گواهینامه یخزدگی و پرواز در تمام شرایط آبوهوایی برای پهپادهای بال ثابت بزرگ (UAS)
چرا محافظت در برابر یخزدگی در یک هواگرد MALE یا HALE یک مسئله کامل برای صدور گواهینامه است، نه یک اصلاح قطعه کوچک، یک تونل باد یخزدگی واقعی چه چیزی ارائه میدهد و چه مواردی باید آزمایش شوند.
یخزدگی در یک پهپاد (UAV) الکتریکی کوچک معمولاً با یک ملخ گرمشونده یا لوله پیتوت گرمشونده برطرف میشود — یک راهحل هدفمند برای یک قطعه کوچک با محدودیت توان. اما یخزدگی در یک هواگرد MALE یا HALE کاملاً مسئلهای در سطح متفاوت است: این یک الزام گواهینامهای مبتنی بر استاندارد برای کل هواگرد است که در برابر همان پوشش یخزدگی آزمایش میشود که هواگردهای ترابری سرنشیندار برای آن گواهینامه میگیرند، زیرا در این ابعاد، وسیله نقلیه در همان شرایط آبوهوایی پرواز میکند.
۱. استاندارد صدور گواهینامه همان استانداردی است که هواگردهای سرنشیندار استفاده میکنند
تأسیسات مرجع برای این کلاس از آزمایشها، تونل باد تحقیقاتی یخزدگی (IRT) ناسا در مرکز تحقیقاتی گلن است — یکی از بزرگترین تونلهای باد یخچالدار جهان که به یخزدگی هواگردها اختصاص دارد و تأسیساتی است که صراحتاً استاندارد گواهینامه یخزدگی FAA در مقررات هوانوردی فدرال بخش ۲۵، پیوست C را شبیهسازی میکند . مشخصات منتشر شده آن نشان میدهد که «گواهینامه یخزدگی مقیاس کامل» در واقع به چه مواردی نیاز دارد:
- بخش تست به ابعاد ۶ فوت ارتفاع × ۹ فوت عرض × ۲۰ فوت طول
- سرعت هوای بخش تست ۵۰ تا ۳۵۰ گره
- دمای کل بخش تست ۲۵- تا ۵ درجه سانتیگراد
- محتوای آب مایع ۰٫۲ تا ۳٫۰ g/m³ ، با یکنواختی ابر در محدوده ۱۰± درصد
- قطر میانه حجمی قطرات ۱۵ تا ۵۰ µm
- یک ابر یخزدگی یکنواخت که مساحت ۴٫۵ در ۶ فوت از بخش تست را میپوشاند
- جریان شبیهسازیشده هوای نشتی موتور (bleed-air) تا ۱ lb/s ، برای آزمایش سیستمهای ضد یخ حرارتی که از هوای نشتی گرم استفاده میکنند
تونل IRT قطعات هواگرد در اندازه واقعی و همچنین مدلهای مقیاسدار هواپیماها و هلیکوپترها را آزمایش میکند و لیست مشتریان آن — Boeing، Bell Helicopter، Goodrich، Cessna، Sikorsky، بهعلاوه ارتش، نیروی دریایی و نیروی هوایی ایالات متحده — نشان میدهد که این یک زیرساخت در سطح صدور گواهینامه است، نه صرفاً یک کنجکاوی تحقیقاتی. کمپینهای اخیر آزمایش یخزدگی ناسا همچنین کار کالیبراسیون را به سمت شرایط جدیدتر قطرات بزرگ فوقسرد (SLD) پیوست O گسترش دادهاند که اکنون هم FAA و هم EASA در کنار پوشش اصلی پیوست C به آن نیاز دارند.
۲. چرا فناوری محافظت در برابر یخزدگی بر اساس مقیاس متفاوت است
فناوری محافظت در برابر یخزدگی بهطور واضحی بر اساس مقیاس هواگرد تفکیک میشود و این تفکیک یک دلیل فیزیکی دارد: توان در دسترس. گرمایش الکتروترمال — رویکرد معمول در پهپادهای کوچک — توسط آمپراژ باتری که یک پلتفرم الکتریکی کوچک میتواند تأمین کند محدود میشود، به همین دلیل است که معمولاً به جای کل بال، به قطعات کوچک و باارزش مانند ملخ یا لوله پیتوت محدود میشود.
