یکپارچهسازی پیشرانههای توربوپراپ و پیستونی برای پهپادهای دوربرد (UAS)
چرا پهپادهای MALE با موتورهای توربوپراپ و پیستونی چالش یکپارچهسازی ایجاد میکنند که پهپادهای الکتریکی هرگز با آن مواجه نمیشوند، هواگردهای واقعی چه چیزی را نشان میدهند و چه مواردی باید تست شوند.
تصمیمگیری در مورد پیشرانه در یک هواگرد MALE یا HALE کاملاً با انتخاب یک موتور الکتریکی و ملخ متفاوت است. یک موتور توربوپراپ یا پیستونی با سوخت سنگین، نیازمند ورودی هوا، اگزوز، سیستم خنککاری و ملخی است که به اندازه کافی بزرگ باشد تا تعامل معناداری با بدنه هواگردی که روی آن نصب شده است داشته باشد — همه اینها در سرعت کروز و ارتفاع واقعی رخ میدهد، نه در رژیم سرعت پایین و عدد رینولدز پایین که یک پهپاد (UAV) الکتریکی کوچک در آن عمل میکند.
۱. دو موتور واقعی، دو چالش واقعی در یکپارچهسازی
دو نمونه پرچمدار از این کلاس نشان میدهند که مفهوم «پیشرانه» حتی در یک خانواده از هواگردها چقدر میتواند متفاوت باشد. نسخه اصلی MQ-1 Predator نیروی خود را از یک موتور Rotax 914F، یک موتور پیستونی چهار سیلندر، چهار زمانه و توربوشارژدار با توان حدود 115 hp میگرفت که سیلندرهای آن با هوا و سرسیلندرهای آن با آب خنک میشدند و یک ملخ پوشر دو پره با سرعت ثابت را به حرکت درمیآورد — این هواگرد با سرعت تقریبی 84 تا 135 mph، در ارتفاع حدود 25,000 ft، برای بیش از ۲۴ ساعت در هر پرواز کروز میکرد.
جانشین بزرگتر آن، یعنی MQ-9 Reaper ، از یک موتور توربوپراپ Honeywell TPE331-10 با کنترل الکترونیکی دیجیتال موتور بهره میبرد که آن نیز یک ملخ پوشر چند پره با گام متغیر نصبشده در عقب را به حرکت درمیآورد. طبق اعلام General Atomics، این هواگرد تا ارتفاع 50,000 ft عملیات انجام میدهد، با سرعت هوایی واقعی 240 KTAS کروز میکند و مداومت پروازی بیش از ۲۷ ساعت دارد.
هر دو هواگرد معماری پایه یکسانی را انتخاب کردند — یک ملخ پوشر که در عقب بدنه نصب شده است — با وجود اینکه یکی با بنزین از طریق یک موتور پیستونی و دیگری با سوخت جت از طریق یک موتور توربوپراپ کار میکند. این انتخاب معماری برای یک برنامه تونل باد تصادفی نیست؛ بلکه محور اصلی آن است.
۲. چرا چیدمان پوشر خود یک چالش تست است
یک ملخ پوشر که در پشت بدنه نصب شده است، هوای جریان آزاد و تمیزی را دریافت نمیکند — بلکه ویک (رد جریان) بدنه و بسته به هندسه، بال و مجموعه دم پیش از خود را میبلعد. این جریان ورودی پیش از رسیدن به دیسک ملخ دچار اعوجاج شده است، و ملخ نیز به نوبه خود چرخش جریان (سویرل) و اختلالات فشاری خود را به سمت جلو و به داخل میدان جریان دم منتقل میکند. یک تست بنچ (آزمایشگاهی) فقط برای ملخ، یا یک تست آیرودینامیک فقط برای بال، هیچیک از جنبههای این تعامل را مشخص نمیکند — هر کدام تنها زمانی معنا پیدا میکنند که در حضور دیگری اندازهگیری شوند.
این موضوع بازتابدهنده یک یافته گستردهتر و مستند در تحقیقات یکپارچهسازی ورودی-ملخ و پیشرانه-بدنه است: حضور ملخ به طور قابلتوجهی توزیع فشار کل را تغییر میدهد و اعوجاج چرخشی (سویرل) ایجاد میکند، و اثرات جریان ورودی و اگزوز بر روی یک بدنه یکپارچهشده با پیشرانه میتواند نسبت برآ به پسا و گشتاور پیچینگ را تغییر دهد — اثراتی که تنها زمانی ظاهر میشوند که سیستم پیشرانه و بدنه با هم تست شوند، نه به صورت جداگانه.
۳. تست یکپارچهسازی در واقع باید چه مواردی را پوشش دهد
- کل بدنه به همراه یک ملخ نماینده (نمونه واقعی) ، نه نتیجه تست استند تراست فقط برای ملخ که روی قطبیهای یک بدنه تمیز (بدون ملخ) اعمال شود — پیکربندی پوشر به طور خاص به این معناست که این دو مستقل از هم نیستند.
- کیفیت جریان ورودی در سراسر پوشش پروازی. ورودی هوای یک توربوپراپ باید بازیابی فشار و سطوح اعوجاج قابلقبولی را در شرایط کروز، صعود و هرگونه شرایط زاویه حمله بالا که در پروفایل ماموریت گنجانده شده است، به دهانه موتور ارائه دهد — الزامی که هیچ معادلی در یک موتور الکتریکی ندارد.
