Turbopropeller- ja kolbmootorite integreerimine pikamaa mehitamata õhusõidukisüsteemidele (UAS)
Miks turbopropeller- ja kolbmootoriga MALE UAS toovad kaasa integreerimisprobleemi, millega elektrilised droonid kunagi silmitsi ei seisa, mida näitavad reaalsed õhusõidukid ja mida testida.
MALE- või HALE-klassi õhusõiduki käitursüsteemi valik on täiesti teistsugune distsipliin kui lihtsalt elektrimootori ja propelleri valimine. Turbopropeller- või raskekütusel töötav kolbmootor toob endaga kaasa õhuvõtuava, väljalaskesüsteemi, jahutussüsteemi ja propelleri, mis on piisavalt suur, et mõjutada oluliselt lennukikeret, millele see on paigaldatud — seda kõike tegelikul reisikiirusel ja lennukõrgusel, mitte madalal kiirusel ja madala Reynoldsi arvuga režiimis, milles tegutseb väike elektriline UAV.
1. Kaks reaalset mootorit, kaks reaalset integreerimisprobleemi
Selle klassi kaks lipulaeva näitavad, kui erinev võib "käitursüsteem" olla isegi sama õhusõidukite perekonna siseselt. Algne MQ-1 Predator sai toite ühest Rotax 914F turbokompressoriga neljasilindrilisest neljataktilisest kolbmootorist võimsusega umbes 115 hj , mille silindrid olid õhkjahutusega ja plokikaaned vesijahutusega, käitades kahelabalist püsikiirusega tõukavat propellerit — õhusõiduk lendas reisikiirusel umbes 84–135 mph, ligikaudu 25 000 jala kõrgusel, korraga tublisti üle 24 tunni.
Selle suurem järeltulija, MQ-9 Reaper , on varustatud digitaalse elektroonilise mootorijuhtimisega Honeywell TPE331-10 turbopropellermootoriga , mis käitab samuti taha paigaldatud mitmelabalist muutuva sammuga tõukavat propellerit . General Atomicsi andmetel suudab õhusõiduk lennata kuni 50 000 jala kõrgusel, selle tegelik õhukiirus on 240 sõlme ja lennukestus üle 27 tunni.
Mõlema õhusõiduki puhul valiti sama põhiarhitektuur — kere tagaossa paigaldatud tõukav propeller —, hoolimata sellest, et üks töötab bensiiniga kolbmootori abil ja teine lennukikütusega turbopropellermootori abil. See arhitektuuriline valik ei ole tuuletunneli programmi jaoks juhuslik; see on selle keskmes.
2. Miks tõukava propelleri paigutus on omaette testimisprobleem
Kere taha paigaldatud tõukav propeller ei puutu kokku puhta vaba õhuvooluga — see imeb endasse kere ning, sõltuvalt geomeetriast, selle ees asuva tiiva ja sabaosa turbulentsijälje. See sissevool on juba enne propellerikettani jõudmist moonutatud ning propeller omakorda suunab oma pöörise (swirl) ja rõhuhäired ettepoole sabaosa vooluvälja. Ainult propelleri stendikatse või ainult tiiva aerodünaamiline test ei iseloomusta kummagi poole vastastikmõju — kumbki omab mõtet vaid siis, kui neid mõõdetakse koos.
See peegeldab laiemat, dokumenteeritud leidu propelleri-sisselaskeava ja lennukikere-käitursüsteemi integreerimise uuringutes: propelleri kohalolek muudab mõõdetavalt kogurõhu jaotust ja tekitab pöörismoonutusi ning sisselaske- ja väljalaskevoolu mõjud käitursüsteemiga integreeritud lennukikerele võivad muuta tõste-takistuse suhet ja tangaažimomenti — need on mõjud, mis ilmnevad alles siis, kui käitursüsteemi ja lennukikeret testitakse koos, mitte eraldi.
3. Mida integreerimise testimine tegelikult hõlmama peab
- Kogu lennukikere koos esindusliku propelleriga , mitte ainult propelleri tõukejõustendi tulemus, mis on lisatud puhta lennukikere polaarkõverale — tõukava propelleri konfiguratsioon tähendab otseselt, et need kaks ei ole teineteisest sõltumatud.
- Sisselaskevoolu kvaliteet kogu lennuümbrise ulatuses. Turbopropellermootori õhuvõtuava peab tagama vastuvõetava rõhu taastumise ja moonutuste taseme mootori esiküljel nii reisilennul, tõusul kui ka mis tahes suure kohtumisnurga tingimustes, mida missiooniprofiil sisaldab — see on nõue, millel puudub elektrimootori puhul ekvivalent.
- Väljalaskesüsteemi integreerimise mõju takistusele ja tangaažimomendile , kuna on dokumenteeritud, et sisselaske- ja väljalaskevool muudavad mõõdetavalt mõlemat, ning MALE-klassi missioonide müügiargument on reisilennu tõhusus, kus väikesed takistuse lisandumised kumuleeruvad üle 24-tunniste lendude jooksul.
