Essais de certification givrage pour les grands UAS à voilure fixe

Le givrage sur un petit drone électrique est généralement résolu par une hélice chauffante ou un tube de Pitot chauffé — une solution ciblée pour un petit composant soumis à des contraintes de puissance. Le givrage sur un aéronef MALE ou HALE représente un problème d'un tout autre ordre : il s'agit d'une exigence de certification globale de l'aéronef, régie par des normes et testée par rapport au même domaine de givrage que celui des avions de transport habités, car à cette échelle, le véhicule évolue dans les mêmes conditions météorologiques.

1. La norme de certification est la même que celle des aéronefs habités

L'installation de référence pour ce type d'essais est l'Icing Research Tunnel (IRT) de la NASA au Glenn Research Center — l'une des plus grandes souffleries réfrigérées au monde dédiées au givrage des aéronefs, et une installation qui reproduit explicitement la norme de certification givrage de la FAA figurant dans la Federal Aviation Regulation Part 25, Appendix C . Ses caractéristiques publiées montrent ce qu'exige réellement une « certification givrage à l'échelle 1 » :

Section d'essais de 6 ft de haut × 9 ft de large × 20 ft de long
Vitesse de l'air dans la section d'essais de 50 à 350 nœuds
Température totale de la section d'essais de –25 °C à 5 °C
Teneur en eau liquide de 0,2 à 3,0 g/m³ , avec une uniformité du nuage maintenue à ±10 %
Diamètre volumique médian des gouttelettes de 15 à 50 µm
Un nuage de givrage uniforme couvrant 4,5 sur 6 pieds de la section d'essais
Débit d'air prélevé sur moteur simulé jusqu'à 1 lb/s , pour tester les systèmes d'antigivrage thermiques utilisant de l'air chaud prélevé

L'IRT teste des composants d'aéronefs grandeur nature ainsi que des modèles réduits d'avions et d'hélicoptères, et sa liste de clients — Boeing, Bell Helicopter, Goodrich, Cessna, Sikorsky, ainsi que l'US Army, la Navy et l'Air Force — prouve qu'il s'agit d'une infrastructure de niveau certification, et non d'une curiosité de recherche. Les campagnes d'essais de givrage plus récentes de la NASA ont également étendu les travaux d'étalonnage aux nouvelles conditions de grosses gouttes en surfusion (SLD) de l'Appendix O , que la FAA et l'EASA exigent désormais en plus du domaine initial de l'Appendix C.

2. Pourquoi la technologie de protection contre le givre diverge selon l'échelle

La technologie de protection contre le givre se divise nettement en fonction de l'échelle de l'aéronef, et ce pour une raison physique : la puissance disponible. Le chauffage électrothermique — l'approche typique des petits drones — est limité par l'ampérage de la batterie qu'une petite plateforme électrique peut fournir, c'est pourquoi il est généralement confiné à de petits composants de grande valeur comme une hélice ou une sonde Pitot plutôt qu'à une aile entière.

Un grand aéronef MALE ou HALE à carburant dispose d'un budget de puissance totalement différent, ce qui ouvre la voie à l'antigivrage thermique utilisant l'air prélevé sur le moteur , acheminé vers le bord d'attaque de l'aile par un tube piccolo — la même architecture de base que les avions de transport habités utilisent depuis des décennies, et qui évite à l'aéronef de transporter la capacité de production électrique qu'exigerait un système de protection contre le givre entièrement électrique. Parmi les exemples documentés à cette échelle figure le RQ-4 Global Hawk , dont le système d'antigivrage du capot moteur utilise la chaleur extraite du système hydraulique de l'aéronef plutôt que l'air prélevé — un rappel que la « protection thermique » sur un grand UAS peut être conçue à partir de plus d'une source de chaleur à bord, et que le bon choix dépend de l'architecture spécifique des systèmes de l'aéronef.

3. Ce que doit couvrir une campagne d'essais de givrage pour grands aéronefs à voilure fixe

Des essais par rapport au domaine de certification réel , et non une condition froide et humide arbitraire — les combinaisons de teneur en eau liquide, de taille des gouttelettes et de température de l'Appendix C sont spécifiées avec précision car différentes combinaisons produisent différentes formes de glace et différentes pénalités aérodynamiques.
Les conditions de grosses gouttes en surfusion de l'Appendix O en plus de l'Appendix C , car le givrage SLD produit une accumulation de glace plus en arrière sur le profil aérodynamique que le givrage classique de l'Appendix C, à un endroit que les systèmes de protection contre le givre conçus uniquement pour l'Appendix C pourraient ne pas couvrir.
L'ensemble du système thermique, et pas seulement la surface chauffée — pour un système à air prélevé, cela signifie tester les conduits, la distribution par tube piccolo et l'apport de chaleur sous un débit moteur simulé, et non pas seulement mesurer la glace détachée d'un panneau chauffé de manière isolée.
Les performances aérodynamiques avec des formes de glace réalistes attachées , car la certification concerne en fin de compte les qualités de vol de l'aéronef avec la glace pour laquelle le système de protection est conçu — et pas seulement si le système de protection empêche la formation de glace dans le meilleur des cas.
Des composants grandeur nature chaque fois que la base de certification l'exige — la capacité documentée de l'IRT à tester des composants d'aéronefs grandeur nature existe précisément parce que la physique de l'accumulation de glace sur certains composants ne se transpose pas parfaitement à un modèle réduit.

