Suurten kiinteäsiipisten UAS-järjestelmien jäätymis- ja jokasään sertifiointi
Miksi MALE- tai HALE-ilma-aluksen jäänesto on täysimittainen sertifiointiongelma eikä pienen komponentin korjaus, mitä todellinen jäätymistunneli tarjoaa ja mitä tulee testata.
Pienen sähkökäyttöisen UAV:n jäätymisongelmat ratkaistaan yleensä lämmitettävällä potkurilla tai pitot-putkella — täsmäratkaisulla pieneen, tehorajoitteiseen komponenttiin. MALE- tai HALE-luokan ilma-alusten jäätyminen on täysin eri mittaluokan ongelma: kyseessä on koko ilma-alusta koskeva, standardeihin perustuva sertifiointivaatimus. Sitä testataan samassa jäätymisympäristössä, johon miehitetyt kuljetuskoneet sertifioidaan, sillä tässä kokoluokassa alus lentää samoissa sääolosuhteissa.
1. Sertifiointistandardi on sama kuin miehitetyillä ilma-aluksilla
Tämän luokan testauksen referenssilaitos on NASAn Glenn Research Centerissä sijaitseva Icing Research Tunnel (IRT) . Se on yksi maailman suurimmista ilma-alusten jäätymistutkimukseen omistetuista jäähdytetyistä tuulitunneleista ja laitos, joka nimenomaisesti jäljittelee FAA:n jäätymissertifiointistandardia (Federal Aviation Regulation Part 25, Appendix C) . Sen julkaistut ominaisuudet osoittavat, mitä "täyden mittakaavan jäätymissertifiointi" todella vaatii:
- Testiosuus 6 ft korkea × 9 ft leveä × 20 ft pitkä
- Testiosuuden ilmannopeus 50–350 solmua
- Testiosuuden kokonaislämpötila –25 °C – 5 °C
- Nestemäisen veden pitoisuus 0,2–3,0 g/m³ , pilven tasaisuuden ollessa ±10 %
- Pisaroiden tilavuuden mediaanihalkaisija 15–50 µm
- Tasainen jäätävä pilvi, joka peittää testiosuudesta 4,5 × 6 jalkaa
- Simuloitu moottorin vuodatusilmavirta jopa 1 lb/s , kuumaa vuodatusilmaa käyttävien termisten jäänestojärjestelmien testaamiseen
IRT testaa täysikokoisia ilma-alusten komponentteja sekä lentokoneiden ja helikopterien pienoismalleja. Sen asiakasluettelo — Boeing, Bell Helicopter, Goodrich, Cessna, Sikorsky sekä Yhdysvaltain maavoimat, laivasto ja ilmavoimat — osoittaa, että kyseessä on sertifiointitason infrastruktuuri, ei pelkkä tutkimuksellinen erikoisuus. Uudemmissa NASAn jäätymistestikampanjoissa kalibrointityötä on laajennettu myös uudempiin Appendix O:n alijäähtyneiden suurten pisaroiden (SLD, supercooled large drop) olosuhteisiin, joita sekä FAA että EASA nykyään edellyttävät alkuperäisen Appendix C -vaatimuksen rinnalla.
2. Miksi jäänestoteknologia eroaa mittakaavan mukaan
Jäänestoteknologia jakautuu selkeästi ilma-aluksen koon mukaan, ja tähän on fysikaalinen syy: käytettävissä oleva teho. Sähköterminen lämmitys — pienten UAV-laitteiden tyypillinen ratkaisu — on rajoitettu pienen sähköisen alustan akun tarjoamaan sähkövirtaan. Siksi se rajoittuu yleensä pieniin, kriittisiin komponentteihin, kuten potkuriin tai pitot-putkeen, koko siiven sijaan.
