בדיקות הסמכה להצטברות קרח עבור כטב"מים גדולים בעלי כנף קבועה

הצטברות קרח בכטב"ם חשמלי קטן נפתרת בדרך כלל באמצעות מדחף מחומם או צינור פיטו מחומם — פתרון ממוקד עבור רכיב קטן המוגבל בהספק. הצטברות קרח בכלי טיס מסוג MALE או HALE היא בעיה מסדר גודל שונה לחלוטין: זוהי דרישת הסמכה מבוססת-תקנים המקיפה את כלי הטיס כולו, ונבדקת מול אותה מעטפת תנאי הצטברות קרח שעל פיה מוסמכים מטוסי תובלה מאוישים, משום שבקנה מידה זה הכלי טס באותם תנאי מזג אוויר.

1. תקן ההסמכה זהה לזה המשמש כלי טיס מאוישים

מתקן הייחוס לסוג זה של בדיקות הוא Icing Research Tunnel (IRT) של NASA במרכז המחקר גלן — אחת ממנהרות הרוח המקוררות הגדולות בעולם המוקדשות להצטברות קרח בכלי טיס, ומתקן אשר משחזר במפורש את תקן ההסמכה להצטברות קרח של ה-FAA בתקנות התעופה הפדרליות (FAR) חלק 25, נספח C . המאפיינים המפורסמים שלו מראים מה באמת דורש "הסמכה להצטברות קרח בקנה מידה מלא":

מקטע ניסוי בגובה 6 רגל × רוחב 9 רגל × אורך 20 רגל
מהירות אוויר במקטע הניסוי 50 עד 350 knots
טמפרטורה כוללת במקטע הניסוי –25°C עד 5°C
תכולת מים נוזליים 0.2 עד 3.0 g/m³ , עם אחידות ענן הנשמרת ברמה של ±10%
קוטר חציוני של נפח הטיפה 15 עד 50 µm
ענן מקרח אחיד המכסה 4.5 על 6 רגל ממקטע הניסוי
זרימה מדומה של אוויר שאוב מהמדחס (bleed air) של המנוע עד 1 lb/s , לבדיקת מערכות תרמיות למניעת הצטברות קרח המשתמשות באוויר שאוב חם

ה-IRT בודק רכיבי כלי טיס בגודל מלא וכן דגמים מוקטנים של מטוסים ומסוקים, ורשימת הלקוחות שלו — Boeing, Bell Helicopter, Goodrich, Cessna, Sikorsky, בנוסף לצבא, לצי ולחיל האוויר של ארה"ב — משקפת כי מדובר בתשתית ברמת הסמכה, ולא בקוריוז מחקרי. סדרות ניסויי הצטברות קרח עדכניות יותר של NASA הרחיבו גם את עבודת הכיול לעבר התנאים החדשים יותר של נספח O עבור טיפות גדולות בקירור-יתר (SLD) , שגם ה-FAA וגם EASA דורשים כיום לצד המעטפת המקורית של נספח C.

2. מדוע טכנולוגיית ההגנה מפני קרח עצמה משתנה בהתאם לקנה המידה

טכנולוגיית ההגנה מפני קרח מתפצלת באופן ברור בהתאם לקנה המידה של כלי הטיס, והיא מתפצלת מסיבה פיזיקלית: הספק זמין. חימום אלקטרו-תרמי — הגישה האופיינית לכטב"מים קטנים — מוגבל על ידי זרם הסוללה שפלטפורמה חשמלית קטנה יכולה לספק, ולכן הוא מוגבל בדרך כלל לרכיבים קטנים ובעלי ערך גבוה כמו מדחף או צינור פיטו, ולא לכנף שלמה.

