την άτρακτο στην οποία είναι τοποθετημένος — όλα αυτά σε πραγματική ταχύτητα ταξιδιού και υψόμετρο, και όχι στο καθεστώς χαμηλής ταχύτητας και χαμηλού αριθμού Reynolds όπου λειτουργεί ένα μικρό ηλεκτρικό UAV.
1. Δύο πραγματικοί κινητήρες, δύο πραγματικά προβλήματα ενσωμάτωσης
Τα δύο κορυφαία παραδείγματα αυτής της κατηγορίας καταδεικνύουν πόσο διαφορετική μπορεί να είναι η έννοια της «πρόωσης» ακόμη και μέσα στην ίδια οικογένεια αεροσκαφών. Το αρχικό MQ-1 Predator τροφοδοτούνταν από έναν μονό Rotax 914F, έναν υπερτροφοδοτούμενο, τετρακύλινδρο, τετράχρονο εμβολοφόρο κινητήρα απόδοσης περίπου 115 hp , αερόψυκτο στους κυλίνδρους και υδρόψυκτο στις κεφαλές, ο οποίος κινούσε έναν δίφυλλο έλικα ώθησης σταθερής ταχύτητας — το αεροσκάφος πετούσε με ταχύτητα ταξιδιού περίπου 84 έως 135 mph, σε υψόμετρο γύρω στα 25.000 ft, για περισσότερες από 24 ώρες συνεχόμενα.
Ο μεγαλύτερος διάδοχός του, το MQ-9 Reaper , τροφοδοτείται από έναν ελικοστρόβιλο Honeywell TPE331-10 με Ψηφιακό Ηλεκτρονικό Έλεγχο Κινητήρα , ο οποίος επίσης κινεί έναν οπίσθιας τοποθέτησης, πολύφυλλο έλικα ώθησης ελεγχόμενου βήματος . Σύμφωνα με την General Atomics, το αεροσκάφος επιχειρεί σε υψόμετρο έως και 50.000 ft, πετά με πραγματική ταχύτητα αέρα 240 knots (KTAS) και έχει αυτονομία άνω των 27 ωρών.
Και τα δύο αεροσκάφη επέλεξαν την ίδια βασική αρχιτεκτονική — έναν έλικα ώθησης τοποθετημένο στο πίσω μέρος της ατράκτου — παρόλο που το ένα λειτουργεί με βενζίνη μέσω εμβολοφόρου κινητήρα και το άλλο με καύσιμο αεριωθούμενων μέσω ελικοστρόβιλου. Αυτή η αρχιτεκτονική επιλογή δεν είναι τυχαία για ένα πρόγραμμα δοκιμών σε αεροσήραγγα· είναι κεντρικής σημασίας.
2. Γιατί η διάταξη ώθησης αποτελεί από μόνη της ένα πρόβλημα δοκιμών
Ένας έλικας ώθησης τοποθετημένος πίσω από την άτρακτο δεν δέχεται καθαρό αέρα ελεύθερης ροής — αναρροφά το αεροδυναμικό ίχνος της ατράκτου και, ανάλογα με τη γεωμετρία, της πτέρυγας και του ουραίου πτερώματος που βρίσκονται μπροστά του. Αυτή η εισερχόμενη ροή είναι ήδη παραμορφωμένη πριν φτάσει στον δίσκο του έλικα, και ο έλικας με τη σειρά του μεταδίδει τον δικό του στροβιλισμό (swirl) και τη διαταραχή πίεσης προς τα εμπρός, στο πεδίο ροής της ουράς. Μια δοκιμή σε πάγκο μόνο για τον έλικα, ή μια αεροδυναμική δοκιμή μόνο για την πτέρυγα, δεν χαρακτηρίζει καμία πλευρά αυτής της αλληλεπίδρασης — η καθεμία έχει νόημα μόνο όταν μετράται με την παρουσία της άλλης.
Αυτό αντικατοπτρίζει ένα ευρύτερο, τεκμηριωμένο εύρημα στην έρευνα ενσωμάτωσης έλικα-εισαγωγής και ατράκτου-πρόωσης: η παρουσία του έλικα αλλάζει μετρήσιμα τη συνολική κατανομή πίεσης και εισάγει παραμόρφωση λόγω στροβιλισμού (swirl), ενώ οι επιδράσεις της ροής εισαγωγής και εξαγωγής σε μια άτρακτο με ενσωματωμένη πρόωση μπορούν να μεταβάλουν τον λόγο άντωσης προς οπισθέλκουσα και τη ροπή πρόνευσης — επιδράσεις που εμφανίζονται μόνο όταν το σύστημα πρόωσης και η άτρακτος δοκιμάζονται μαζί, και όχι ξεχωριστά.
