Test della propulsione a turboelica e a pistoni per UAS

La scelta della propulsione per un velivolo MALE o HALE è una disciplina completamente diversa rispetto alla selezione di un motore elettrico e di un'elica. Un motore a turboelica o a pistoni a combustibile pesante comporta una presa d'aria, uno scarico, un sistema di raffreddamento e un'elica abbastanza grande da interagire in modo significativo con la cellula su cui è montata, il tutto a velocità di crociera e altitudini reali, non nel regime a bassa velocità e a basso numero di Reynolds in cui opera un piccolo UAV elettrico.

1. Due motori reali, due reali problemi di integrazione

I due esempi di punta di questa classe illustrano quanto possa essere diverso il significato di "propulsione" anche all'interno della stessa famiglia di velivoli. L'originale MQ-1 Predator era alimentato da un singolo Rotax 914F, un motore a pistoni a quattro tempi e quattro cilindri turbocompresso con una potenza di circa 115 hp , raffreddato ad aria nei cilindri e ad acqua nelle testate, che azionava un'elica spingente bipala a velocità costante ; il velivolo volava a una velocità di crociera compresa tra circa 84 e 135 mph, a circa 25.000 piedi, per ben oltre 24 ore consecutive.

Il suo successore più grande, l'MQ-9 Reaper , è alimentato da un turboelica Honeywell TPE331-10 con Digital Electronic Engine Control , che aziona anch'esso un'elica spingente multipala a passo variabile montata posteriormente . Secondo General Atomics, il velivolo opera fino a 50.000 piedi, ha una velocità di crociera di 240 nodi (KTAS) e un'autonomia di oltre 27 ore.

Entrambi i velivoli hanno adottato la stessa architettura di base, ovvero un'elica spingente montata nella parte posteriore della fusoliera, nonostante uno funzioni a benzina tramite un motore a pistoni e l'altro a carburante per aerei tramite un turboelica. Questa scelta architettonica non è marginale per un programma in galleria del vento; ne è l'elemento centrale.

2. Perché la configurazione spingente rappresenta un problema di test a sé stante

Un'elica spingente montata dietro la fusoliera non riceve aria pulita a flusso libero: aspira la scia della fusoliera e, a seconda della geometria, dell'ala e degli impennaggi che la precedono. Questo flusso in entrata è già distorto prima di raggiungere il disco dell'elica, e l'elica a sua volta trasmette la propria componente vorticosa (swirl) e il proprio disturbo di pressione in avanti nel campo di moto della coda. Un test al banco della sola elica, o un test aerodinamico della sola ala, non caratterizza nessuno dei due lati di questa interazione: ciascuno ha senso solo se misurato in presenza dell'altro.

Ciò riflette una scoperta più ampia e documentata nella ricerca sull'integrazione elica-ingresso e cellula-propulsione: la presenza dell'elica modifica in modo misurabile la distribuzione della pressione totale e introduce una distorsione da swirl, e gli effetti del flusso di aspirazione e di scarico su una cellula con propulsione integrata possono alterare l'efficienza aerodinamica (rapporto portanza-resistenza) e il momento di beccheggio. Questi effetti si manifestano solo quando il sistema di propulsione e la cellula vengono testati insieme, non separatamente.

3. Cosa deve effettivamente coprire il test di integrazione

L'intera cellula con un'elica rappresentativa presente , non un risultato al banco prova della sola elica sovrapposto alla polare di una cellula pulita: la configurazione spingente implica specificamente che i due elementi non sono indipendenti.
Qualità del flusso in ingresso in tutto l'inviluppo di volo. La presa d'aria di un turboelica deve fornire livelli accettabili di recupero della pressione e di distorsione alla superficie del motore in fase di crociera, salita e in qualsiasi condizione ad alto angolo di attacco prevista dal profilo di missione, un requisito che non ha equivalenti in un motore elettrico.
Effetti dell'integrazione dello scarico sulla resistenza e sul momento di beccheggio , poiché è documentato che il flusso di aspirazione e di scarico modifica in modo misurabile entrambi, e una missione di classe MALE si basa sull'efficienza di crociera, dove piccole penalità di resistenza si accumulano in voli di oltre 24 ore.
Calcolo della resistenza di raffreddamento specificamente per un propulsore a pistoni : un motore a pistoni raffreddato a liquido o ad aria presenta una resistenza del flusso di raffreddamento che un motore elettrico semplicemente non genera, e deve essere rilevata nello stesso test insieme al resto del budget di resistenza della cellula.
Interazione della scia dell'elica con la coda , poiché una configurazione spingente posiziona l'impennaggio direttamente all'interno, o in prossimità, del flusso in entrata e della scia dell'elica: un accoppiamento che varia in base all'impostazione della potenza e all'angolo di attacco.

