Ensayos de certificación contra engelamiento para UAS grandes de ala fija

El engelamiento en un UAV eléctrico pequeño suele resolverse con una hélice calefactada o un tubo pitot calefactado: una solución específica para un componente pequeño con limitaciones de potencia. El engelamiento en una aeronave MALE o HALE es un problema de una magnitud completamente distinta: es un requisito de certificación basado en normativas para toda la aeronave, que se ensaya frente a la misma envolvente de engelamiento para la que se certifican los aviones de transporte tripulados, ya que a esta escala el vehículo vuela en las mismas condiciones meteorológicas.

1. El estándar de certificación es el mismo que utilizan las aeronaves tripuladas

La instalación de referencia para este tipo de ensayos es el Icing Research Tunnel (IRT) de la NASA en el Glenn Research Center, uno de los túneles de viento refrigerados más grandes del mundo dedicados al engelamiento de aeronaves, y una instalación que replica explícitamente el estándar de certificación de engelamiento de la FAA en la Parte 25, Apéndice C, de la Normativa Federal de Aviación (FAR) . Sus características publicadas muestran lo que realmente exige una «certificación de engelamiento a escala real»:

Sección de ensayo de 6 pies de alto × 9 pies de ancho × 20 pies de largo
Velocidad del aire en la sección de ensayo de 50 a 350 nudos
Temperatura total de la sección de ensayo de –25 °C a 5 °C
Contenido de agua líquida de 0,2 a 3,0 g/m³ , con una uniformidad de la nube mantenida en ±10 %
Diámetro volumétrico medio de las gotas de 15 a 50 µm
Una nube de engelamiento uniforme que cubre 4,5 por 6 pies de la sección de ensayo
Flujo simulado de aire sangrado del motor de hasta 1 lb/s , para ensayar sistemas térmicos antihielo que utilizan aire sangrado caliente

El IRT ensaya componentes de aeronaves a tamaño real, así como modelos a escala tanto de aviones como de helicópteros, y su lista de clientes (Boeing, Bell Helicopter, Goodrich, Cessna, Sikorsky, además del Ejército, la Armada y la Fuerza Aérea de los EE. UU.) refleja que se trata de una infraestructura con calidad de certificación, no de una curiosidad de investigación. Las campañas de ensayos de engelamiento más recientes de la NASA también han ampliado el trabajo de calibración hacia las nuevas condiciones de gotas grandes subenfriadas (SLD) del Apéndice O , que tanto la FAA como la EASA exigen ahora junto con la envolvente original del Apéndice C.

2. Por qué la propia tecnología de protección contra el hielo difiere según la escala

La tecnología de protección contra el hielo se divide claramente según la escala de la aeronave, y lo hace por una razón física: la potencia disponible. El calentamiento electrotérmico (el enfoque típico de los UAV pequeños) está limitado por el amperaje de la batería que puede suministrar una plataforma eléctrica pequeña, razón por la cual suele limitarse a componentes pequeños de alto valor, como una hélice o una sonda pitot, en lugar de a un ala entera.

Una aeronave MALE o HALE grande propulsada por combustible tiene un presupuesto de potencia completamente distinto, lo que abre la puerta al sistema térmico antihielo mediante aire sangrado del motor , canalizado hacia el borde de ataque del ala a través de un tubo piccolo: la misma arquitectura básica que los aviones de transporte tripulados han utilizado durante décadas, y que evita que la aeronave tenga que transportar la capacidad de generación eléctrica que exigiría un sistema de protección contra el hielo totalmente eléctrico. Entre los ejemplos documentados a esta escala se incluye el RQ-4 Global Hawk , cuyo sistema antihielo del capó del motor extrae el calor del sistema hidráulico de la aeronave en lugar del aire sangrado, un recordatorio de que la «protección térmica» en un UAS grande puede diseñarse a partir de más de una fuente de calor a bordo, y la elección correcta depende de la arquitectura de sistemas específica de la aeronave.

3. Qué debe abarcar una campaña de ensayos de engelamiento para alas fijas grandes

Ensayos frente a la envolvente de certificación real , no frente a una condición fría y húmeda arbitraria: las combinaciones de contenido de agua líquida, tamaño de las gotas y temperatura del Apéndice C se especifican con precisión porque las distintas combinaciones producen diferentes formas de hielo y diferentes penalizaciones aerodinámicas.
Condiciones de gotas grandes subenfriadas del Apéndice O junto con el Apéndice C , ya que el engelamiento por SLD produce una acumulación de hielo más hacia atrás en el perfil aerodinámico que el engelamiento clásico del Apéndice C, en una ubicación que los sistemas de protección contra el hielo diseñados únicamente para el Apéndice C podrían no cubrir.
Todo el sistema térmico, no solo la superficie calentada : para un sistema de aire sangrado, esto significa ensayar los conductos, la distribución del tubo piccolo y el suministro de calor bajo un flujo de motor simulado, no solo medir el desprendimiento de hielo de un panel calentado de forma aislada.
Rendimiento aerodinámico con formas de hielo realistas adheridas , ya que, en última instancia, la certificación trata sobre las cualidades de vuelo de la aeronave con el hielo para el que se ha diseñado el sistema de protección, no solo sobre si el sistema de protección evita la formación de hielo en el mejor de los casos.
Componentes a tamaño real siempre que la base de certificación lo exija : la capacidad documentada del IRT para ensayar componentes de aeronaves a tamaño real existe precisamente porque la física de la acumulación de hielo en algunos componentes no se escala de forma limpia a un modelo pequeño.