3. Τι πρέπει πραγματικά να καλύπτουν οι δοκιμές ενσωμάτωσης
- Ολόκληρη την άτρακτο με την παρουσία ενός αντιπροσωπευτικού έλικα , και όχι ένα αποτέλεσμα δοκιμής ώσης μόνο του έλικα που προστίθεται στην πολική καμπύλη μιας «καθαρής» ατράκτου — η διάταξη ώθησης σημαίνει συγκεκριμένα ότι τα δύο αυτά στοιχεία δεν είναι ανεξάρτητα.
- Την ποιότητα της ροής εισαγωγής σε όλο τον φάκελο πτήσης. Η εισαγωγή αέρα ενός ελικοστρόβιλου πρέπει να παρέχει αποδεκτά επίπεδα ανάκτησης πίεσης και παραμόρφωσης στην πρόσοψη του κινητήρα κατά την πτήση ταξιδιού, την άνοδο και οποιαδήποτε συνθήκη υψηλής γωνίας προσβολής περιλαμβάνει το προφίλ της αποστολής — μια απαίτηση που δεν έχει αντίστοιχο σε έναν ηλεκτροκινητήρα.
- Τις επιδράσεις της ενσωμάτωσης της εξαγωγής στην οπισθέλκουσα και τη ροπή πρόνευσης , καθώς είναι τεκμηριωμένο ότι η ροή εισαγωγής και εξαγωγής μεταβάλλει μετρήσιμα και τα δύο, και μια αποστολή κατηγορίας MALE βασίζεται στην αποδοτικότητα πτήσης ταξιδιού, όπου μικρές επιβαρύνσεις στην οπισθέλκουσα συσσωρεύονται σε πτήσεις διάρκειας 24 και πλέον ωρών.
- Τον υπολογισμό της οπισθέλκουσας ψύξης ειδικά για εμβολοφόρους κινητήρες — ένας υδρόψυκτος ή αερόψυκτος εμβολοφόρος κινητήρας έχει οπισθέλκουσα ροής ψύξης που ένας ηλεκτροκινητήρας απλώς δεν παράγει, και πρέπει να καταγραφεί στην ίδια δοκιμή με τον υπόλοιπο προϋπολογισμό οπισθέλκουσας της ατράκτου.
- Την αλληλεπίδραση του αεροδυναμικού ίχνους του έλικα με την ουρά , καθώς μια διάταξη ώθησης τοποθετεί το ουραίο πτέρωμα απευθείας μέσα, ή κοντά, στην εισερχόμενη ροή και το ρεύμα (slipstream) του έλικα — μια σύζευξη που αλλάζει ανάλογα με τη ρύθμιση ισχύος και τη γωνία προσβολής.
4. Πέντε λάθη που παρατηρούμε
- Η δοκιμή του έλικα και της ατράκτου ως δύο ξεχωριστές εκστρατείες. Σε μια διάταξη ώθησης, η εισερχόμενη ροή του έλικα προέρχεται από το αεροδυναμικό ίχνος της ατράκτου και η ροή στην ουρά της ατράκτου διαμορφώνεται από τον έλικα — καμία δοκιμή από μόνη της δεν αποτυπώνει τη σύζευξη.
- Η παράλειψη της μέτρησης παραμόρφωσης της εισαγωγής επειδή «ο κατασκευαστής του κινητήρα την προδιαγράφει». Οι προδιαγραφές του κατασκευαστή προϋποθέτουν μια καθαρή, μη παραμορφωμένη εισερχόμενη ροή· η παραμόρφωση λόγω εγκατάστασης στην άτρακτο είναι μια επίδραση εγκατάστασης που το φύλλο προδιαγραφών του κινητήρα δεν μπορεί να προβλέψει.
- Η αντιμετώπιση της οπισθέλκουσας ψύξης ως δευτερεύον ζήτημα ενσωμάτωσης του κινητήρα. Για έναν εμβολοφόρο κινητήρα, η ροή ψύξης αποτελεί μέρος του προϋπολογισμού οπισθέλκουσας του αεροσκάφους από την πρώτη μέρα, και όχι μια διόρθωση που εφαρμόζεται μετά την ολοκλήρωση της αεροδυναμικής δοκιμής.
