Ensayos de propulsión turbohélice y de pistón para UAS

La decisión de propulsión en una aeronave MALE o HALE es una disciplina completamente diferente a la de elegir un motor eléctrico y una hélice. Un motor turbohélice o de pistón de combustible pesado conlleva una toma de aire, un escape, un sistema de refrigeración y una hélice lo suficientemente grande como para interactuar de manera significativa con la célula en la que está montada; todo ello a velocidad y altitud de crucero reales, no en el régimen de baja velocidad y bajo número de Reynolds en el que opera un pequeño UAV eléctrico.

1. Dos motores reales, dos problemas reales de integración

Los dos ejemplos emblemáticos de esta clase ilustran lo diferente que puede ser el concepto de "propulsión" incluso dentro de la misma familia de aeronaves. El MQ-1 Predator original estaba propulsado por un único Rotax 914F, un motor de pistón turboalimentado de cuatro cilindros y cuatro tiempos con una potencia de unos 115 hp , refrigerado por aire en los cilindros y por agua en las culatas, que accionaba una hélice propulsora bipala (pusher) de velocidad constante . La aeronave volaba a una velocidad de crucero de entre 84 y 135 mph, a unos 25.000 pies, durante más de 24 horas seguidas.

Su sucesor de mayor tamaño, el MQ-9 Reaper , está propulsado por un turbohélice Honeywell TPE331-10 con control electrónico digital del motor , que también acciona una hélice propulsora multipala de paso variable montada en la parte trasera . Según General Atomics, la aeronave opera a altitudes de hasta 50.000 pies, vuela a una velocidad de crucero de 240 nudos (KTAS) y tiene una autonomía de más de 27 horas.

Ambas aeronaves optaron por la misma arquitectura básica —una hélice propulsora montada en la parte trasera del fuselaje— a pesar de que una funciona con gasolina mediante un motor de pistón y la otra con combustible de aviación mediante un turbohélice. Esta elección arquitectónica no es un aspecto secundario en un programa de túnel de viento; es fundamental.

2. Por qué la configuración propulsora supone un problema de ensayo en sí misma

Una hélice propulsora montada detrás del fuselaje no recibe aire limpio de la corriente libre: ingiere la estela del fuselaje y, dependiendo de la geometría, la del ala y el empenaje que la preceden. Ese flujo de entrada ya está distorsionado antes de llegar al disco de la hélice, y la hélice, a su vez, introduce su propio remolino (swirl) y perturbación de presión hacia adelante en el campo de flujo de la cola. Un ensayo en banco de pruebas solo para la hélice, o un ensayo aerodinámico solo para el ala, no caracteriza ninguna de las partes de esa interacción; cada una solo tiene sentido si se mide en presencia de la otra.

Esto refleja un hallazgo más amplio y documentado en la investigación sobre la integración de la entrada de la hélice y la integración célula-propulsión: la presencia de la hélice altera de forma medible la distribución de la presión total e introduce una distorsión por remolino, y los efectos del flujo de admisión y escape en una célula con propulsión integrada pueden modificar la relación sustentación-resistencia y el momento de cabeceo. Estos efectos solo se manifiestan cuando el sistema de propulsión y la célula se ensayan de forma conjunta, no por separado.

3. Qué debe abarcar realmente el ensayo de integración

La aeronave completa con una hélice representativa presente , no el resultado de un banco de empuje exclusivo para la hélice superpuesto a la polar de una célula limpia; la configuración propulsora implica específicamente que ambos elementos no son independientes.
La calidad del flujo de entrada en toda la envolvente de vuelo. La toma de aire de un turbohélice debe proporcionar niveles aceptables de recuperación de presión y distorsión a la cara del motor en condiciones de crucero, ascenso y cualquier situación de alto ángulo de ataque que incluya el perfil de la misión, un requisito que no tiene equivalente en un motor eléctrico.
Los efectos de la integración del escape sobre la resistencia aerodinámica y el momento de cabeceo , ya que está documentado que el flujo de admisión y escape modifica ambos de forma medible, y una misión de clase MALE se basa en la eficiencia de crucero, donde las pequeñas penalizaciones por resistencia se acumulan en vuelos de más de 24 horas.
La cuantificación de la resistencia de refrigeración específicamente para un grupo motopropulsor de pistón : un motor de pistón refrigerado por líquido o por aire presenta una resistencia aerodinámica por el flujo de refrigeración que un motor eléctrico simplemente no genera, y debe registrarse en el mismo ensayo que el resto del presupuesto de resistencia de la célula.
La interacción de la estela de la hélice con la cola , ya que una configuración propulsora sitúa el empenaje directamente en, o cerca de, el flujo de entrada y la estela de la hélice; un acoplamiento que varía en función del régimen de potencia y el ángulo de ataque.