Suurella, polttoainekäyttöisellä MALE- tai HALE-ilma-aluksella on täysin erilainen tehobudjetti. Tämä mahdollistaa moottorin vuodatusilmaa hyödyntävän termisen jääneston , joka johdetaan siiven johtoreunaan piccolo-putken kautta. Tämä on sama perusarkkitehtuuri, jota miehitetyt kuljetuskoneet ovat käyttäneet vuosikymmeniä, ja se säästää ilma-aluksen täyssähköisen jäänestojärjestelmän vaatimalta sähköntuotantokapasiteetilta. Dokumentoituja esimerkkejä tässä kokoluokassa on muun muassa RQ-4 Global Hawk , jonka moottorin suojuksen jäänestojärjestelmä ottaa lämpöä ilma-aluksen hydraulijärjestelmästä vuodatusilman sijaan. Tämä muistuttaa siitä, että suuren UAS:n "terminen suojaus" voidaan suunnitella hyödyntämään useampaa kuin yhtä aluksessa olevaa lämmönlähdettä, ja oikea valinta riippuu ilma-aluksen omasta järjestelmäarkkitehtuurista.
3. Mitä suuren kiinteäsiipisen jäätymistestikampanjan tulee kattaa
- Testaus todellista sertifiointivaatimusta vasten , ei mielivaltaisissa kylmissä ja kosteissa olosuhteissa — Appendix C:n nestemäisen veden pitoisuus, pisarakoko ja lämpötilayhdistelmät on määritelty tarkasti, koska eri yhdistelmät tuottavat erilaisia jäämuodostumia ja erilaisia aerodynaamisia haittoja.
- Appendix O:n alijäähtyneiden suurten pisaroiden olosuhteet Appendix C:n rinnalla , sillä SLD-jäätyminen aiheuttaa jään kertymistä siipiprofiilissa taemmas kuin perinteinen Appendix C -jäätyminen, paikkaan, jota pelkästään Appendix C:tä varten suunnitellut jäänestojärjestelmät eivät välttämättä kata.
- Koko terminen järjestelmä, ei vain lämmitetty pinta — vuodatusilmajärjestelmän kohdalla tämä tarkoittaa kanaviston, piccolo-putken jakelun ja lämmönsiirron testaamista simuloidulla moottorivirtauksella, eikä vain erillisen lämmitetyn paneelin jäänpoiston mittaamista.
- Aerodynaaminen suorituskyky realistisilla jäämuodostumilla , sillä sertifioinnissa on viime kädessä kyse ilma-aluksen lento-ominaisuuksista sen jään kanssa, jota varten suojajärjestelmä on suunniteltu — ei vain siitä, estääkö suojajärjestelmä jään muodostumisen parhaassa tapauksessa.
- Täysikokoiset komponentit aina, kun sertifiointiperuste sitä edellyttää — IRT:n dokumentoitu kapasiteetti testata täysikokoisia ilma-aluksen komponentteja on olemassa juuri siksi, että jään kertymisen fysiikka tietyissä komponenteissa ei skaalaudu suoraan pieneen malliin.
4. Viisi yleistä virhettä
- Jääneston käsittely komponenttitason sähkötermisenä ongelmana kaikissa mittakaavoissa. Se, mikä toimii pienen UAV:n potkurissa, ei ole sovellettavissa MALE/HALE-siipiin — sekä tehobudjetti että sertifiointiperuste ovat erilaiset.
- Vain Appendix C:n testaaminen ja oletus, että se kattaa "jäätymisen". Appendix O:n alijäähtyneiden suurten pisaroiden olosuhteet ovat nykyään erillinen, pakollinen osa monien ohjelmien sertifiointiperustetta, ja ne jäädyttävät siipiprofiilin eri osaa.
- Lämmönlähteen validointi ilman jakelujärjestelmän validointia. Vuodatusilmajärjestelmän piccolo-putken jakelu ja kanaviston häviöt merkitsevät yhtä paljon kuin saatavilla oleva raakalämpö — paperilla toimiva järjestelmä voi alisuoriutua siivenkärjessä.
