Test di certificazione antighiaccio per UAS ad ala fissa di grandi dimensioni

La formazione di ghiaccio su un piccolo UAV elettrico viene solitamente risolta con un'elica riscaldata o un tubo di Pitot riscaldato: una soluzione mirata per un piccolo componente con limiti di potenza. La formazione di ghiaccio su un velivolo MALE o HALE è un problema di tutt'altro livello: si tratta di un requisito di certificazione basato su standard che coinvolge l'intero velivolo, testato rispetto allo stesso inviluppo di ghiaccio per cui sono certificati i velivoli da trasporto con equipaggio, poiché a questa scala il veicolo vola nelle stesse condizioni meteorologiche.

1. Lo standard di certificazione è lo stesso utilizzato dai velivoli con equipaggio

La struttura di riferimento per questa classe di test è l'Icing Research Tunnel (IRT) della NASA presso il Glenn Research Center: una delle gallerie del vento refrigerate più grandi al mondo dedicate alla formazione di ghiaccio sugli aeromobili, e una struttura che replica esplicitamente lo standard di certificazione antighiaccio della FAA contenuto nella Federal Aviation Regulation Part 25, Appendix C . Le sue caratteristiche pubblicate mostrano cosa richieda effettivamente una "certificazione antighiaccio in scala reale":

Sezione di prova di 6 ft di altezza × 9 ft di larghezza × 20 ft di lunghezza
Velocità dell'aria nella sezione di prova da 50 a 350 nodi
Temperatura totale nella sezione di prova da -25 °C a 5 °C
Contenuto di acqua liquida da 0,2 a 3,0 g/m³ , con uniformità della nube mantenuta a ±10%
Diametro mediano volumetrico delle gocce da 15 a 50 µm
Una nube di ghiaccio uniforme che copre 4,5 per 6 ft della sezione di prova
Flusso d'aria di spillamento del motore simulato fino a 1 lb/s , per testare i sistemi antighiaccio termici che utilizzano aria calda di spillamento

L'IRT testa componenti di aeromobili a grandezza naturale, nonché modelli in scala di aerei ed elicotteri, e il suo elenco di clienti — Boeing, Bell Helicopter, Goodrich, Cessna, Sikorsky, oltre a Esercito, Marina e Aeronautica degli Stati Uniti — riflette il fatto che si tratta di un'infrastruttura di livello certificativo, non di una curiosità di ricerca. Le più recenti campagne di test antighiaccio della NASA hanno inoltre esteso il lavoro di calibrazione verso le più recenti condizioni di gocce grandi superraffreddate (SLD) dell'Appendix O , che sia la FAA sia l'EASA ora richiedono insieme all'inviluppo originale dell'Appendix C.

2. Perché la tecnologia di protezione antighiaccio diverge in base alla scala

La tecnologia di protezione antighiaccio si divide nettamente in base alla scala dell'aeromobile, e lo fa per una ragione fisica: la potenza disponibile. Il riscaldamento elettrotermico — l'approccio tipico dei piccoli UAV — è limitato dall'amperaggio della batteria che una piccola piattaforma elettrica può fornire, motivo per cui di solito è limitato a piccoli componenti di alto valore come un'elica o una sonda di Pitot, piuttosto che a un'intera ala.

Un grande velivolo MALE o HALE alimentato a carburante ha un budget di potenza completamente diverso, e questo apre la strada all'antighiaccio termico che utilizza l'aria di spillamento del motore , convogliata al bordo d'attacco dell'ala attraverso un tubo flauto: la stessa architettura di base che i velivoli da trasporto con equipaggio utilizzano da decenni, e che evita all'aeromobile di dover trasportare la capacità di generazione elettrica che un sistema di protezione antighiaccio completamente elettrico richiederebbe. Esempi documentati a questa scala includono l'RQ-4 Global Hawk , il cui sistema antighiaccio della cappottatura del motore sfrutta il calore estratto dal sistema idraulico dell'aeromobile anziché l'aria di spillamento: un promemoria del fatto che la "protezione termica" su un grande UAS può essere progettata a partire da più di una fonte di calore a bordo, e la scelta giusta dipende dalla specifica architettura dei sistemi dell'aeromobile.

3. Cosa deve coprire una campagna di test antighiaccio per grandi velivoli ad ala fissa

Test rispetto all'effettivo inviluppo di certificazione , non a una condizione fredda e umida arbitraria: le combinazioni di contenuto di acqua liquida, dimensioni delle gocce e temperatura dell'Appendix C sono specificate con precisione perché combinazioni diverse producono forme di ghiaccio diverse e penalizzazioni aerodinamiche differenti.
Condizioni di gocce grandi superraffreddate dell'Appendix O insieme all'Appendix C , poiché la formazione di ghiaccio SLD produce un accrescimento di ghiaccio più arretrato sul profilo alare rispetto alla classica formazione di ghiaccio dell'Appendix C, in una posizione che i sistemi di protezione antighiaccio progettati solo per l'Appendix C potrebbero non coprire.
L'intero sistema termico, non solo la superficie riscaldata : per un sistema ad aria di spillamento, ciò significa testare i condotti, la distribuzione del tubo flauto e l'erogazione del calore sotto un flusso motore simulato, non limitarsi a misurare il distacco del ghiaccio da un pannello riscaldato isolato.
Prestazioni aerodinamiche con forme di ghiaccio realistiche attaccate , poiché la certificazione riguarda in ultima analisi le qualità di volo dell'aeromobile con il ghiaccio per cui il sistema di protezione è stato progettato, e non solo se il sistema di protezione previene la formazione di ghiaccio nel caso migliore.
Componenti a grandezza naturale ovunque la base di certificazione li richieda : la capacità documentata dell'IRT di testare componenti di aeromobili a grandezza naturale esiste proprio perché la fisica dell'accrescimento del ghiaccio su alcuni componenti non si adatta in modo lineare a un modello in scala ridotta.

