ტურბოხრახნიანი და დგუშური ძრავების ტესტირება UAS-სთვის

MALE ან HALE კლასის საფრენ აპარატებზე ძრავის შერჩევა სრულიად განსხვავებული დისციპლინაა, ვიდრე უბრალოდ ელექტროძრავისა და პროპელერის არჩევა. ტურბოხრახნიან ან მძიმე საწვავზე მომუშავე დგუშურ ძრავას თან ახლავს ჰაერის შემშვები, გამონაბოლქვის სისტემა, გაგრილების სისტემა და პროპელერი, რომელიც საკმარისად დიდია იმისათვის, რომ მნიშვნელოვანი ურთიერთქმედება ჰქონდეს პლანერთან, რომელზეც ის არის დამონტაჟებული — ეს ყველაფერი რეალური კრეისერული სიჩქარისა და სიმაღლის პირობებში, და არა დაბალი სიჩქარისა და რეინოლდსის დაბალი რიცხვის რეჟიმში, რომელშიც მცირე ზომის ელექტრო უპილოტო საფრენი აპარატები (UAV) ფუნქციონირებენ.

1. ორი რეალური ძრავა, ინტეგრაციის ორი რეალური პრობლემა

ამ კლასის ორი წამყვანი მაგალითი ნათლად აჩვენებს, თუ რამდენად განსხვავებული შეიძლება იყოს „ძრავის სისტემა“ ერთი და იმავე საფრენი აპარატების ოჯახშიც კი. ორიგინალი MQ-1 Predator აღჭურვილი იყო ერთი Rotax 914F, ტურბოკომპრესორიანი, ოთხცილინდრიანი, ოთხტაქტიანი დგუშური ძრავით, რომლის სიმძლავრე დაახლოებით 115 hp იყო , ცილინდრების ჰაერით გაგრილებითა და თავაკების წყლით გაგრილებით, რომელიც ამოძრავებდა ორფრთიან მუდმივი სიჩქარის მქონე მბიძგავ პროპელერს — აპარატი დაფრინავდა დაახლოებით 84-დან 135 mph სიჩქარით, დაახლოებით 25 000 ft სიმაღლეზე, 24 საათზე მეტი ხნის განმავლობაში.

მისი უფრო დიდი მემკვიდრე, MQ-9 Reaper , აღჭურვილია Honeywell TPE331-10 ტურბოხრახნიანი ძრავით ციფრული ელექტრონული მართვის სისტემით (DEEC) , რომელიც ასევე ამოძრავებს უკან დამონტაჟებულ, მრავალფრთიან, რეგულირებადი ბიჯის მქონე მბიძგავ პროპელერს . General Atomics-ის თანახმად, აპარატი ფუნქციონირებს 50 000 ft-მდე სიმაღლეზე, მისი კრეისერული სიჩქარეა 240 knots (ჭეშმარიტი საჰაერო სიჩქარე - KTAS), ხოლო ფრენის ხანგრძლივობა 27 საათს აღემატება.

ორივე საფრენმა აპარატმა აირჩია ერთი და იგივე საბაზისო არქიტექტურა — ფიუზელაჟის უკანა ნაწილში დამონტაჟებული მბიძგავი პროპელერი — მიუხედავად იმისა, რომ ერთი მუშაობს ბენზინზე დგუშური ძრავის მეშვეობით, ხოლო მეორე საავიაციო საწვავზე ტურბოხრახნიანი ძრავით. ეს არქიტექტურული არჩევანი შემთხვევითი არ არის ქარის გვირაბის (wind tunnel) პროგრამისთვის; ის მისი ცენტრალური ნაწილია.

2. რატომ წარმოადგენს მბიძგავი განლაგება დამოუკიდებელ ტესტირების პრობლემას

ფიუზელაჟის უკან დამონტაჟებული მბიძგავი პროპელერი არ იღებს სუფთა თავისუფალ ჰაერის ნაკადს — ის ისრუტავს ფიუზელაჟის, და გეომეტრიიდან გამომდინარე, მის წინ არსებული ფრთისა და კუდის (ემპენაჟის) აეროდინამიკურ კვალს. ეს შემომავალი ნაკადი უკვე დამახინჯებულია პროპელერის დისკამდე მიღწევამდე, ხოლო პროპელერი, თავის მხრივ, გადასცემს საკუთარ ნაკადის დატრიალებას (სვირლი) და წნევის შეშფოთებას წინ, კუდის ნაკადის ველში. მხოლოდ პროპელერის სტენდური ტესტირება, ან მხოლოდ ფრთის აეროდინამიკური ტესტირება, არ ახასიათებს ამ ურთიერთქმედების არცერთ მხარეს — თითოეულ მათგანს აზრი აქვს მხოლოდ მეორესთან ერთად გაზომვისას.