4. Cinco errores que observamos

Ensayar la hélice y la célula como dos campañas separadas. En una configuración propulsora, el flujo de entrada de la hélice proviene de la estela de la célula y el flujo de la cola de la célula está moldeado por la hélice; ninguno de los ensayos por sí solo captura este acoplamiento.
Omitir la medición de la distorsión de entrada porque "el fabricante del motor la especifica". Las especificaciones del fabricante asumen un flujo de entrada limpio y sin distorsiones; la distorsión con el motor instalado en la célula es un efecto de instalación que la hoja de especificaciones del motor no puede predecir.
Tratar la resistencia de refrigeración como una idea de última hora en la integración del motor. Para un grupo motopropulsor de pistón, el flujo de refrigeración forma parte del presupuesto de resistencia de la aeronave desde el primer día, no es una corrección que se aplica una vez finalizado el ensayo aerodinámico.
Asumir que la propulsión turbohélice y la de pistón comparten un plan de ensayo. El requisito de recuperación de presión de entrada de un turbohélice y el requisito de flujo de aire de refrigeración de un motor de pistón son problemas físicos diferentes con necesidades de instrumentación distintas.
No realizar ensayos en diferentes regímenes de potencia. La interacción de la estela de la hélice con la cola cambia con el empuje, por lo que un ensayo con un único régimen de potencia pasa por alto cómo varía ese acoplamiento a lo largo del perfil real de la misión: las potencias de ascenso, crucero y espera no son puntos de ensayo intercambiables.

5. Qué significa esto para su programa

Indíquenos su tipo de motor, la configuración de la hélice y el perfil de potencia de la misión , y definiremos el alcance de un ensayo de integración célula-propulsión que capture de forma conjunta los efectos de admisión, escape, refrigeración y estela de la hélice, no como ensayos de banco separados añadidos a la polar de una célula limpia. Lectura relacionada: nuestro artículo principal sobre

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Fuentes y notas

Propulsión del MQ-1 Predator (motor de pistón turboalimentado de cuatro cilindros Rotax 914F con una potencia aproximada de 115 hp, cilindros refrigerados por aire con culatas refrigeradas por agua, hélice propulsora bipala de velocidad constante, velocidad de crucero de aproximadamente 84–135 mph a unos 25.000 pies para misiones de más de 24 horas): coherente con las especificaciones del motor publicadas por el fabricante (página del producto Rotax, "914 UL | F") y el historial del programa MQ-1 Predator de General Atomics.
Propulsión del MQ-9A Reaper (turbohélice Honeywell TPE331-10 con control electrónico digital del motor, altitud máxima de 50.000 pies, velocidad de crucero de 240 KTAS, autonomía de más de 27 horas): General Atomics Aeronautical Systems, "MQ-9A Reaper (Predator B)".
La configuración de hélice propulsora montada en la parte trasera tanto en la célula del Predator como en la del Reaper es una característica documentada del diseño de la familia Predator/Reaper de General Atomics.
Los efectos de la integración de la entrada de la hélice (cambios medibles en la distribución de la presión total y la distorsión por remolino con la hélice activa) y los efectos de la integración de la admisión/escape en la relación sustentación-resistencia y el momento de cabeceo son hallazgos documentados en la literatura publicada sobre simulación y túnel de viento para la integración de la entrada de la hélice y la integración célula-propulsión.
Las directrices sobre la metodología de ensayo (ensayo combinado de hélice y célula, medición de la distorsión de entrada, cuantificación de la resistencia de refrigeración, ensayo de la estela de la hélice con múltiples regímenes de potencia) son prácticas de ingeniería de TunnelTech.

Integración de propulsión turbohélice y de pistón para UAS de largo alcance