Integracija turbopropelerskog i klipnog pogona za UAS dugog dometa
Zašto MALE UAS s turbopropelerskim i klipnim motorima donose problem integracije s kojim se električni dronovi nikada ne suočavaju, što pokazuju stvarni zrakoplovi i što treba ispitati.
Odluka o pogonu za MALE ili HALE zrakoplove potpuno je drugačija disciplina od odabira elektromotora i propelera. Turbopropelerski ili klipni motor na teško gorivo donosi usisnik zraka, ispuh, sustav hlađenja i propeler dovoljno velik za značajnu interakciju sa zmajem zrakoplova na koji je ugrađen — i to sve pri stvarnoj brzini krstarenja i visini, a ne u režimu malih brzina i niskih Reynoldsovih brojeva u kojem obitavaju mali električni UAV-ovi.
1. Dva stvarna motora, dva stvarna problema integracije
Dva vodeća primjera ove klase ilustriraju koliko pojam "pogon" može biti različit čak i unutar iste obitelji zrakoplova. Izvorni MQ-1 Predator pokretao je jedan Rotax 914F, četverocilindrični četverotaktni klipni motor s turbopunjačem snage oko 115 hp , hlađen zrakom na cilindrima i vodom na glavama, koji je pokretao dvokraki potisni propeler konstantne brzine — zrakoplov je krstario brzinom od otprilike 84 do 135 mph, na oko 25.000 ft, u trajanju od znatno preko 24 sata u komadu.
Njegov veći nasljednik, MQ-9 Reaper , pokreće turbopropelerski motor Honeywell TPE331-10 s digitalnim elektroničkim upravljanjem motorom , koji također pokreće straga ugrađen, višekraki potisni propeler s promjenjivim korakom . Prema tvrtki General Atomics, zrakoplov operira na visinama do 50.000 ft, krstari pri 240 knots stvarne brzine zraka (KTAS) i ima izdržljivost od preko 27 sati.
Oba su zrakoplova odabrala istu osnovnu arhitekturu — potisni propeler ugrađen na stražnjem dijelu trupa — unatoč tome što jedan radi na benzin putem klipnog motora, a drugi na mlazno gorivo putem turbopropelerskog motora. Taj arhitektonski odabir nije slučajan za program ispitivanja u zračnom tunelu; on je za njega ključan.
2. Zašto je potisna konfiguracija zaseban problem pri ispitivanju
Potisni propeler ugrađen iza trupa ne nailazi na čistu slobodnu struju zraka — on usisava trag trupa i, ovisno o geometriji, krila i repnih površina ispred sebe. Taj je ulazni tok već izobličen prije nego što stigne do diska propelera, a propeler zauzvrat unosi vlastito vrtloženje i poremećaje tlaka naprijed u polje strujanja repa. Ispitivanje samog propelera na stolu ili aerodinamičko ispitivanje samog krila ne karakterizira nijednu stranu te interakcije — svako od njih ima smisla samo ako se mjeri u prisutnosti onog drugog.
Ovo odražava šire, dokumentirano otkriće u istraživanjima integracije usisnika propelera i pogona zmajem zrakoplova: prisutnost propelera mjerljivo mijenja ukupnu raspodjelu tlaka i unosi distorziju uslijed vrtloženja, a učinci strujanja usisa i ispuha na zmaju zrakoplova s integriranim pogonom mogu pomaknuti omjer uzgona i otpora te moment propinjanja — učinci koji se pojavljuju tek kada se pogonski sustav i zmaj zrakoplova ispituju zajedno, a ne odvojeno.
3. Što integracijsko ispitivanje zapravo treba obuhvatiti
- Cijeli zmaj zrakoplova uz prisutnost reprezentativnog propelera , a ne rezultat ispitivanja potiska samog propelera dodan na polarnu krivulju čistog zmaja zrakoplova — potisna konfiguracija specifično znači da to dvoje nije neovisno.
- Kvaliteta ulaznog strujanja kroz cijelu anvelopu leta. Usisnik zraka turbopropelerskog motora mora isporučiti prihvatljiv povrat tlaka i razine distorzije na čelo motora pri krstarenju, penjanju i bilo kojem stanju visokog napadnog kuta koje profil misije uključuje — zahtjev koji nema ekvivalent kod elektromotora.
- Učinci integracije ispuha na otpor i moment propinjanja , budući da je dokumentirano kako strujanje usisa i ispuha mjerljivo pomiče oboje, a misija MALE klase prodaje se na temelju učinkovitosti krstarenja gdje se mali gubici zbog otpora zbrajaju tijekom letova dužih od 24 sata.