ეს ასახავს უფრო ფართო, დოკუმენტირებულ მიგნებაზე პროპელერი-შემშვების და პლანერი-ძრავის ინტეგრაციის კვლევებში: პროპელერის არსებობა შესამჩნევად ცვლის სრული წნევის განაწილებას და იწვევს სვირლის დამახინჯებას, ხოლო შემშვები და გამომშვები ნაკადის ეფექტებმა ძრავასთან ინტეგრირებულ პლანერზე შეიძლება შეცვალოს აეროდინამიკური ხარისხი (lift-to-drag ratio) და ტანგაჟის მომენტი — ეფექტები, რომლებიც ვლინდება მხოლოდ მაშინ, როდესაც ძრავის სისტემა და პლანერი ერთად იტესტება, და არა ცალ-ცალკე.

3. რას უნდა მოიცავდეს რეალურად ინტეგრაციის ტესტირება

სრული პლანერი წარმომადგენლობითი პროპელერით , და არა მხოლოდ პროპელერის წევის სტენდის შედეგი, რომელიც დადებულია სუფთა პლანერის პოლარაზე — მბიძგავი კონფიგურაცია კონკრეტულად ნიშნავს, რომ ეს ორი ერთმანეთისგან დამოუკიდებელი არ არის.
შემომავალი ნაკადის ხარისხი ფრენის სრულ დიაპაზონში. ტურბოხრახნიანი ძრავის ჰაერის შემშვებმა უნდა უზრუნველყოს წნევის აღდგენისა და დამახინჯების მისაღები დონეები ძრავის შესასვლელთან კრეისერული ფრენის, სიმაღლის აღების და შეტევის მაღალი კუთხის ნებისმიერ პირობებში, რომელსაც მოიცავს მისიის პროფილი — მოთხოვნა, რომელსაც არ აქვს ეკვივალენტი ელექტროძრავის შემთხვევაში.
გამონაბოლქვის ინტეგრაციის ეფექტები აეროდინამიკურ წინააღმდეგობასა და ტანგაჟის მომენტზე , რადგან დოკუმენტირებულია, რომ შემშვები და გამომშვები ნაკადები შესამჩნევად ცვლის ორივეს, ხოლო MALE კლასის მისია დამოკიდებულია კრეისერულ ეფექტურობაზე, სადაც მცირე აეროდინამიკური დანაკარგები გროვდება 24-საათიან და უფრო ხანგრძლივ ფრენებზე.
გაგრილების აეროდინამიკური წინააღმდეგობის გათვალისწინება კონკრეტულად დგუშური ძრავისთვის — სითხით ან ჰაერით გაგრილებად დგუშურ ძრავას აქვს გაგრილების ნაკადის წინააღმდეგობა, რომელსაც ელექტროძრავა უბრალოდ არ წარმოქმნის, და ის უნდა დაფიქსირდეს იმავე ტესტში, რომელშიც პლანერის წინააღმდეგობის დანარჩენი ბიუჯეტი.
პროპელერის აეროდინამიკური კვალის ურთიერთქმედება კუდთან , რადგან მბიძგავი განლაგება ემპენაჟს ათავსებს უშუალოდ პროპელერის შემომავალ ნაკადსა და ჭავლში, ან მის მახლობლად — კავშირი, რომელიც იცვლება სიმძლავრის რეჟიმისა და შეტევის კუთხის მიხედვით.

4. ხუთი შეცდომა, რომელსაც ჩვენ ვხედავთ

პროპელერისა და პლანერის ტესტირება ორ ცალკეულ კამპანიად. მბიძგავ კონფიგურაციაში, პროპელერის შემომავალი ნაკადი მოდის პლანერის აეროდინამიკური კვალიდან, ხოლო პლანერის კუდის ნაკადი ფორმირდება პროპელერის მიერ — არცერთი ტესტი ცალკე არ ასახავს ამ კავშირს.
შემშვების დამახინჯების გაზომვის გამოტოვება იმ მიზეზით, რომ „ძრავის მწარმოებელი ამას აკონკრეტებს“. მწარმოებლის სპეციფიკაციები გულისხმობს სუფთა, დაუმახინჯებელ შემომავალ ნაკადს; პლანერზე დამონტაჟებისას წარმოქმნილი დამახინჯება არის ინსტალაციის ეფექტი, რომელსაც ძრავის სპეციფიკაციების ფურცელი ვერ იწინასწარმეტყველებს.
გაგრილების წინააღმდეგობის განხილვა, როგორც ძრავის ინტეგრაციის მეორეხარისხოვანი საკითხი. დგუშური ძრავისთვის, გაგრილების ნაკადი არის საფრენი აპარატის წინააღმდეგობის ბიუჯეტის ნაწილი პირველივე დღიდან, და არა კორექტირება, რომელიც გამოიყენება აეროდინამიკური ტესტის დასრულების შემდეგ.
იმის დაშვება, რომ ტურბოხრახნიან და დგუშურ ძრავებს აქვთ საერთო ტესტირების გეგმა. ტურბოხრახნიანი ძრავის შემშვების წნევის აღდგენის მოთხოვნა და დგუშური ძრავის გაგრილების ჰაერის ნაკადის მოთხოვნა არის განსხვავებული ფიზიკური პრობლემები, რომლებსაც ესაჭიროებათ განსხვავებული საზომი აპარატურა (ინსტრუმენტაცია).
ტესტირების არჩატარება სიმძლავრის სხვადასხვა რეჟიმებზე. პროპელერის ჭავლის ურთიერთქმედება კუდთან იცვლება წევის მიხედვით, ამიტომ სიმძლავრის მხოლოდ ერთ რეჟიმზე ტესტირება გამოტოვებს იმას, თუ როგორ იცვლება ეს კავშირი რეალური მისიის პროფილის განმავლობაში — სიმაღლის აღების, კრეისერული და პატრულირების (loiter) სიმძლავრეები არ არის ურთიერთშემცვლელი სატესტო წერტილები.