לכלי טיס גדולים מסוג MALE או HALE המונעים בדלק יש תקציב הספק שונה לחלוטין, וזה פותח את האפשרות למניעת הצטברות קרח תרמית באמצעות אוויר שאוב מהמנוע , המוזרם לשפת ההתקפה של הכנף דרך צינור פיקולו — אותה ארכיטקטורה בסיסית שמטוסי תובלה מאוישים משתמשים בה מזה עשורים, ואשר חוסכת מכלי הטיס את הצורך לשאת את יכולת ייצור החשמל שמערכת הגנה מפני קרח חשמלית לחלוטין הייתה דורשת. דוגמאות מתועדות בקנה מידה זה כוללות את ה-RQ-4 Global Hawk , שמערכת מניעת הצטברות הקרח בחיפוי המנוע שלו שואבת חום המופק מהמערכת ההידראולית של כלי הטיס ולא מאוויר שאוב — תזכורת לכך ש"הגנה תרמית" על כטב"ם גדול יכולה להיות מתוכננת מיותר ממקור חום אחד על הסיפון, והבחירה הנכונה תלויה בארכיטקטורת המערכות הספציפית של כלי הטיס.

3. מה סדרת ניסויי הצטברות קרח לכנף קבועה גדולה צריכה לכלול

בדיקה מול מעטפת ההסמכה בפועל , ולא תנאי קר-ורטוב שרירותי — שילובי תכולת מים נוזליים, גודל טיפה וטמפרטורה של נספח C מוגדרים במדויק מכיוון ששילובים שונים מייצרים צורות קרח שונות ופגיעות אווירודינמיות שונות.
תנאי טיפות גדולות בקירור-יתר של נספח O לצד נספח C , מכיוון שהצטברות קרח מסוג SLD נוצרת רחוק יותר לאחור על פרופיל הכנף מאשר הצטברות קרח קלאסית של נספח C, במיקום שמערכות הגנה מפני קרח שתוכננו רק עבור נספח C עשויות שלא לכסות.
המערכת התרמית כולה, לא רק המשטח המחומם — עבור מערכת אוויר שאוב, משמעות הדבר היא בדיקת הצנרת, פיזור צינור הפיקולו ואספקת החום תחת זרימת מנוע מדומה, ולא רק מדידת נשירת קרח מלוח מחומם בבידוד.
ביצועים אווירודינמיים עם צורות קרח מציאותיות מחוברות , מכיוון שהסמכה עוסקת בסופו של דבר באיכויות הטיסה של כלי הטיס עם הקרח שסביבו תוכננה מערכת ההגנה — לא רק בשאלה האם מערכת ההגנה מונעת היווצרות קרח במקרה הטוב ביותר.
רכיבים בגודל מלא בכל מקום בו בסיס ההסמכה דורש זאת — היכולת המתועדת של ה-IRT לבדוק רכיבי כלי טיס בגודל מלא קיימת בדיוק משום שהפיזיקה של הצטברות קרח על רכיבים מסוימים אינה מתאימה באופן חלק למודל מוקטן.

4. חמש טעויות שאנו רואים

התייחסות להגנה מפני הצטברות קרח כבעיה אלקטרו-תרמית ברמת הרכיב בכל קנה מידה של כלי טיס. מה שעובד עבור מדחף של כטב"ם קטן אינו ניתן להשלכה על כנף של MALE/HALE — תקציב ההספק ובסיס ההסמכה שונים שניהם.
בדיקת נספח C בלבד והנחה שזה מכסה "הצטברות קרח". תנאי טיפות גדולות בקירור-יתר של נספח O הם כיום חלק נפרד ונדרש מבסיס ההסמכה עבור תוכניות רבות, והם גורמים להצטברות קרח בחלק שונה של פרופיל הכנף.
אימות מקור החום ללא אימות מערכת האספקה. פיזור צינור הפיקולו והפסדי הצנרת של מערכת אוויר שאוב חשובים לא פחות מהחום הגולמי הזמין — מערכת שעובדת על הנייר עלולה לספק ביצועי חסר בקצה הכנף.
מדידת מניעת קרח ללא מדידת הפגיעה האווירודינמית. הסמכה אינה רק "האם נוצר קרח" — אלא "כיצד כלי הטיס טס עם צורות הקרח שמערכת ההגנה מאומתת מולן."
הנחה שדגם מוקטן לוכד את כל מה שרכיב בגודל מלא היה לוכד. הפיזיקה של הצטברות קרח היא אחד התחומים שבהם השפעות קנה המידה הן הפחות סלחניות, וזו בדיוק הסיבה שמנהרות הצטברות קרח ברמת הסמכה בודקות רכיבים בגודל מלא באופן ישיר.

