שילוב הנעת טורבו-פרופ ובוכנה עבור מערכות כטב"ם לטווח ארוך
מדוע מערכות כטב"ם מסוג MALE המונעות בטורבו-פרופ ובוכנה מציגות בעיית אינטגרציה שרחפנים חשמליים לעולם אינם מתמודדים איתה, מה מראים כלי טיס אמיתיים, ומה יש לבדוק.
החלטת ההנעה בכלי טיס מסוג MALE או HALE היא דיסציפלינה שונה לחלוטין מבחירת מנוע חשמלי ומדחף. מנוע טורבו-פרופ או מנוע בוכנה בדלק כבד מביא עמו כונס אוויר, מפלט, מערכת קירור ומדחף גדול מספיק כדי לייצר אינטראקציה משמעותית עם שלדת כלי הטיס שעליה הוא מותקן — כל זאת במהירות שיוט ובגובה אמיתיים, ולא במשטר של מהירות נמוכה ומספר ריינולדס נמוך שבו פועל כטב"ם חשמלי קטן.
1. שני מנועים אמיתיים, שתי בעיות אינטגרציה אמיתיות
שתי דוגמאות הדגל של קטגוריה זו ממחישות עד כמה המונח "הנעה" יכול להיות שונה, אפילו בתוך אותה משפחת כלי טיס. ה-MQ-1 Predator המקורי הונע על ידי מנוע Rotax 914F יחיד, מנוע בוכנה ארבע-פעימתי בעל ארבעה צילינדרים ומגדש טורבו בהספק של כ-115 hp , מקורר אוויר בצילינדרים ומקורר מים בראשי המנוע, אשר הניע מדחף דוחף דו-להבי במהירות קבועה — כלי הטיס שייט במהירות של כ-84 עד 135 mph, בגובה של כ-25,000 ft, למשך למעלה מ-24 שעות ברציפות.
יורשו הגדול יותר, ה-MQ-9 Reaper , מונע על ידי מנוע טורבו-פרופ Honeywell TPE331-10 עם בקרת מנוע אלקטרונית דיגיטלית , המניע גם הוא מדחף דוחף רב-להבי בעל פסיעה משתנה המותקן מאחור . על פי General Atomics, כלי הטיס פועל בגובה של עד 50,000 ft, משייט במהירות אוויר אמיתית של 240 KTAS, ובעל זמן שהייה של למעלה מ-27 שעות.
שני כלי הטיס בחרו באותה ארכיטקטורה בסיסית — מדחף דוחף המותקן בחלקו האחורי של גוף המטוס — למרות שהאחד פועל על בנזין באמצעות מנוע בוכנה והשני על דלק סילוני באמצעות מנוע טורבו-פרופ. בחירה ארכיטקטונית זו אינה מקרית לתוכנית ניסויים בתוך מנהרת רוח; היא מרכזית עבורה.
2. מדוע תצורת המדחף הדוחף מהווה בעיית ניסוי בפני עצמה
מדחף דוחף המותקן מאחורי גוף המטוס אינו פוגש זרימת אוויר חופשית ונקייה — הוא שואב את השובל של גוף המטוס, ובהתאם לגיאומטריה, גם את זה של הכנף וזנב המטוס שלפניו. זרימה נכנסת זו כבר מעוותת לפני שהיא מגיעה לדיסקת המדחף, והמדחף בתורו מזין את הסחרור והפרעות הלחץ שלו קדימה אל תוך שדה הזרימה של הזנב. ניסוי ספסל של המדחף בלבד, או ניסוי אווירודינמי של הכנף בלבד, אינם מאפיינים אף צד של אינטראקציה זו — כל אחד מהם הגיוני רק כאשר הוא נמדד בנוכחות השני.
הדבר משקף ממצא רחב ומתועד יותר במחקר אינטגרציית כונס-מדחף ושלדה-הנעה: נוכחות המדחף משנה באופן מדיד את פילוג הלחץ הכולל ומכניסה עיוות סחרור, והשפעות זרימת היניקה והפליטה על שלדה משולבת-הנעה יכולות לשנות את יחס עילוי-גרר ואת מומנט העלרוד — השפעות שמופיעות רק כאשר מערכת ההנעה והשלדה נבדקות יחד, ולא בנפרד.
3. מה ניסויי אינטגרציה צריכים לכסות בפועל
- השלדה המלאה בנוכחות מדחף מייצג , ולא תוצאת עמדת-דחף של מדחף בלבד המולבשת על פולרה של שלדה נקייה — תצורת המדחף הדוחף משמעותה הספציפית היא שהשניים אינם בלתי תלויים.
- איכות הזרימה בכונס לאורך כל מעטפת הטיסה. כונס האוויר של מנוע טורבו-פרופ חייב לספק רמות מקובלות של התאוששות לחץ ועיוות לחזית המנוע בשיוט, בטיפוס ובכל תנאי של זווית התקפה גבוהה הכלול בפרופיל המשימה — דרישה שאין לה מקבילה במנוע חשמלי.