5. რას ნიშნავს ეს თქვენი პროგრამისთვის

გვაცნობეთ თქვენი ძრავის ტიპი, პროპელერის კონფიგურაცია და მისიის სიმძლავრის პროფილი , და ჩვენ შევიმუშავებთ პლანერი-ძრავის ინტეგრაციის ტესტს, რომელიც ერთდროულად ასახავს შემშვების, გამონაბოლქვის, გაგრილებისა და პროპელერის ჭავლის ეფექტებს — და არა როგორც ცალკეულ სტენდურ ტესტებს, რომლებიც დამატებულია სუფთა პლანერის პოლარაზე. დაკავშირებული საკითხავი: ჩვენი მთავარი სტატია

long-range fixed-wing UAS testing

-ზე.

წყაროები და შენიშვნები

MQ-1 Predator-ის ძრავის სისტემა (Rotax 914F ტურბოკომპრესორიანი ოთხცილინდრიანი დგუშური ძრავა, რომლის სიმძლავრე დაახლოებით 115 hp-ია, ცილინდრების ჰაერით გაგრილებითა და თავაკების წყლით გაგრილებით, ორფრთიანი მუდმივი სიჩქარის მქონე მბიძგავი პროპელერით, კრეისერული სიჩქარე დაახლოებით 84–135 mph დაახლოებით 25 000 ft სიმაღლეზე 24-საათიანი და უფრო ხანგრძლივი მისიებისთვის): შეესაბამება მწარმოებლის მიერ გამოქვეყნებულ ძრავის სპეციფიკაციებს (Rotax, "914 UL | F" product page) და General Atomics MQ-1 Predator-ის პროგრამის ისტორიას.
MQ-9A Reaper-ის ძრავის სისტემა (Honeywell TPE331-10 ტურბოხრახნიანი ძრავა ციფრული ელექტრონული მართვის სისტემით, მაქსიმალური სიმაღლე 50 000 ft, კრეისერული სიჩქარე 240 KTAS, ფრენის ხანგრძლივობა 27 საათზე მეტი): General Atomics Aeronautical Systems, "MQ-9A Reaper (Predator B)".
უკან დამონტაჟებული, მბიძგავი პროპელერის კონფიგურაცია როგორც Predator-ის, ისე Reaper-ის პლანერებზე არის General Atomics Predator/Reaper ოჯახის დიზაინის დოკუმენტირებული მახასიათებელი.
პროპელერი-შემშვების ინტეგრაციის ეფექტები (სრული წნევის განაწილების შესამჩნევი ცვლილებები და სვირლის დამახინჯება აქტიური პროპელერის დროს) და შემშვები/გამომშვები ინტეგრაციის ეფექტები აეროდინამიკურ ხარისხსა და ტანგაჟის მომენტზე არის დოკუმენტირებული მიგნებები გამოქვეყნებულ პროპელერი-შემშვების და პლანერი-ძრავის ინტეგრაციის ქარის გვირაბის (wind tunnel) და სიმულაციურ ლიტერატურაში.
ტესტირების მეთოდოლოგიის სახელმძღვანელო მითითებები (პროპელერისა და პლანერის კომბინირებული ტესტირება, შემშვების დამახინჯების გაზომვა, გაგრილების წინააღმდეგობის გათვალისწინება, პროპელერის ჭავლის ტესტირება სიმძლავრის სხვადასხვა რეჟიმებზე) წარმოადგენს TunnelTech-ის საინჟინრო პრაქტიკას.

ტურბოხრახნიანი და დგუშური ძრავების ინტეგრაცია შორი მოქმედების უპილოტო საფრენი აპარატებისთვის (UAS)