Pengujian Propulsi Turboprop dan Piston untuk UAS

Keputusan propulsi pada pesawat MALE atau HALE adalah disiplin ilmu yang sama sekali berbeda dari sekadar memilih motor listrik dan baling-baling. Mesin turboprop atau mesin piston berbahan bakar berat membawa saluran masuk udara (air intake), saluran buang (exhaust), sistem pendingin, dan baling-baling yang cukup besar untuk berinteraksi secara signifikan dengan rangka pesawat (airframe) tempat mesin tersebut dipasang — semuanya pada kecepatan jelajah dan ketinggian yang sebenarnya, bukan pada rezim kecepatan rendah dan bilangan Reynolds rendah tempat UAV listrik kecil beroperasi.

1. Dua mesin nyata, dua masalah integrasi nyata

Dua contoh unggulan di kelas ini mengilustrasikan betapa berbedanya arti "propulsi" bahkan di dalam keluarga pesawat yang sama. MQ-1 Predator orisinal ditenagai oleh mesin tunggal Rotax 914F, sebuah mesin piston empat langkah, empat silinder, dengan turbocharged yang menghasilkan sekitar 115 hp , berpendingin udara pada silinder dan berpendingin air pada kepala silinder, yang menggerakkan baling-baling pendorong (pusher propeller) kecepatan konstan berbilah ganda — pesawat ini menjelajah pada kecepatan sekitar 84 hingga 135 mph, di ketinggian sekitar 25.000 ft, selama lebih dari 24 jam berturut-turut.

Penerusnya yang lebih besar, MQ-9 Reaper , ditenagai oleh turboprop Honeywell TPE331-10 dengan Digital Electronic Engine Control , yang juga menggerakkan baling-baling pendorong multi-bilah dengan pitch yang dapat dikendalikan yang dipasang di belakang . Menurut General Atomics, pesawat ini beroperasi hingga ketinggian 50.000 ft, menjelajah pada 240 knots true airspeed, dan memiliki daya tahan lebih dari 27 jam.

Kedua pesawat memilih arsitektur dasar yang sama — sebuah baling-baling pendorong yang dipasang di bagian belakang badan pesawat (fuselage) — meskipun yang satu menggunakan bensin melalui mesin piston dan yang lainnya menggunakan bahan bakar jet melalui turboprop. Pilihan arsitektur tersebut bukanlah hal yang kebetulan bagi program terowongan angin; melainkan menjadi pusat dari program tersebut.

2. Mengapa tata letak pendorong (pusher) menjadi masalah pengujian tersendiri

Baling-baling pendorong yang dipasang di belakang badan pesawat tidak menerima udara aliran bebas (freestream) yang bersih — baling-baling ini menyedot jejak aliran (wake) dari badan pesawat dan, bergantung pada geometrinya, sayap serta ekor (empennage) di depannya. Aliran masuk (inflow) tersebut sudah terdistorsi sebelum mencapai cakram baling-baling, dan baling-baling pada gilirannya menyalurkan pusaran (swirl) dan gangguan tekanannya sendiri ke depan ke dalam medan aliran ekor. Pengujian bangku (bench test) baling-baling saja, atau pengujian aerodinamika sayap saja, tidak mengkarakterisasi kedua sisi interaksi tersebut — masing-masing hanya masuk akal jika diukur dengan kehadiran yang lainnya.

Hal ini mencerminkan temuan yang lebih luas dan terdokumentasi dalam penelitian integrasi saluran masuk baling-baling (propeller-inlet) dan propulsi rangka pesawat: kehadiran baling-baling secara terukur mengubah distribusi tekanan total dan memunculkan distorsi swirl, serta efek aliran masuk (intake) dan buang (exhaust) pada rangka pesawat yang terintegrasi dengan propulsi dapat menggeser rasio gaya angkat terhadap gaya hambat (lift-to-drag ratio) dan momen angguk (pitching moment) — efek yang hanya muncul setelah sistem propulsi dan rangka pesawat diuji bersama-sama, bukan secara terpisah.

3. Apa yang sebenarnya perlu dicakup oleh pengujian integrasi

Rangka pesawat lengkap dengan kehadiran baling-baling yang representatif , bukan hasil uji dudukan dorong (thrust-stand) baling-baling saja yang dilapiskan ke kurva polar rangka pesawat yang bersih — konfigurasi pendorong secara spesifik berarti keduanya tidak independen.
Kualitas aliran masuk (inlet flow) di seluruh selubung penerbangan (flight envelope). Saluran masuk udara turboprop harus memberikan pemulihan tekanan (pressure recovery) dan tingkat distorsi yang dapat diterima ke muka mesin saat menjelajah, menanjak, dan kondisi sudut serang (angle of attack) tinggi apa pun yang termasuk dalam profil misi — sebuah persyaratan yang tidak ada padanannya pada motor listrik.
Efek integrasi saluran buang terhadap gaya hambat (drag) dan momen angguk , karena aliran masuk dan buang didokumentasikan dapat menggeser keduanya secara terukur, dan misi kelas MALE sangat bergantung pada efisiensi jelajah di mana penalti gaya hambat kecil akan berlipat ganda selama penerbangan lebih dari 24 jam.
Perhitungan gaya hambat pendinginan (cooling drag) khusus untuk pembangkit tenaga piston — mesin piston berpendingin cairan atau udara memiliki gaya hambat aliran pendingin yang sama sekali tidak dihasilkan oleh motor listrik, dan hal ini harus ditangkap dalam pengujian yang sama dengan sisa anggaran gaya hambat rangka pesawat.
Interaksi jejak baling-baling (propeller-wake) dengan ekor , karena tata letak pendorong menempatkan empennage secara langsung di dalam, atau di dekat, aliran masuk dan slipstream baling-baling — sebuah penggabungan yang berubah seiring dengan pengaturan daya dan sudut serang.