- Jahutustakistuse arvestamine spetsiifiliselt kolbmootori puhul — vedelik- või õhkjahutusega kolbmootoril on jahutusvoolu takistus, mida elektrimootor lihtsalt ei tekita, ja see tuleb registreerida samas testis koos ülejäänud lennukikere takistuseelarvega.
- Propelleri jättvoolu vastastikmõju sabaosaga , kuna tõukava propelleri paigutus asetab sabaosa otse propelleri sissevoolu ja jättvoolu sisse või selle lähedale — see on seos, mis muutub sõltuvalt võimsusastmest ja kohtumisnurgast.
4. Viis viga, mida me näeme
- Propelleri ja lennukikere testimine kahe eraldi kampaaniaga. Tõukava propelleri konfiguratsiooni korral pärineb propelleri sissevool lennukikere jätt-turbulentsist ja lennukikere sabaosa voolu kujundab propeller — kumbki test eraldi ei suuda seda seost tabada.
- Sisselaskeava moonutuste mõõtmise vahelejätmine, sest "mootoritootja on selle spetsifitseerinud." Tootja spetsifikatsioonid eeldavad puhast, moonutamata sissevoolu; lennukikerele paigaldamisest tulenev moonutus on paigaldusefekt, mida mootori andmeleht ei suuda ette näha.
- Jahutustakistuse käsitlemine mootori integreerimise teisejärgulise küsimusena. Kolbmootori puhul on jahutusvool osa õhusõiduki takistuseelarvest esimesest päevast alates, mitte parandus, mis tehakse pärast aerodünaamilise testi lõppu.
- Eeldamine, et turbopropeller- ja kolbmootor jagavad sama testplaani. Turbopropellermootori sisselaskeava rõhu taastumise nõue ja kolbmootori jahutusõhuvoolu nõue on erinevad füüsikalised probleemid, mis vajavad erinevat mõõteaparatuuri.
- Erinevate võimsusastmete testimata jätmine. Propelleri jättvoolu vastastikmõju sabaosaga muutub koos tõukejõuga, seega jätab ainult ühe võimsusastmega test tähelepanuta, kuidas see seos tegeliku missiooniprofiili jooksul muutub — tõusu, reisilennu ja ootelennu võimsused ei ole omavahel asendatavad testpunktid.
5. Mida see teie programmi jaoks tähendab
Öelge meile oma mootori tüüp, propelleri konfiguratsioon ja missiooni võimsusprofiil ning me koostame lennukikere ja käitursüsteemi integreerimise testi, mis hõlmab sisselaske-, väljalaske-, jahutus- ja jättvoolu mõjusid koos — mitte eraldi stendikatsetena, mis on lisatud puhta lennukikere polaarkõverale. Seotud lugemine: meie keskne artikkel teemal
long-range fixed-wing UAS testing.
Allikad ja märkused
- MQ-1 Predatori käitursüsteem (Rotax 914F turbokompressoriga neljasilindriline kolbmootor võimsusega umbes 115 hj, õhkjahutusega silindrid ja vesijahutusega plokikaaned, kahelabaline püsikiirusega tõukav propeller, reisikiirus umbes 84–135 mph ligikaudu 25 000 jala kõrgusel üle 24-tunniste missioonide jaoks): kooskõlas tootja avaldatud mootori spetsifikatsioonidega (Rotax, "914 UL | F" tooteleht) ja General Atomicsi MQ-1 Predatori programmi ajalooga.
- MQ-9A Reaperi käitursüsteem (digitaalse elektroonilise mootorijuhtimisega Honeywell TPE331-10 turbopropellermootor, maksimaalne lennukõrgus 50 000 jalga, reisikiirus 240 KTAS, lennukestus üle 27 tunni): General Atomics Aeronautical Systems, "MQ-9A Reaper (Predator B)".
- Taha paigaldatud tõukava propelleri konfiguratsioon nii Predatori kui ka Reaperi lennukikeredel on General Atomicsi Predator/Reaper perekonna disaini dokumenteeritud omadus.
- Propelleri-sisselaskeava integreerimise mõjud (mõõdetavad muutused kogurõhu jaotuses ja pöörismoonutustes aktiivse propelleri korral) ning sisselaske/väljalaske integreerimise mõjud tõste-takistuse suhtele ja tangaažimomendile on dokumenteeritud leiud avaldatud propelleri-sisselaskeava ja lennukikere-käitursüsteemi integreerimise tuuletunneli ja simulatsioonide kirjanduses.
- Testimismetoodika juhised (kombineeritud propelleri ja lennukikere testimine, sisselaskeava moonutuste mõõtmine, jahutustakistuse arvestamine, erinevate võimsusastmetega jättvoolu testimine) on TunnelTech inseneripraktika.