Turboprop és dugattyús hajtóművek tesztelése UAS-ekhez

Egy MALE vagy HALE repülőgép hajtóművének kiválasztása teljesen más tudományág, mint egy villanymotor és egy légcsavar kiválasztása. Egy turboprop vagy nehézüzemanyaggal működő dugattyús hajtómű légbeömlővel, kipufogóval, hűtőrendszerrel és egy olyan méretű légcsavarral rendelkezik, amely érdemben kölcsönhatásba lép a sárkányszerkezettel, amelyre felszerelték – mindezt valós utazósebesség és magasság mellett, nem pedig abban az alacsony sebességű, alacsony Reynolds-számú tartományban, amelyben egy kis elektromos UAV működik.

1. Két valós hajtómű, két valós integrációs probléma

Ezen kategória két zászlóshajója jól szemlélteti, hogy a „hajtáslánc” mennyire mást jelenthet még ugyanazon a repülőgépcsaládon belül is. Az eredeti MQ-1 Predator meghajtásáról egyetlen Rotax 914F, egy turbófeltöltős, négyhengeres, négyütemű, körülbelül 115 hp teljesítményű dugattyús motor gondoskodott, amelynek hengerei léghűtésesek, hengerfejei pedig vízhűtésesek voltak. Ez egy kétlapátos, állandó fordulatszámú tolólégcsavart hajtott meg – a repülőgép nagyjából 84 és 135 mph közötti utazósebességgel, mintegy 25 000 ft magasságban repült, egyhuzamban jóval több mint 24 órán át.

Nagyobb utódját, az MQ-9 Reaper -t egy digitális elektronikus hajtóművezérléssel (DEEC) ellátott Honeywell TPE331-10 turboprop hajtja, amely szintén egy hátul elhelyezett, többlapátos, állítható állásszögű tolólégcsavart forgat. A General Atomics szerint a repülőgép akár 50 000 ft magasságban is képes üzemelni, 240 knots valós légsebességgel (KTAS) repül, és több mint 27 órás repülési idővel rendelkezik.

Mindkét repülőgép ugyanazt az alapvető architektúrát – a törzs hátsó részére szerelt tolólégcsavart – választotta, annak ellenére, hogy az egyik benzinnel működő dugattyús motorral, a másik pedig kerozinnal működő turboprop hajtóművel repül. Ez az építészeti választás nem mellékes egy szélcsatorna-program szempontjából; ez a központi eleme.

2. Miért jelent külön tesztelési problémát a tolólégcsavaros elrendezés?

A törzs mögé szerelt tolólégcsavar nem tiszta, zavartalan áramlással találkozik – a törzs, valamint a geometria függvényében az előtte lévő szárny és vezérsík nyomdokáramlását szívja be. Ez a beáramlás már azelőtt torzul, hogy elérné a légcsavarkorongot, a légcsavar pedig a saját örvénylését (swirl) és nyomásingadozását táplálja előre a farokrész áramlási mezejébe. Egy önálló légcsavaros próbapadi teszt vagy egy önálló szárny aerodinamikai tesztje ezen kölcsönhatás egyik oldalát sem képes jellemezni – mindkettőnek csak akkor van értelme, ha a másikkal együtt mérik.

Ez a légcsavar-légbeömlő és a sárkányszerkezet-hajtómű integrációs kutatások egy tágabb, dokumentált megállapítását tükrözi: a légcsavar jelenléte mérhetően megváltoztatja az össznyomás-eloszlást és örvényléses (swirl) torzulást idéz elő, a légbeömlő és a kipufogó áramlási hatásai pedig a hajtóművel integrált sárkányszerkezeten eltolhatják a felhajtóerő-ellenállás arányt és a bólintónyomatékot – ezek a hatások csak akkor jelentkeznek, ha a hajtásrendszert és a sárkányszerkezetet együtt tesztelik, nem pedig külön-külön.

3. Mit kell ténylegesen lefednie az integrációs tesztelésnek?

A teljes sárkányszerkezetet egy reprezentatív légcsavar jelenlétében , nem pedig egy önálló légcsavaros tolóerő-mérőpadi eredményt rávetítve egy tiszta sárkányszerkezet polárisára – a tolólégcsavaros konfiguráció kifejezetten azt jelenti, hogy a kettő nem független egymástól.
A beömlő áramlás minőségét a teljes repülési tartományban. Egy turboprop légbeömlőjének elfogadható nyomásvisszanyerést és torzulási szintet kell biztosítania a hajtómű belépő keresztmetszeténél utazórepülés, emelkedés és a küldetésprofilban szereplő bármely nagy állásszögű helyzet során – ez egy olyan követelmény, amelynek nincs megfelelője egy villanymotor esetében.
A kipufogó integrációjának hatásait a légellenállásra és a bólintónyomatékra , mivel dokumentált tény, hogy a szívó- és kipufogóáramlás mindkettőt mérhetően eltolja, egy MALE-osztályú küldetés pedig az utazórepülés hatékonyságán múlik, ahol a kis légellenállási veszteségek a 24+ órás repülések során összeadódnak.
A hűtési ellenállás elszámolását kifejezetten a dugattyús hajtóművek esetében – egy folyadék- vagy léghűtéses dugattyús motornak olyan hűtőáramlási ellenállása van, amelyet egy villanymotor egyszerűen nem generál, és ezt ugyanabban a tesztben kell rögzíteni, mint a sárkányszerkezet légellenállási költségvetésének többi részét.
A légcsavar nyomdokáramlásának kölcsönhatását a farokrésszel , mivel a tolólégcsavaros elrendezés a vezérsíkot közvetlenül a légcsavar beáramlásába és csúszóáramába, vagy annak közelébe helyezi – ez a csatolás a teljesítménybeállítással és az állásszöggel együtt változik.