- Η υπόθεση ότι η πρόωση με ελικοστρόβιλο και εμβολοφόρο κινητήρα μοιράζονται το ίδιο σχέδιο δοκιμών. Η απαίτηση ανάκτησης πίεσης εισαγωγής ενός ελικοστρόβιλου και η απαίτηση ροής αέρα ψύξης ενός εμβολοφόρου κινητήρα είναι διαφορετικά φυσικά προβλήματα με διαφορετικές ανάγκες οργανολογίας.
- Η μη διεξαγωγή δοκιμών σε διαφορετικές ρυθμίσεις ισχύος. Η αλληλεπίδραση του ρεύματος του έλικα (slipstream) με την ουρά αλλάζει με την ώση, επομένως μια δοκιμή σε μία μόνο ρύθμιση ισχύος χάνει τον τρόπο με τον οποίο αυτή η σύζευξη μεταβάλλεται σε όλο το πραγματικό προφίλ της αποστολής — η ισχύς ανόδου, πτήσης ταξιδιού και αναμονής δεν είναι εναλλάξιμα σημεία δοκιμής.
5. Τι σημαίνει αυτό για το πρόγραμμά σας
Πείτε μας τον τύπο του κινητήρα σας, τη διαμόρφωση του έλικα και το προφίλ ισχύος της αποστολής , και θα σχεδιάσουμε μια δοκιμή ενσωμάτωσης ατράκτου-πρόωσης που θα καταγράφει μαζί τις επιδράσεις της εισαγωγής, της εξαγωγής, της ψύξης και του ρεύματος του έλικα (slipstream) — όχι ως ξεχωριστές δοκιμές σε πάγκο που προστίθενται στην πολική καμπύλη μιας «καθαρής» ατράκτου. Σχετική ανάγνωση: το κεντρικό μας άρθρο στο
long-range fixed-wing UAS testing.
Πηγές και σημειώσεις
- Πρόωση MQ-1 Predator (υπερτροφοδοτούμενος τετρακύλινδρος εμβολοφόρος κινητήρας Rotax 914F απόδοσης περίπου 115 hp, αερόψυκτοι κύλινδροι με υδρόψυκτες κεφαλές, δίφυλλος έλικας ώθησης σταθερής ταχύτητας, ταχύτητα ταξιδιού περίπου 84–135 mph σε περίπου 25.000 ft για αποστολές διάρκειας 24 και πλέον ωρών): συνεπής με τις δημοσιευμένες προδιαγραφές κινητήρα του κατασκευαστή (Σελίδα προϊόντος Rotax, "914 UL | F") και το ιστορικό του προγράμματος MQ-1 Predator της General Atomics.
- Πρόωση MQ-9A Reaper (ελικοστρόβιλος Honeywell TPE331-10 με Ψηφιακό Ηλεκτρονικό Έλεγχο Κινητήρα, μέγιστο υψόμετρο 50.000 ft, ταχύτητα ταξιδιού 240 KTAS, αυτονομία άνω των 27 ωρών): General Atomics Aeronautical Systems, "MQ-9A Reaper (Predator B)".
- Η διαμόρφωση έλικα ώθησης οπίσθιας τοποθέτησης τόσο στην άτρακτο του Predator όσο και του Reaper είναι ένα τεκμηριωμένο χαρακτηριστικό του σχεδιασμού της οικογένειας Predator/Reaper της General Atomics.
- Οι επιδράσεις ενσωμάτωσης έλικα-εισαγωγής (μετρήσιμες αλλαγές στη συνολική κατανομή πίεσης και παραμόρφωση λόγω στροβιλισμού (swirl) με τον έλικα ενεργό) και οι επιδράσεις ενσωμάτωσης εισαγωγής/εξαγωγής στον λόγο άντωσης προς οπισθέλκουσα και τη ροπή πρόνευσης είναι τεκμηριωμένα ευρήματα στη δημοσιευμένη βιβλιογραφία δοκιμών σε αεροσήραγγα και προσομοιώσεων για την ενσωμάτωση έλικα-εισαγωγής και ατράκτου-πρόωσης.
- Η καθοδήγηση μεθοδολογίας δοκιμών (συνδυασμένη δοκιμή έλικα-ατράκτου, μέτρηση παραμόρφωσης εισαγωγής, υπολογισμός οπισθέλκουσας ψύξης, δοκιμή ρεύματος έλικα σε πολλαπλές ρυθμίσεις ισχύος) αποτελεί μηχανική πρακτική της TunnelTech.