UAS के लिए टर्बोप्रॉप और पिस्टन प्रोपल्शन टेस्टिंग

MALE या HALE एयरक्राफ्ट पर प्रोपल्शन का निर्णय एक इलेक्ट्रिक मोटर और प्रोपेलर चुनने से पूरी तरह से अलग विषय है। एक टर्बोप्रॉप या हेवी-फ्यूल पिस्टन इंजन अपने साथ एक एयर इनटेक, एक एग्जॉस्ट, एक कूलिंग सिस्टम और एक ऐसा प्रोपेलर लाता है जो उस एयरफ्रेम के साथ सार्थक रूप से इंटरैक्ट करने के लिए पर्याप्त बड़ा होता है जिस पर इसे माउंट किया गया है — यह सब वास्तविक क्रूज़ गति और ऊंचाई पर होता है, न कि उस कम गति, कम-रेनॉल्ड्स-नंबर वाले वातावरण में जिसमें एक छोटा इलेक्ट्रिक UAV संचालित होता है।

1. दो वास्तविक इंजन, दो वास्तविक इंटीग्रेशन समस्याएं

इस श्रेणी के दो प्रमुख उदाहरण दर्शाते हैं कि एक ही एयरक्राफ्ट परिवार के भीतर भी "प्रोपल्शन" का अर्थ कितना अलग हो सकता है। मूल MQ-1 Predator एक सिंगल Rotax 914F, एक टर्बोचार्ज्ड, चार-सिलेंडर, फोर-स्ट्रोक पिस्टन इंजन द्वारा संचालित था, जिसकी क्षमता लगभग 115 hp थी , जो सिलेंडरों पर एयर-कूल्ड और हेड्स पर वाटर-कूल्ड था, और एक ट्विन-ब्लेड कांस्टेंट-स्पीड पुशर प्रोपेलर को चलाता था — यह एयरक्राफ्ट लगभग 84 से 135 mph की गति से, 25,000 ft की ऊंचाई पर, एक बार में 24 घंटे से अधिक समय तक क्रूज़ करता था।

इसका बड़ा उत्तराधिकारी, MQ-9 Reaper , एक Honeywell TPE331-10 टर्बोप्रॉप द्वारा संचालित है जिसमें डिजिटल इलेक्ट्रॉनिक इंजन कंट्रोल है, जो एक रियर-माउंटेड, मल्टी-ब्लेड, कंट्रोलेबल-पिच पुशर प्रोपेलर को भी चलाता है। General Atomics के अनुसार, यह एयरक्राफ्ट 50,000 ft तक संचालित होता है, 240 knots ट्रू एयरस्पीड पर क्रूज़ करता है, और इसकी एंड्योरेंस 27 घंटे से अधिक है।

दोनों एयरक्राफ्ट ने एक ही बुनियादी आर्किटेक्चर को चुना — धड़ (fuselage) के पिछले हिस्से में लगा एक पुशर प्रोपेलर — इसके बावजूद कि एक पिस्टन इंजन के माध्यम से गैसोलीन पर चलता है और दूसरा टर्बोप्रॉप के माध्यम से जेट ईंधन पर। यह आर्किटेक्चरल विकल्प किसी विंड टनल प्रोग्राम के लिए केवल एक संयोग नहीं है; यह इसके लिए केंद्रीय है।

2. पुशर लेआउट अपने आप में एक टेस्टिंग समस्या क्यों है

धड़ के पीछे लगा एक पुशर प्रोपेलर स्वच्छ फ्रीस्ट्रीम हवा का सामना नहीं करता है — यह धड़ के वेक (wake) को खींचता है और, ज्यामिति के आधार पर, अपने आगे मौजूद विंग और एम्पेनेज (empennage) के वेक को भी। वह इनफ्लो प्रोपेलर डिस्क तक पहुंचने से पहले ही विकृत हो जाता है, और इसके बदले में प्रोपेलर अपने स्वयं के स्वर्ल (swirl) और दबाव की गड़बड़ी को टेल के फ्लो फील्ड में आगे की ओर भेजता है। केवल प्रोपेलर का बेंच टेस्ट, या केवल विंग का एयरोडायनामिक टेस्ट, उस इंटरैक्शन के किसी भी पक्ष को स्पष्ट नहीं करता है — प्रत्येक का मापन तभी सार्थक होता है जब दूसरा मौजूद हो।