5. מה זה אומר עבור התוכנית שלכם

ספרו לנו על בסיס ההסמכה וארכיטקטורת ההגנה מפני קרח שלכם , ואנו נגדיר תוכנית ניסוי מול המעטפת בפועל של נספח C ונספח O שכלי הטיס שלכם צריך לקבל הסמכה עבורה — ולא בדיקת מזג אוויר קר גנרית. קריאה קשורה: המאמר המרכזי שלנו בנושא

בדיקות אווירודינמיות לכטב"מים לטווח ארוך

מקורות והערות

מאפייני מתקן NASA Icing Research Tunnel (מקטע ניסוי 6 רגל × 9 רגל × 20 רגל, מהירות אוויר 50–350 knots, טמפרטורה כוללת –25°C עד 5°C, תכולת מים נוזליים 0.2–3.0 g/m³ עם אחידות ענן של ±10%, קוטר חציוני של נפח הטיפה (MVD) 15–50 µm, ענן מקרח אחיד 4.5 על 6 רגל, זרימה מדומה של אוויר שאוב מהמנוע עד 1 lb/s, שחזור של תקני ההסמכה להצטברות קרח FAA FAR Part 25 Appendix C, בדיקה של רכיבי כלי טיס בגודל מלא ודגמים מוקטנים של מטוסים ומסוקים, ובסיס הלקוחות שלו הכולל את Boeing, Bell Helicopter, Goodrich, Cessna, Sikorsky והזרועות הצבאיות של ארה"ב): NASA Glenn Research Center / NASA Aeronautics Test Program, "Icing Research Tunnel" fact sheet.
הרחבת עבודת הכיול של ה-IRT לתנאי טיפות גדולות בקירור-יתר (SLD) של FAA/EASA Appendix O בסדרות ניסוי עדכניות יותר של NASA מתועדת בפרסומי מחקר עוקבים בנושא הצטברות קרח של NASA Glenn בשרת הדוחות הטכניים של NASA.
הגנה אלקטרו-תרמית מפני קרח כגישה האופיינית עבור רכיבי כטב"ם קטנים המוגבלים בהספק, לעומת מניעת הצטברות קרח תרמית באמצעות אוויר שאוב דרך צינור פיקולו כגישה המתאימה לכלי טיס גדולים מסוג HALE המונעים בדלק, ומערכת מניעת הצטברות הקרח בחיפוי המנוע של ה-RQ-4 Global Hawk השואבת חום מהמערכת ההידראולית של כלי הטיס: עקבי עם הספרות המפורסמת בנושא מערכות הגנה מפני קרח בכלי טיס.
רקע כלי הטיס עבור RQ-4B Global Hawk (ממחלקת HALE): עקבי עם המאמר שפרסמנו בנושא בדיקות כטב"מים ארוכי טווח בעלי כנף קבועה (MALE, HALE ו-VTOL).
הנחיות מתודולוגיית הניסוי (בדיקות מעטפת מלאה של נספח C ונספח O, אימות תרמי של המערכת כולה, מדידת פגיעה אווירודינמית עם צורות קרח מחוברות, בדיקת רכיבים בגודל מלא) הן פרקטיקה הנדסית של TunnelTech, המגיבה ישירות למאפייני המתקן ברמת ההסמכה שתועדו לעיל.

הסמכה לתנאי הצטברות קרח ולטיסה בכל מזג אוויר עבור כטב"מים גדולים בעלי כנף קבועה