4. Cinco errores que observamos

Tratar la protección contra el engelamiento como un problema electrotérmico a nivel de componente en cualquier escala de aeronave. Lo que funciona para la hélice de un UAV pequeño no se extrapola a un ala MALE/HALE: tanto el presupuesto de potencia como la base de certificación son diferentes.
Ensayar solo el Apéndice C y asumir que eso cubre el «engelamiento». Las condiciones de gotas grandes subenfriadas del Apéndice O son ahora una parte distinta y obligatoria de la base de certificación para muchos programas, y congelan una parte diferente del perfil aerodinámico.
Validar la fuente de calor sin validar el sistema de suministro. La distribución del tubo piccolo de un sistema de aire sangrado y las pérdidas en los conductos importan tanto como el calor bruto disponible: un sistema que funciona sobre el papel puede tener un rendimiento inferior en la punta del ala.
Medir la prevención del hielo sin medir la penalización aerodinámica. La certificación no consiste solo en «¿se forma hielo?», sino en «¿cómo vuela la aeronave con las formas de hielo frente a las que se valida el sistema de protección?».
Asumir que un modelo a escala captura todo lo que haría un componente a tamaño real. La física de la acumulación de hielo es una de las áreas donde los efectos de escala son menos indulgentes, que es exactamente la razón por la que los túneles de engelamiento con calidad de certificación ensayan componentes a tamaño real directamente.

5. Qué significa esto para su programa

Indíquenos su base de certificación y la arquitectura de protección contra el hielo , y definiremos el alcance de un programa de ensayos frente a la envolvente real del Apéndice C y el Apéndice O frente a la que su aeronave necesita certificarse, no una comprobación genérica de clima frío. Lectura relacionada: nuestro artículo principal sobre

long-range fixed-wing UAS testing

Fuentes y notas

Características de las instalaciones del Icing Research Tunnel de la NASA (sección de ensayo de 6 pies × 9 pies × 20 pies, velocidad del aire de 50–350 nudos, temperatura total de –25 °C a 5 °C, contenido de agua líquida de 0,2–3,0 g/m³ con una uniformidad de la nube de ±10 %, MVD de las gotas de 15–50 µm, nube de engelamiento uniforme de 4,5 por 6 pies, flujo simulado de aire sangrado del motor de hasta 1 lb/s, replicación de los estándares de certificación de engelamiento de la FAA FAR Parte 25 Apéndice C, ensayos de componentes de aeronaves a tamaño real y modelos a escala de aviones y helicópteros, y su base de clientes que incluye a Boeing, Bell Helicopter, Goodrich, Cessna, Sikorsky y los servicios militares de EE. UU.): NASA Glenn Research Center / NASA Aeronautics Test Program, hoja informativa del "Icing Research Tunnel".
La ampliación del trabajo de calibración del IRT a las condiciones de gotas grandes subenfriadas (SLD) del Apéndice O de la FAA/EASA en campañas de ensayos más recientes de la NASA está documentada en publicaciones posteriores de investigación sobre engelamiento del NASA Glenn en el NASA Technical Reports Server.
La protección electrotérmica contra el hielo como el enfoque típico para componentes de UAV pequeños con limitaciones de potencia, frente al sistema térmico antihielo de aire sangrado mediante tubo piccolo como el enfoque adecuado para aeronaves HALE grandes propulsadas por combustible, y el sistema antihielo del capó del motor del RQ-4 Global Hawk que extrae calor del sistema hidráulico de la aeronave: en consonancia con la literatura publicada sobre sistemas de protección contra el hielo en aeronaves.
Antecedentes de la aeronave RQ-4B Global Hawk (clase HALE): en consonancia con nuestro artículo publicado sobre ensayos de UAS de ala fija de largo alcance (MALE, HALE y VTOL).
La orientación sobre la metodología de ensayo (ensayos de envolvente completa del Apéndice C y el Apéndice O, validación térmica de todo el sistema, medición de la penalización aerodinámica con formas de hielo adheridas, ensayos de componentes a tamaño real) es una práctica de ingeniería de TunnelTech, que responde directamente a las características de las instalaciones con calidad de certificación documentadas anteriormente.

Certificación contra engelamiento y para todo tipo de clima en UAS grandes de ala fija