- השפעות אינטגרציית המפלט על הגרר ומומנט העלרוד , שכן מתועד כי זרימת היניקה והפליטה משנות באופן מדיד את שניהם, ומשימה בקטגוריית MALE נמכרת על בסיס יעילות שיוט שבה קנסות גרר קטנים מצטברים לאורך טיסות של למעלה מ-24 שעות.
- חישוב גרר קירור עבור מנוע בוכנה באופן ספציפי — מנוע בוכנה מקורר נוזל או אוויר מייצר גרר זרימת קירור שמנוע חשמלי פשוט אינו מייצר, ויש ללכוד אותו באותו ניסוי יחד עם שאר תקציב הגרר של השלדה.
- אינטראקציית שובל המדחף עם הזנב , מכיוון שתצורת מדחף דוחף מציבה את זנב המטוס ישירות בתוך, או בקרבת, הזרימה הנכנסת ושובל המדחף — צימוד המשתנה בהתאם להגדרת ההספק וזווית ההתקפה.
4. חמש טעויות נפוצות שאנו רואים
- בדיקת המדחף והשלדה כשני קמפיינים נפרדים. בתצורת מדחף דוחף, הזרימה הנכנסת למדחף מגיעה משובל השלדה, וזרימת הזנב של השלדה מעוצבת על ידי המדחף — אף ניסוי לבדו אינו לוכד את הצימוד הזה.
- דילוג על מדידת עיוות בכונס מכיוון ש"יצרן המנוע מספק מפרט לכך." מפרטי היצרן מניחים זרימה נכנסת נקייה ונטולת עיוותים; עיוות המותקן-בשלדה הוא אפקט התקנה שדף הנתונים של המנוע אינו יכול לחזות.
- התייחסות לגרר קירור כאל מחשבה שלאחר מעשה באינטגרציית המנוע. עבור מנוע בוכנה, זרימת הקירור היא חלק מתקציב הגרר של כלי הטיס מהיום הראשון, ולא תיקון המיושם לאחר סיום הניסוי האווירודינמי.
- הנחה שהנעת טורבו-פרופ ובוכנה חולקות את אותה תוכנית ניסוי. דרישת התאוששות הלחץ בכונס של מנוע טורבו-פרופ ודרישת זרימת אוויר הקירור של מנוע בוכנה הן בעיות פיזיקליות שונות עם צרכי מכשור שונים.
- אי-ביצוע ניסויים לאורך הגדרות הספק שונות. אינטראקציית שובל המדחף עם הזנב משתנה עם הדחף, ולכן ניסוי בהגדרת הספק יחידה מחמיץ את האופן שבו צימוד זה משתנה לאורך פרופיל המשימה בפועל — הספקי טיפוס, שיוט ושהייה אינם נקודות ניסוי הניתנות להחלפה.
5. מה זה אומר עבור התוכנית שלכם
ספרו לנו על סוג המנוע, תצורת המדחף ופרופיל הספק המשימה שלכם , ואנו נגדיר ניסוי אינטגרציית שלדה-הנעה שלוכד יחד את השפעות הכונס, המפלט, הקירור ושובל המדחף — ולא כניסויי ספסל נפרדים המולבשים על פולרה של שלדה נקייה. קריאה קשורה: מאמר המרכז שלנו בנושא
long-range fixed-wing UAS testing.
מקורות והערות
- הנעת MQ-1 Predator (מנוע בוכנה Rotax 914F בעל ארבעה צילינדרים ומגדש טורבו בהספק של כ-115 hp, צילינדרים מקוררי אוויר עם ראשי מנוע מקוררי מים, מדחף דוחף דו-להבי במהירות קבועה, מהירות שיוט של כ-84–135 mph בגובה של כ-25,000 ft למשימות של למעלה מ-24 שעות): תואם למפרטי המנוע שפורסמו על ידי היצרן (Rotax, "914 UL | F" product page) ולהיסטוריית תוכנית ה-MQ-1 Predator של General Atomics.
- הנעת MQ-9A Reaper (מנוע טורבו-פרופ Honeywell TPE331-10 עם בקרת מנוע אלקטרונית דיגיטלית, גובה מרבי 50,000 ft, מהירות שיוט 240 KTAS, זמן שהייה של למעלה מ-27 שעות): General Atomics Aeronautical Systems, "MQ-9A Reaper (Predator B)".
- תצורת מדחף דוחף המותקן מאחור בשלדות ה-Predator וה-Reaper היא מאפיין מתועד בתכנון משפחת ה-Predator/Reaper של General Atomics.
- השפעות אינטגרציית כונס-מדחף (שינויים מדידים בפילוג הלחץ הכולל ובעיוות סחרור כאשר המדחף פעיל) והשפעות אינטגרציית יניקה/פליטה על יחס עילוי-גרר ומומנט עלרוד הם ממצאים מתועדים בספרות שפורסמה בנושא ניסויי מנהרת רוח וסימולציות של אינטגרציית כונס-מדחף ושלדה-הנעה.
- הנחיות מתודולוגיית ניסוי (ניסוי משולב של מדחף-שלדה, מדידת עיוות בכונס, חישוב גרר קירור, ניסוי שובל מדחף בהגדרות הספק מרובות) הן פרקטיקה הנדסית של TunnelTech.