यह प्रोपेलर-इनलेट और एयरफ्रेम-प्रोपल्शन इंटीग्रेशन अनुसंधान में एक व्यापक, प्रलेखित निष्कर्ष को दर्शाता है: प्रोपेलर की उपस्थिति कुल दबाव वितरण को मापने योग्य रूप से बदल देती है और स्वर्ल डिस्टॉर्शन पेश करती है, और एक प्रोपल्शन-इंटीग्रेटेड एयरफ्रेम पर इनटेक और एग्जॉस्ट फ्लो के प्रभाव लिफ्ट-टू-ड्रैग अनुपात और पिचिंग मोमेंट को बदल सकते हैं — ये प्रभाव तभी दिखाई देते हैं जब प्रोपल्शन सिस्टम और एयरफ्रेम का एक साथ परीक्षण किया जाता है, न कि अलग-अलग।

3. इंटीग्रेशन टेस्टिंग में वास्तव में क्या शामिल होना चाहिए

एक प्रतिनिधि प्रोपेलर की उपस्थिति के साथ पूरा एयरफ्रेम , न कि क्लीन-एयरफ्रेम पोलर पर केवल प्रोपेलर के थ्रस्ट-स्टैंड परिणाम को लागू करना — पुशर कॉन्फ़िगरेशन का विशेष रूप से अर्थ है कि ये दोनों स्वतंत्र नहीं हैं।
संपूर्ण फ्लाइट एनवलप में इनलेट फ्लो की गुणवत्ता। एक टर्बोप्रॉप के एयर इनटेक को क्रूज़, क्लाइंब और मिशन प्रोफ़ाइल में शामिल किसी भी हाई-एंगल-ऑफ-अटैक स्थिति में इंजन फेस तक स्वीकार्य प्रेशर रिकवरी और डिस्टॉर्शन स्तर प्रदान करना होता है — यह एक ऐसी आवश्यकता है जिसका इलेक्ट्रिक मोटर में कोई विकल्प नहीं है।
ड्रैग और पिचिंग मोमेंट पर एग्जॉस्ट इंटीग्रेशन के प्रभाव , क्योंकि यह प्रलेखित है कि इनटेक और एग्जॉस्ट फ्लो दोनों को मापने योग्य रूप से बदल देते हैं, और एक MALE-श्रेणी का मिशन क्रूज़ दक्षता पर निर्भर करता है जहां 24 घंटे से अधिक की उड़ानों में छोटे ड्रैग पेनल्टी भी बड़े हो जाते हैं।
विशेष रूप से पिस्टन पावरप्लांट के लिए कूलिंग ड्रैग की गणना — एक लिक्विड- या एयर-कूल्ड पिस्टन इंजन में कूलिंग-फ्लो ड्रैग होता है जो एक इलेक्ट्रिक मोटर बिल्कुल उत्पन्न नहीं करती है, और इसे एयरफ्रेम ड्रैग बजट के बाकी हिस्सों के समान परीक्षण में कैप्चर किया जाना चाहिए।
टेल के साथ प्रोपेलर-वेक इंटरैक्शन , क्योंकि एक पुशर लेआउट एम्पेनेज को सीधे प्रोपेलर के इनफ्लो और स्लिपस्ट्रीम में, या उसके पास रखता है — एक ऐसा संयोजन जो पावर सेटिंग और एंगल ऑफ अटैक के साथ बदलता है।

4. पांच गलतियां जो हम देखते हैं

प्रोपेलर और एयरफ्रेम का दो अलग-अलग अभियानों के रूप में परीक्षण करना। पुशर कॉन्फ़िगरेशन पर, प्रोपेलर का इनफ्लो एयरफ्रेम वेक से आता है और एयरफ्रेम का टेल फ्लो प्रोपेलर द्वारा आकार लेता है — कोई भी एक परीक्षण अकेले इस संयोजन को कैप्चर नहीं करता है।
इनलेट डिस्टॉर्शन माप को छोड़ना क्योंकि "इंजन निर्माता इसे निर्दिष्ट करता है।" निर्माता के विनिर्देश एक स्वच्छ, अविकृत इनफ्लो मानकर चलते हैं; एयरफ्रेम-इंस्टॉल्ड डिस्टॉर्शन एक इंस्टॉलेशन प्रभाव है जिसकी भविष्यवाणी इंजन की स्पेक शीट नहीं कर सकती।
कूलिंग ड्रैग को इंजन-इंटीग्रेशन के बाद का विचार (afterthought) मानना। पिस्टन पावरप्लांट के लिए, कूलिंग फ्लो पहले दिन से ही एयरक्राफ्ट के ड्रैग बजट का हिस्सा होता है, न कि एयरोडायनामिक परीक्षण पूरा होने के बाद लागू किया जाने वाला सुधार।
यह मान लेना कि टर्बोप्रॉप और पिस्टन प्रोपल्शन एक ही परीक्षण योजना साझा करते हैं। टर्बोप्रॉप की इनलेट प्रेशर-रिकवरी आवश्यकता और पिस्टन इंजन की कूलिंग-एयरफ्लो आवश्यकता अलग-अलग भौतिक समस्याएं हैं जिनकी इंस्ट्रूमेंटेशन ज़रूरतें भी अलग-अलग होती हैं।
विभिन्न पावर सेटिंग्स पर परीक्षण न करना। टेल के साथ प्रोपेलर-स्लिपस्ट्रीम इंटरैक्शन थ्रस्ट के साथ बदलता है, इसलिए एक सिंगल-पावर-सेटिंग परीक्षण यह देखने से चूक जाता है कि यह संयोजन वास्तविक मिशन प्रोफ़ाइल में कैसे बदलता है — क्लाइंब, क्रूज़ और लॉइटर पावर एक-दूसरे के स्थान पर उपयोग किए जाने वाले परीक्षण बिंदु नहीं हैं।