- Jääneston mittaaminen ilman aerodynaamisen haitan mittaamista. Sertifioinnissa ei ole kyse vain siitä, "muodostuuko jäätä" — kyse on siitä, "miten ilma-alus lentää niillä jäämuodostumilla, joita vastaan suojajärjestelmä on validoitu".
- Oletus, että pienoismalli kattaa kaiken sen, minkä täysikokoinen komponentti. Jään kertymisen fysiikka on yksi niistä alueista, joilla mittakaavavaikutukset antavat vähiten anteeksi. Juuri tästä syystä sertifiointitason jäätymistunneleissa testataan suoraan täysikokoisia komponentteja.
5. Mitä tämä tarkoittaa ohjelmallesi
Kerro meille sertifiointiperusteesi ja jäänestoarkkitehtuurisi , niin laadimme testiohjelman, joka vastaa todellisia Appendix C- ja Appendix O -vaatimuksia, joihin ilma-aluksesi on sertifioitava — ei vain yleistä kylmän sään tarkistusta. Aiheeseen liittyvää luettavaa: pääartikkelimme aiheesta
long-range fixed-wing UAS testing.
Lähteet ja huomautukset
- NASA Icing Research Tunnel -laitoksen ominaisuudet (testiosuus 6 ft × 9 ft × 20 ft, ilmannopeus 50–350 solmua, kokonaislämpötila –25 °C – 5 °C, nestemäisen veden pitoisuus 0,2–3,0 g/m³ ±10 % pilven tasaisuudella, pisaroiden MVD 15–50 µm, tasainen jäätävä pilvi 4,5 × 6 ft, simuloitu moottorin vuodatusilmavirta jopa 1 lb/s, FAA FAR Part 25 Appendix C -jäätymissertifiointistandardien jäljittely, täysikokoisten ilma-aluskomponenttien sekä lentokoneiden ja helikopterien pienoismallien testaus, ja sen asiakaskunta, johon kuuluvat Boeing, Bell Helicopter, Goodrich, Cessna, Sikorsky ja Yhdysvaltain asevoimat): NASA Glenn Research Center / NASA Aeronautics Test Program, "Icing Research Tunnel" fact sheet.
- IRT-kalibrointityön laajentaminen FAA/EASA Appendix O:n alijäähtyneiden suurten pisaroiden (SLD) olosuhteisiin uudemmissa NASAn testikampanjoissa on dokumentoitu myöhemmissä NASA Glennin jäätymistutkimusjulkaisuissa NASA Technical Reports Server -palvelimella.
- Sähköterminen jäänesto tyypillisenä lähestymistapana pienille, tehorajoitteisille UAV-komponenteille verrattuna termiseen vuodatusilman jäänestoon piccolo-putken kautta, joka soveltuu suuriin, polttoainekäyttöisiin HALE-ilma-aluksiin, sekä RQ-4 Global Hawkin moottorin suojuksen jäänestojärjestelmä, joka ottaa lämpöä ilma-aluksen hydraulijärjestelmästä: yhdenmukainen julkaistun ilma-alusten jäänestojärjestelmäkirjallisuuden kanssa.
- RQ-4B Global Hawkin (HALE-luokka) ilma-alustausta: yhdenmukainen pitkän kantaman kiinteäsiipisten UAS-järjestelmien (MALE, HALE ja VTOL) testausta koskevan julkaistun artikkelimme kanssa.
- Testausmenetelmäohjeistus (koko vaatimusalueen Appendix C- ja Appendix O -testaus, koko järjestelmän terminen validointi, aerodynaamisen haitan mittaus jäämuodostumien kanssa, täysikokoisten komponenttien testaus) on TunnelTechin suunnittelukäytäntö, joka vastaa suoraan edellä dokumentoituja sertifiointitason laitoksen ominaisuuksia.