4. Cinque errori che riscontriamo

Testare l'elica e la cellula come due campagne separate. In una configurazione spingente, il flusso in entrata dell'elica proviene dalla scia della cellula e il flusso di coda della cellula è modellato dall'elica: nessuno dei due test da solo cattura l'accoppiamento.
Saltare la misurazione della distorsione in ingresso perché "il produttore del motore la specifica". Le specifiche del produttore presuppongono un flusso in entrata pulito e non distorto; la distorsione con installazione sulla cellula è un effetto di installazione che la scheda tecnica del motore non può prevedere.
Trattare la resistenza di raffreddamento come un aspetto secondario dell'integrazione del motore. Per un propulsore a pistoni, il flusso di raffreddamento fa parte del budget di resistenza del velivolo fin dal primo giorno, non è una correzione applicata dopo aver completato il test aerodinamico.
Presumere che la propulsione a turboelica e a pistoni condividano un piano di test. Il requisito di recupero della pressione in ingresso di un turboelica e il requisito del flusso d'aria di raffreddamento di un motore a pistoni sono problemi fisici diversi con esigenze di strumentazione diverse.
Non eseguire test a diverse impostazioni di potenza. L'interazione della scia dell'elica con la coda cambia con la spinta, quindi un test con una singola impostazione di potenza non coglie come questo accoppiamento vari lungo l'effettivo profilo di missione: le potenze di salita, crociera e attesa (loiter) non sono punti di test intercambiabili.

5. Cosa significa questo per il vostro programma

Comunicateci il tipo di motore, la configurazione dell'elica e il profilo di potenza della missione , e definiremo un test di integrazione cellula-propulsione che catturi insieme gli effetti di aspirazione, scarico, raffreddamento e scia, non come test al banco separati aggiunti alla polare di una cellula pulita. Lettura correlata: il nostro articolo hub su

long-range fixed-wing UAS testing

Fonti e note

Propulsione dell'MQ-1 Predator (motore a pistoni a quattro cilindri turbocompresso Rotax 914F con una potenza di circa 115 hp, cilindri raffreddati ad aria con testate raffreddate ad acqua, elica spingente bipala a velocità costante, velocità di crociera di circa 84–135 mph a circa 25.000 piedi per missioni di oltre 24 ore): coerente con le specifiche del motore pubblicate dal produttore (Rotax, pagina del prodotto "914 UL | F") e con la storia del programma MQ-1 Predator di General Atomics.
Propulsione dell'MQ-9A Reaper (turboelica Honeywell TPE331-10 con Digital Electronic Engine Control, altitudine massima 50.000 piedi, velocità di crociera 240 KTAS, autonomia oltre 27 ore): General Atomics Aeronautical Systems, "MQ-9A Reaper (Predator B)".
La configurazione con elica spingente montata posteriormente su entrambe le cellule Predator e Reaper è una caratteristica documentata del design della famiglia Predator/Reaper di General Atomics.
Gli effetti dell'integrazione elica-ingresso (modifiche misurabili alla distribuzione della pressione totale e distorsione da swirl con l'elica attiva) e gli effetti dell'integrazione di aspirazione/scarico sull'efficienza aerodinamica e sul momento di beccheggio sono risultati documentati nella letteratura pubblicata sulle simulazioni e sui test in galleria del vento per l'integrazione elica-ingresso e cellula-propulsione.
Le linee guida sulla metodologia di test (test combinati elica-cellula, misurazione della distorsione in ingresso, calcolo della resistenza di raffreddamento, test della scia a diverse impostazioni di potenza) rappresentano la prassi ingegneristica di TunnelTech.

Integrazione della propulsione a turboelica e a pistoni per UAS a lungo raggio