- Obračunavanje otpora hlađenja specifično za klipni pogon — klipni motor hlađen tekućinom ili zrakom ima otpor strujanja hlađenja koji elektromotor jednostavno ne stvara, i on mora biti zabilježen u istom ispitivanju kao i ostatak budžeta otpora zmaja zrakoplova.
- Interakcija traga propelera s repom , budući da potisna konfiguracija postavlja repne površine izravno u, ili blizu, ulaznog toka i struje propelera — sprega koja se mijenja s postavkom snage i napadnim kutom.
4. Pet pogrešaka koje viđamo
- Ispitivanje propelera i zmaja zrakoplova kao dvije odvojene kampanje. Kod potisne konfiguracije, ulazni tok propelera dolazi iz traga zmaja zrakoplova, a strujanje oko repa zmaja oblikuje propeler — nijedno ispitivanje zasebno ne obuhvaća tu spregu.
- Preskakanje mjerenja distorzije na usisu jer to "proizvođač motora navodi u specifikacijama." Specifikacije proizvođača pretpostavljaju čist, neizobličen ulazni tok; distorzija uzrokovana ugradnjom u zmaj zrakoplova učinak je instalacije koji specifikacija motora ne može predvidjeti.
- Tretiranje otpora hlađenja kao naknadne misli pri integraciji motora. Za klipni pogon, strujanje hlađenja dio je budžeta otpora zrakoplova od prvog dana, a ne korekcija koja se primjenjuje nakon što je aerodinamičko ispitivanje završeno.
- Pretpostavka da turbopropelerski i klipni pogon dijele isti plan ispitivanja. Zahtjev za povratom tlaka na usisu turbopropelerskog motora i zahtjev za protokom zraka za hlađenje klipnog motora različiti su fizikalni problemi s različitim potrebama za instrumentacijom.
- Neispitivanje kroz različite postavke snage. Interakcija struje propelera s repom mijenja se s potiskom, tako da ispitivanje na samo jednoj postavci snage propušta zabilježiti kako se ta sprega mijenja kroz stvarni profil misije — snaga za penjanje, krstarenje i čekanje (loiter) nisu međusobno zamjenjive točke ispitivanja.
5. Što to znači za vaš program
Recite nam svoj tip motora, konfiguraciju propelera i profil snage misije , a mi ćemo osmisliti integracijsko ispitivanje zmaja zrakoplova i pogona koje zajedno obuhvaća učinke usisa, ispuha, hlađenja i struje propelera — a ne kao odvojena ispitivanja na stolu dodana na polarnu krivulju čistog zmaja zrakoplova. Povezano štivo: naš središnji članak o
long-range fixed-wing UAS testing.
Izvori i napomene
- Pogon MQ-1 Predatora (Rotax 914F četverocilindrični klipni motor s turbopunjačem snage približno 115 hp, cilindri hlađeni zrakom s glavama hlađenim vodom, dvokraki potisni propeler konstantne brzine, brzina krstarenja približno 84–135 mph na oko 25.000 ft za misije duže od 24 sata): u skladu s objavljenim specifikacijama motora proizvođača (Rotax, "914 UL | F" product page) i poviješću programa General Atomics MQ-1 Predator.
- Pogon MQ-9A Reapera (turbopropelerski motor Honeywell TPE331-10 s digitalnim elektroničkim upravljanjem motorom, maksimalna visina 50.000 ft, brzina krstarenja 240 KTAS, izdržljivost preko 27 sati): General Atomics Aeronautical Systems, "MQ-9A Reaper (Predator B)".
- Straga ugrađena konfiguracija s potisnim propelerom na zmajevima zrakoplova Predator i Reaper dokumentirana je značajka dizajna obitelji General Atomics Predator/Reaper.
- Učinci integracije usisnika propelera (mjerljive promjene u ukupnoj raspodjeli tlaka i distorziji uslijed vrtloženja s aktivnim propelerom) te učinci integracije usisa/ispuha na omjer uzgona i otpora te moment propinjanja dokumentirana su otkrića u objavljenoj literaturi o ispitivanjima u zračnom tunelu i simulacijama integracije usisnika propelera i pogona zmajem zrakoplova.
- Smjernice za metodologiju ispitivanja (kombinirano ispitivanje propelera i zmaja zrakoplova, mjerenje distorzije na usisu, obračunavanje otpora hlađenja, ispitivanje struje propelera pri više postavki snage) inženjerska su praksa tvrtke TunnelTech.