4. Öt hiba, amit gyakran látunk

A légcsavar és a sárkányszerkezet két külön kampányban történő tesztelése. Egy tolólégcsavaros konfiguráció esetén a légcsavar beáramlása a sárkányszerkezet nyomdokából érkezik, a sárkányszerkezet farokáramlását pedig a légcsavar alakítja – önmagában egyik teszt sem képes rögzíteni ezt a csatolást.
A beömlő torzulásának mérésének kihagyása, mondván, hogy „a hajtómű gyártója megadja az adatokat”. A gyártói specifikációk tiszta, torzítatlan beáramlást feltételeznek; a sárkányszerkezetbe épített torzulás egy olyan beépítési hatás, amelyet a hajtómű adatlapja nem tud előre jelezni.
A hűtési ellenállás utólagos hajtómű-integrációs kérdésként való kezelése. Egy dugattyús hajtómű esetében a hűtőáramlás az első naptól kezdve a repülőgép légellenállási költségvetésének része, nem pedig egy olyan korrekció, amelyet az aerodinamikai teszt elvégzése után alkalmaznak.
Annak feltételezése, hogy a turboprop és a dugattyús hajtás azonos teszttervet igényel. Egy turboprop beömlő nyomásvisszanyerési követelménye és egy dugattyús motor hűtőlevegő-követelménye eltérő fizikai problémák, amelyek eltérő műszerezési igényekkel rendelkeznek.
A különböző teljesítménybeállítások tesztelésének elmulasztása. A légcsavar csúszóáramának kölcsönhatása a farokrésszel a tolóerő függvényében változik, így egyetlen teljesítménybeállítással végzett teszt nem mutatja meg, hogyan tolódik el ez a csatolás a tényleges küldetésprofil során – az emelkedési, utazó- és őrjáratozási teljesítmények nem felcserélhető tesztpontok.

5. Mit jelent ez az Ön programja számára?

Mondja el nekünk a hajtómű típusát, a légcsavar konfigurációját és a küldetés teljesítményprofilját , és mi egy olyan sárkányszerkezet-hajtómű integrációs tesztet dolgozunk ki, amely együttesen rögzíti a beömlő, a kipufogó, a hűtés és a csúszóáram hatásait – nem pedig különálló próbapadi tesztekként, amelyeket egy tiszta sárkányszerkezet polárisára illesztenek. Kapcsolódó olvasmány: összefoglaló cikkünk a következő témában:

long-range fixed-wing UAS testing

Források és megjegyzések

Az MQ-1 Predator hajtáslánca (Rotax 914F turbófeltöltős négyhengeres dugattyús motor, körülbelül 115 hp teljesítménnyel, léghűtéses hengerekkel és vízhűtéses hengerfejekkel, kétlapátos, állandó fordulatszámú tolólégcsavarral, körülbelül 84–135 mph utazósebességgel, nagyjából 25 000 ft magasságban, 24+ órás küldetésekhez): összhangban a gyártó által közzétett hajtómű-specifikációkkal (Rotax, "914 UL | F" termékoldal) és a General Atomics MQ-1 Predator program történetével.
Az MQ-9A Reaper hajtáslánca (Honeywell TPE331-10 turboprop digitális elektronikus hajtóművezérléssel, maximális magasság 50 000 ft, utazósebesség 240 KTAS, több mint 27 órás repülési idő): General Atomics Aeronautical Systems, "MQ-9A Reaper (Predator B)".
A hátul elhelyezett tolólégcsavaros konfiguráció mind a Predator, mind a Reaper sárkányszerkezetén a General Atomics Predator/Reaper család tervezésének dokumentált jellemzője.
A légcsavar-légbeömlő integrációs hatások (az össznyomás-eloszlás mérhető változásai és az örvényléses (swirl) torzulás aktív légcsavar esetén), valamint a szívó-/kipufogó-integráció hatásai a felhajtóerő-ellenállás arányra és a bólintónyomatékra dokumentált megállapítások a publikált légcsavar-légbeömlő és sárkányszerkezet-hajtómű integrációs szélcsatorna- és szimulációs szakirodalomban.
A tesztelési módszertani útmutatás (kombinált légcsavar-sárkányszerkezet tesztelés, beömlő torzulásának mérése, hűtési ellenállás elszámolása, több teljesítménybeállítású csúszóáram-tesztelés) a TunnelTech mérnöki gyakorlata.

Turboprop és dugattyús hajtóművek integrációja nagy hatótávolságú UAS-ekhez