5. आपके प्रोग्राम के लिए इसका क्या अर्थ है

हमें अपना इंजन प्रकार, प्रोपेलर कॉन्फ़िगरेशन और मिशन पावर प्रोफ़ाइल बताएं , और हम एक एयरफ्रेम-प्रोपल्शन इंटीग्रेशन टेस्ट की रूपरेखा तैयार करेंगे जो इनलेट, एग्जॉस्ट, कूलिंग और स्लिपस्ट्रीम प्रभावों को एक साथ कैप्चर करता है — न कि क्लीन-एयरफ्रेम पोलर पर जोड़े गए अलग-अलग बेंच टेस्ट के रूप में। संबंधित पठन:

long-range fixed-wing UAS testing

पर हमारा हब लेख।

स्रोत और नोट्स

MQ-1 Predator प्रोपल्शन (Rotax 914F टर्बोचार्ज्ड चार-सिलेंडर पिस्टन इंजन जिसकी क्षमता लगभग 115 hp है, एयर-कूल्ड सिलेंडर और वाटर-कूल्ड हेड्स, ट्विन-ब्लेड कांस्टेंट-स्पीड पुशर प्रोपेलर, 24 घंटे से अधिक के मिशन के लिए लगभग 25,000 ft पर क्रूज़ गति लगभग 84–135 mph): निर्माता के प्रकाशित इंजन विनिर्देशों (Rotax, "914 UL | F" product page) और General Atomics MQ-1 Predator प्रोग्राम के इतिहास के अनुरूप।
MQ-9A Reaper प्रोपल्शन (डिजिटल इलेक्ट्रॉनिक इंजन कंट्रोल के साथ Honeywell TPE331-10 टर्बोप्रॉप, अधिकतम ऊंचाई 50,000 ft, क्रूज़ गति 240 KTAS, एंड्योरेंस 27 घंटे से अधिक): General Atomics Aeronautical Systems, "MQ-9A Reaper (Predator B)"।
Predator और Reaper दोनों एयरफ्रेम पर रियर-माउंटेड, पुशर-प्रोपेलर कॉन्फ़िगरेशन General Atomics Predator/Reaper परिवार के डिज़ाइन की एक प्रलेखित विशेषता है।
प्रोपेलर-इनलेट इंटीग्रेशन प्रभाव (प्रोपेलर के सक्रिय होने पर कुल दबाव वितरण और स्वर्ल डिस्टॉर्शन में मापने योग्य परिवर्तन) और लिफ्ट-टू-ड्रैग अनुपात और पिचिंग मोमेंट पर इनटेक/एग्जॉस्ट इंटीग्रेशन प्रभाव, प्रकाशित प्रोपेलर-इनलेट और एयरफ्रेम-प्रोपल्शन इंटीग्रेशन विंड टनल और सिमुलेशन साहित्य में प्रलेखित निष्कर्ष हैं।
परीक्षण-पद्धति मार्गदर्शन (संयुक्त प्रोपेलर-एयरफ्रेम परीक्षण, इनलेट डिस्टॉर्शन माप, कूलिंग ड्रैग की गणना, मल्टी-पावर-सेटिंग स्लिपस्ट्रीम परीक्षण) TunnelTech की इंजीनियरिंग प्रथा है।

लॉन्ग-रेंज UAS के लिए टर्बोप्रॉप और पिस्टन प्रोपल्शन इंटीग्रेशन