4. Cinq erreurs que nous observons

Traiter la protection contre le givrage comme un problème électrothermique au niveau des composants, quelle que soit l'échelle de l'aéronef. Ce qui fonctionne pour l'hélice d'un petit drone ne s'extrapole pas à une aile de MALE/HALE — le budget de puissance et la base de certification sont tous deux différents.
Ne tester que l'Appendix C en supposant que cela couvre le « givrage ». Les conditions de grosses gouttes en surfusion de l'Appendix O constituent désormais une partie distincte et obligatoire de la base de certification pour de nombreux programmes, et elles givrent une partie différente du profil aérodynamique.
Valider la source de chaleur sans valider le système de distribution. La distribution par tube piccolo d'un système à air prélevé et les pertes dans les conduits comptent tout autant que la chaleur brute disponible — un système qui fonctionne sur le papier peut s'avérer insuffisant en bout d'aile.
Mesurer la prévention du givre sans mesurer la pénalité aérodynamique. La certification ne se résume pas à « est-ce que la glace se forme » — c'est « comment l'aéronef vole-t-il avec les formes de glace par rapport auxquelles le système de protection est validé ».
Supposer qu'un modèle réduit capture tout ce qu'un composant grandeur nature ferait. La physique de l'accumulation de glace est l'un des domaines où les effets d'échelle pardonnent le moins, c'est exactement pourquoi les souffleries de givrage de niveau certification testent directement des composants grandeur nature.

5. Ce que cela signifie pour votre programme

Indiquez-nous votre base de certification et l'architecture de votre protection contre le givre , et nous définirons un programme d'essais par rapport au domaine réel de l'Appendix C et de l'Appendix O pour lequel votre aéronef doit être certifié — et non une simple vérification générique par temps froid. Lecture connexe : notre article central sur

long-range fixed-wing UAS testing

Sources et notes

Caractéristiques de l'installation NASA Icing Research Tunnel (section d'essais de 6 ft × 9 ft × 20 ft, vitesse de l'air de 50 à 350 nœuds, température totale de –25 °C à 5 °C, teneur en eau liquide de 0,2 à 3,0 g/m³ avec une uniformité du nuage de ±10 %, MVD des gouttelettes de 15 à 50 µm, nuage de givrage uniforme de 4,5 sur 6 ft, débit d'air prélevé sur moteur simulé jusqu'à 1 lb/s, reproduction des normes de certification givrage FAA FAR Part 25 Appendix C, essais de composants d'aéronefs grandeur nature et de modèles réduits d'avions et d'hélicoptères, et sa clientèle comprenant Boeing, Bell Helicopter, Goodrich, Cessna, Sikorsky et les services militaires américains) : NASA Glenn Research Center / NASA Aeronautics Test Program, fiche d'information "Icing Research Tunnel".
L'extension des travaux d'étalonnage de l'IRT aux conditions de grosses gouttes en surfusion (SLD) de l'Appendix O de la FAA/EASA lors des campagnes d'essais plus récentes de la NASA est documentée dans les publications ultérieures de recherche sur le givrage du NASA Glenn sur le NASA Technical Reports Server.
La protection électrothermique contre le givre comme approche typique pour les petits composants de drones soumis à des contraintes de puissance, par opposition à l'antigivrage thermique par air prélevé via un tube piccolo comme approche adaptée aux grands aéronefs HALE à carburant, et le système d'antigivrage du capot moteur du RQ-4 Global Hawk tirant sa chaleur du système hydraulique de l'aéronef : conforme à la littérature publiée sur les systèmes de protection contre le givre des aéronefs.
Contexte aéronautique du RQ-4B Global Hawk (classe HALE) : conforme à notre article publié sur les essais d'UAS à voilure fixe à longue portée (MALE, HALE et VTOL).
Les directives de méthodologie d'essais (essais sur l'ensemble du domaine de l'Appendix C et de l'Appendix O, validation thermique du système complet, mesure de la pénalité aérodynamique avec des formes de glace attachées, essais de composants grandeur nature) relèvent de la pratique d'ingénierie de TunnelTech, répondant directement aux caractéristiques des installations de niveau certification documentées ci-dessus.

Certification givrage et tout temps pour les grands UAS à voilure fixe