یک هواگرد بزرگ MALE یا HALE با سوخت فسیلی، بودجه توان کاملاً متفاوتی دارد و این امر امکان استفاده از سیستم ضد یخ حرارتی با استفاده از هوای نشتی موتور را فراهم میکند که از طریق یک لوله پیکولو به لبه حمله بال هدایت میشود — همان معماری پایهای که هواگردهای ترابری سرنشیندار دههها از آن استفاده کردهاند و هواگرد را از حمل ظرفیت تولید برق که یک سیستم محافظت در برابر یخزدگی تمامالکتریکی نیاز دارد، بینیاز میکند. نمونههای مستند در این مقیاس شامل RQ-4 Global Hawk است که سیستم ضد یخ پوشش موتور آن به جای هوای نشتی، گرمای استخراجشده از سیستم هیدرولیک هواگرد را دریافت میکند — یادآوری این نکته که «محافظت حرارتی» در یک UAS بزرگ میتواند از بیش از یک منبع حرارتی داخل هواگرد مهندسی شود و انتخاب درست به معماری سیستمهای خاص هواگرد بستگی دارد.
۳. یک کمپین آزمایش یخزدگی بال ثابت بزرگ چه مواردی را باید پوشش دهد
- آزمایش در برابر پوشش واقعی گواهینامه ، نه یک شرایط سرد و مرطوب دلخواه — ترکیبات محتوای آب مایع، اندازه قطرات و دمای پیوست C دقیقاً به این دلیل مشخص شدهاند که ترکیبات مختلف، اشکال یخ متفاوت و افتهای آیرودینامیکی متفاوتی ایجاد میکنند.
- شرایط قطرات بزرگ فوقسرد پیوست O در کنار پیوست C ، زیرا یخزدگی SLD باعث تجمع یخ در قسمتهای عقبتر ایرفویل نسبت به یخزدگی کلاسیک پیوست C میشود، در مکانی که سیستمهای محافظت در برابر یخزدگی که فقط برای پیوست C طراحی شدهاند ممکن است آن را پوشش ندهند.
- کل سیستم حرارتی، نه فقط سطح گرمشونده — برای یک سیستم هوای نشتی، این به معنای آزمایش داکتکشی، توزیع لوله پیکولو و انتقال حرارت تحت جریان شبیهسازیشده موتور است، نه صرفاً اندازهگیری ریزش یخ از یک پنل گرمشونده بهصورت مجزا.
- عملکرد آیرودینامیکی با اشکال واقعی یخ متصلشده ، زیرا صدور گواهینامه در نهایت به کیفیت پرواز هواگرد با یخی مربوط میشود که سیستم محافظتی بر اساس آن طراحی شده است — نه فقط اینکه آیا سیستم محافظتی در بهترین حالت از تشکیل یخ جلوگیری میکند یا خیر.
- قطعات در اندازه واقعی در هر کجا که مبنای گواهینامه ایجاب کند — ظرفیت مستند IRT برای آزمایش قطعات هواگرد در اندازه واقعی دقیقاً به این دلیل وجود دارد که فیزیک تجمع یخ روی برخی قطعات بهخوبی در یک مدل کوچک مقیاسپذیر نیست.
۴. پنج اشتباهی که مشاهده میکنیم
- در نظر گرفتن محافظت در برابر یخزدگی بهعنوان یک مشکل الکتروترمال در سطح قطعه در هر مقیاسی از هواگرد. آنچه برای ملخ یک پهپاد کوچک کار میکند، قابل تعمیم به بال یک MALE/HALE نیست — بودجه توان و مبنای گواهینامه هر دو متفاوت هستند.
- آزمایش فقط پیوست C و فرض اینکه این مورد «یخزدگی» را پوشش میدهد. شرایط قطرات بزرگ فوقسرد پیوست O اکنون یک بخش متمایز و الزامی از مبنای گواهینامه برای بسیاری از برنامهها است و قسمت متفاوتی از ایرفویل را دچار یخزدگی میکند.
- اعتبارسنجی منبع حرارتی بدون اعتبارسنجی سیستم انتقال. توزیع لوله پیکولو و تلفات داکتکشی در یک سیستم هوای نشتی به اندازه حرارت خام در دسترس اهمیت دارد — سیستمی که روی کاغذ کار میکند ممکن است در نوک بال عملکرد ضعیفی داشته باشد.