4. Cinque errori che riscontriamo

Trattare la protezione antighiaccio come un problema elettrotermico a livello di componente a qualsiasi scala dell'aeromobile. Ciò che funziona per l'elica di un piccolo UAV non è estrapolabile all'ala di un MALE/HALE: il budget di potenza e la base di certificazione sono entrambi diversi.
Testare solo l'Appendix C e presumere che copra la "formazione di ghiaccio". Le condizioni di gocce grandi superraffreddate dell'Appendix O sono ora una parte distinta e obbligatoria della base di certificazione per molti programmi, e formano ghiaccio su una parte diversa del profilo alare.
Convalidare la fonte di calore senza convalidare il sistema di erogazione. La distribuzione del tubo flauto di un sistema ad aria di spillamento e le perdite nei condotti contano tanto quanto il calore grezzo disponibile: un sistema che funziona sulla carta può fornire prestazioni insufficienti all'estremità alare.
Misurare la prevenzione del ghiaccio senza misurare la penalizzazione aerodinamica. La certificazione non è solo "si forma il ghiaccio?", ma "come vola l'aeromobile con le forme di ghiaccio rispetto alle quali il sistema di protezione è convalidato?".
Presumere che un modello in scala catturi tutto ciò che farebbe un componente a grandezza naturale. La fisica dell'accrescimento del ghiaccio è una delle aree in cui gli effetti di scala sono meno indulgenti, motivo esatto per cui le gallerie del vento per la certificazione antighiaccio testano direttamente componenti a grandezza naturale.

5. Cosa significa questo per il vostro programma

Comunicateci la vostra base di certificazione e l'architettura di protezione antighiaccio , e definiremo un programma di test rispetto all'effettivo inviluppo dell'Appendix C e dell'Appendix O per cui il vostro aeromobile deve essere certificato, non un generico controllo per climi freddi. Lettura correlata: il nostro articolo principale su

long-range fixed-wing UAS testing

Fonti e note

Caratteristiche della struttura NASA Icing Research Tunnel (sezione di prova 6 ft × 9 ft × 20 ft, velocità dell'aria 50–350 nodi, temperatura totale da -25 °C a 5 °C, contenuto di acqua liquida 0,2–3,0 g/m³ con uniformità della nube del ±10%, MVD delle gocce 15–50 µm, nube di ghiaccio uniforme di 4,5 per 6 ft, flusso d'aria di spillamento del motore simulato fino a 1 lb/s, replica degli standard di certificazione antighiaccio FAA FAR Part 25 Appendix C, test di componenti di aeromobili a grandezza naturale e modelli in scala di aerei ed elicotteri, e la sua base di clienti che include Boeing, Bell Helicopter, Goodrich, Cessna, Sikorsky e i servizi militari statunitensi): NASA Glenn Research Center / NASA Aeronautics Test Program, scheda informativa "Icing Research Tunnel".
L'estensione del lavoro di calibrazione dell'IRT alle condizioni di gocce grandi superraffreddate (SLD) dell'Appendix O di FAA/EASA nelle più recenti campagne di test della NASA è documentata nelle successive pubblicazioni di ricerca sul ghiaccio del NASA Glenn sul NASA Technical Reports Server.
La protezione antighiaccio elettrotermica come approccio tipico per piccoli componenti UAV con limiti di potenza, rispetto all'antighiaccio termico ad aria di spillamento tramite tubo flauto come approccio adatto a grandi velivoli HALE alimentati a carburante, e il sistema antighiaccio della cappottatura del motore dell'RQ-4 Global Hawk che preleva calore dal sistema idraulico dell'aeromobile: coerente con la letteratura pubblicata sui sistemi di protezione antighiaccio per aeromobili.
Background dell'aeromobile per l'RQ-4B Global Hawk (classe HALE): coerente con il nostro articolo pubblicato sui test UAS ad ala fissa a lungo raggio (MALE, HALE e VTOL).
Le linee guida sulla metodologia di test (test a inviluppo completo Appendix C e Appendix O, convalida termica dell'intero sistema, misurazione della penalizzazione aerodinamica con forme di ghiaccio attaccate, test di componenti a grandezza naturale) rappresentano la pratica ingegneristica di TunnelTech, che risponde direttamente alle caratteristiche delle strutture di livello certificativo documentate sopra.

Certificazione antighiaccio e ognitempo per UAS ad ala fissa di grandi dimensioni