- اثرات یکپارچهسازی اگزوز بر پسا (درگ) و گشتاور پیچینگ ، زیرا مستند شده است که جریان ورودی و اگزوز هر دو را به طور قابلتوجهی تغییر میدهند، و یک ماموریت کلاس MALE بر اساس راندمان کروز ارزیابی میشود، جایی که جریمههای کوچک پسا در طول پروازهای بیش از ۲۴ ساعت روی هم انباشته میشوند.
- محاسبه پسای خنککاری به طور خاص برای یک موتور پیستونی — یک موتور پیستونی خنکشونده با مایع یا هوا دارای پسای جریان خنککاری است که یک موتور الکتریکی اساساً آن را تولید نمیکند، و این مورد باید در همان تستی که بقیه بودجه پسای بدنه اندازهگیری میشود، ثبت گردد.
- تعامل ویک ملخ با دم ، زیرا چیدمان پوشر، مجموعه دم را مستقیماً در داخل یا نزدیک جریان ورودی و جریان لغزشی ملخ قرار میدهد — یک کوپلینگ (ارتباط) که با تنظیمات توان و زاویه حمله تغییر میکند.
۴. پنج اشتباهی که ما مشاهده میکنیم
- تست ملخ و بدنه به عنوان دو کمپین مجزا. در یک پیکربندی پوشر، جریان ورودی ملخ از ویک بدنه میآید و جریان دم بدنه توسط ملخ شکل میگیرد — هیچیک از تستها به تنهایی این کوپلینگ را ثبت نمیکند.
- صرفنظر کردن از اندازهگیری اعوجاج ورودی به این دلیل که «سازنده موتور آن را مشخص کرده است.» مشخصات سازنده، یک جریان ورودی تمیز و بدون اعوجاج را فرض میکند؛ اعوجاج ناشی از نصب روی بدنه، یک اثر نصبی است که برگه مشخصات موتور نمیتواند آن را پیشبینی کند.
- در نظر گرفتن پسای خنککاری به عنوان یک مسئله ثانویه در یکپارچهسازی موتور. برای یک موتور پیستونی، جریان خنککاری از روز اول بخشی از بودجه پسای هواگرد است، نه یک اصلاحیه که پس از انجام تست آیرودینامیک اعمال شود.
- فرض اینکه پیشرانههای توربوپراپ و پیستونی برنامه تست یکسانی دارند. الزام بازیابی فشار ورودی در یک توربوپراپ و الزام جریان هوای خنککاری در یک موتور پیستونی، مسائل فیزیکی متفاوتی با نیازهای ابزار دقیق (instrumentation) متفاوت هستند.
- عدم انجام تست در تنظیمات مختلف توان. تعامل جریان لغزشی ملخ با دم با تغییر تراست تغییر میکند، بنابراین یک تست با تنظیم توان واحد، نحوه تغییر این کوپلینگ در سراسر پروفایل واقعی ماموریت را از دست میدهد — توانهای صعود، کروز و گشتزنی نقاط تست قابل تعویض با یکدیگر نیستند.
۵. این موضوع برای برنامه شما چه معنایی دارد
نوع موتور، پیکربندی ملخ و پروفایل توان ماموریت خود را به ما بگویید ، و ما یک تست یکپارچهسازی پیشرانه-بدنه را برنامهریزی خواهیم کرد که اثرات ورودی، اگزوز، خنککاری و جریان لغزشی را با هم ثبت کند — نه به عنوان تستهای بنچ جداگانه که به قطبیهای یک بدنه تمیز متصل شدهاند. مطالعه مرتبط: مقاله جامع ما در مورد
long-range fixed-wing UAS testing.
منابع و یادداشتها
- پیشرانه MQ-1 Predator (موتور پیستونی چهار سیلندر توربوشارژدار Rotax 914F با توان تقریبی 115 hp، سیلندرهای خنکشونده با هوا و سرسیلندرهای خنکشونده با آب، ملخ پوشر دو پره با سرعت ثابت، سرعت کروز تقریباً 84–135 mph در ارتفاع حدود 25,000 ft برای ماموریتهای بیش از ۲۴ ساعت): مطابق با مشخصات موتور منتشر شده توسط سازنده (صفحه محصول Rotax, "914 UL | F") و تاریخچه برنامه MQ-1 Predator شرکت General Atomics.
- پیشرانه MQ-9A Reaper (توربوپراپ Honeywell TPE331-10 با کنترل الکترونیکی دیجیتال موتور، حداکثر ارتفاع 50,000 ft، سرعت کروز 240 KTAS، مداومت پروازی بیش از ۲۷ ساعت): General Atomics Aeronautical Systems, "MQ-9A Reaper (Predator B)".
- پیکربندی ملخ پوشر نصبشده در عقب در هر دو بدنه Predator و Reaper یک ویژگی مستند از طراحی خانواده Predator/Reaper شرکت General Atomics است.
- اثرات یکپارچهسازی ورودی-ملخ (تغییرات قابلاندازهگیری در توزیع فشار کل و اعوجاج چرخشی (سویرل) هنگام فعال بودن ملخ) و اثرات یکپارچهسازی ورودی/اگزوز بر نسبت برآ به پسا و گشتاور پیچینگ، یافتههای مستندی در مقالات منتشر شده شبیهسازی و تونل باد در زمینه یکپارچهسازی ورودی-ملخ و پیشرانه-بدنه هستند.
- راهنمای روششناسی تست (تست ترکیبی ملخ-بدنه، اندازهگیری اعوجاج ورودی، محاسبه پسای خنککاری، تست جریان لغزشی در تنظیمات مختلف توان) رویه مهندسی TunnelTech است.