- اندازهگیری پیشگیری از یخزدگی بدون اندازهگیری افت آیرودینامیکی. صدور گواهینامه فقط این نیست که «آیا یخ تشکیل میشود» — بلکه این است که «هواگرد با اشکال یخی که سیستم محافظتی در برابر آنها اعتبارسنجی شده است، چگونه پرواز میکند.»
- فرض اینکه یک مدل مقیاسدار تمام ویژگیهای یک قطعه در اندازه واقعی را در بر میگیرد. فیزیک تجمع یخ یکی از حوزههایی است که اثرات مقیاس در آن کمترین اغماض را دارند، و دقیقاً به همین دلیل است که تونلهای باد یخزدگی در سطح گواهینامه، قطعات در اندازه واقعی را مستقیماً آزمایش میکنند.
۵. این موضوع برای برنامه شما چه معنایی دارد
مبنای گواهینامه و معماری محافظت در برابر یخزدگی خود را به ما بگویید ، و ما یک برنامه آزمایشی را در برابر پوشش واقعی پیوست C و پیوست O که هواگرد شما برای دریافت گواهینامه به آن نیاز دارد — و نه یک بررسی عمومی هوای سرد — تدوین خواهیم کرد. مطالعه مرتبط: مقاله جامع ما در مورد
long-range fixed-wing UAS testing.
منابع و یادداشتها
- مشخصات تأسیسات تونل باد تحقیقاتی یخزدگی ناسا (بخش تست ۶ فوت × ۹ فوت × ۲۰ فوت، سرعت هوا ۵۰-۳۵۰ گره، دمای کل ۲۵- تا ۵ درجه سانتیگراد، محتوای آب مایع ۰٫۲-۳٫۰ g/m³ با یکنواختی ابر ۱۰± درصد، قطر میانه حجمی قطرات (MVD) ۱۵-۵۰ µm، ابر یخزدگی یکنواخت ۴٫۵ در ۶ فوت، جریان شبیهسازیشده هوای نشتی موتور تا ۱ lb/s، شبیهسازی استانداردهای گواهینامه یخزدگی FAA FAR بخش ۲۵ پیوست C، آزمایش قطعات هواگرد در اندازه واقعی و مدلهای مقیاسدار هواپیماها و هلیکوپترها، و پایگاه مشتریان آن از جمله Boeing، Bell Helicopter، Goodrich، Cessna، Sikorsky و خدمات نظامی ایالات متحده): مرکز تحقیقاتی گلن ناسا / برنامه آزمایش هوانوردی ناسا، برگه اطلاعات "تونل تحقیقاتی یخزدگی".
- گسترش کار کالیبراسیون IRT به شرایط قطرات بزرگ فوقسرد (SLD) پیوست O مربوط به FAA/EASA در کمپینهای آزمایشی اخیر ناسا، در نشریات بعدی تحقیقات یخزدگی گلن ناسا در سرور گزارشهای فنی ناسا مستند شده است.
- محافظت الکتروترمال در برابر یخزدگی بهعنوان رویکرد معمول برای قطعات پهپادهای کوچک با محدودیت توان، در مقابل سیستم ضد یخ حرارتی هوای نشتی از طریق لوله پیکولو بهعنوان رویکرد مناسب برای هواگردهای بزرگ HALE با سوخت فسیلی، و سیستم ضد یخ پوشش موتور RQ-4 Global Hawk که گرما را از سیستم هیدرولیک هواگرد دریافت میکند: منطبق با ادبیات منتشر شده در زمینه سیستمهای محافظت در برابر یخزدگی هواگردها.
- پیشینه هواگرد برای RQ-4B Global Hawk (کلاس HALE): منطبق با مقاله منتشر شده ما در مورد آزمایش UAS بال ثابت دوربرد (MALE، HALE و VTOL).
- راهنمای روششناسی آزمایش (آزمایش پوشش کامل پیوست C و پیوست O، اعتبارسنجی حرارتی کل سیستم، اندازهگیری افت آیرودینامیکی با اشکال یخ متصلشده، آزمایش قطعات در اندازه واقعی) رویه مهندسی TunnelTech است که مستقیماً پاسخگوی مشخصات تأسیسات در سطح گواهینامه مستند شده در بالا میباشد.