4. Lima kesalahan yang kami lihat

Menguji baling-baling dan rangka pesawat sebagai dua kampanye terpisah. Pada konfigurasi pendorong, aliran masuk baling-baling berasal dari jejak rangka pesawat dan aliran ekor rangka pesawat dibentuk oleh baling-baling — tidak ada pengujian tunggal yang menangkap penggabungan tersebut.
Melewatkan pengukuran distorsi saluran masuk karena "pabrikan mesin telah menspesifikasikannya." Spesifikasi pabrikan mengasumsikan aliran masuk yang bersih dan tidak terdistorsi; distorsi yang terpasang pada rangka pesawat adalah efek instalasi yang tidak dapat diprediksi oleh lembar spesifikasi mesin.
Memperlakukan gaya hambat pendinginan sebagai pertimbangan akhir integrasi mesin. Untuk pembangkit tenaga piston, aliran pendingin adalah bagian dari anggaran gaya hambat pesawat sejak hari pertama, bukan koreksi yang diterapkan setelah pengujian aerodinamika selesai.
Berasumsi bahwa propulsi turboprop dan piston memiliki rencana pengujian yang sama. Persyaratan pemulihan tekanan saluran masuk turboprop dan persyaratan aliran udara pendingin mesin piston adalah masalah fisik yang berbeda dengan kebutuhan instrumentasi yang berbeda pula.
Tidak melakukan pengujian di berbagai pengaturan daya. Interaksi slipstream baling-baling dengan ekor berubah seiring dengan daya dorong (thrust), sehingga pengujian dengan pengaturan daya tunggal akan melewatkan bagaimana penggabungan tersebut bergeser di seluruh profil misi yang sebenarnya — daya untuk menanjak, menjelajah, dan mengudara di satu titik (loiter) bukanlah titik pengujian yang dapat dipertukarkan.

5. Apa artinya ini bagi program Anda

Beri tahu kami jenis mesin, konfigurasi baling-baling, dan profil daya misi Anda , dan kami akan menyusun ruang lingkup pengujian integrasi propulsi rangka pesawat yang menangkap efek saluran masuk, saluran buang, pendinginan, dan slipstream secara bersama-sama — bukan sebagai pengujian bangku terpisah yang ditempelkan pada kurva polar rangka pesawat yang bersih. Bacaan terkait: artikel hub kami tentang

long-range fixed-wing UAS testing

Sumber dan catatan

Propulsi MQ-1 Predator (mesin piston empat silinder turbocharged Rotax 914F dengan daya sekitar 115 hp, silinder berpendingin udara dengan kepala silinder berpendingin air, baling-baling pendorong kecepatan konstan berbilah ganda, kecepatan jelajah sekitar 84–135 mph di ketinggian sekitar 25.000 ft untuk misi lebih dari 24 jam): konsisten dengan spesifikasi mesin yang dipublikasikan oleh pabrikan (Halaman produk Rotax, "914 UL | F") dan sejarah program MQ-1 Predator dari General Atomics.
Propulsi MQ-9A Reaper (turboprop Honeywell TPE331-10 dengan Digital Electronic Engine Control, ketinggian maksimum 50.000 ft, kecepatan jelajah 240 KTAS, daya tahan lebih dari 27 jam): General Atomics Aeronautical Systems, "MQ-9A Reaper (Predator B)".
Konfigurasi baling-baling pendorong yang dipasang di belakang pada rangka pesawat Predator dan Reaper adalah fitur yang terdokumentasi dari desain keluarga Predator/Reaper buatan General Atomics.
Efek integrasi saluran masuk baling-baling (perubahan terukur pada distribusi tekanan total dan distorsi swirl saat baling-baling aktif) serta efek integrasi saluran masuk/buang pada rasio gaya angkat terhadap gaya hambat dan momen angguk adalah temuan yang terdokumentasi dalam literatur simulasi dan terowongan angin mengenai integrasi saluran masuk baling-baling dan propulsi rangka pesawat yang telah dipublikasikan.
Panduan metodologi pengujian (pengujian gabungan baling-baling dan rangka pesawat, pengukuran distorsi saluran masuk, perhitungan gaya hambat pendinginan, pengujian slipstream dengan berbagai pengaturan daya) adalah praktik rekayasa TunnelTech.

Integrasi Propulsi Turboprop dan Piston untuk UAS Jarak Jauh