Turbosraigtinių ir stūmoklinių jėgainių integravimas ilgo nuotolio UAS

MALE ar HALE orlaivių jėgainės parinkimas yra visiškai kitokia disciplina nei elektrinio variklio ir sraigto parinkimas. Turbosraigtinis arba sunkiojo kuro stūmoklinis variklis turi oro įsiurbimo traktą, išmetimo sistemą, aušinimo sistemą ir sraigtą, pakankamai didelį, kad reikšmingai sąveikautų su orlaivio korpusu, ant kurio jis sumontuotas – ir visa tai vyksta realiame kreiseriniame greityje ir aukštyje, o ne mažo greičio ir mažo Reinoldso skaičiaus režime, kuriame veikia mažas elektrinis UAV.

---

1. Du realūs varikliai, dvi realios integravimo problemos

Du pavyzdiniai šios klasės modeliai iliustruoja, ką gali reikšti skirtingos „jėgainės“ net ir toje pačioje orlaivių šeimoje. Originalusis „MQ-1 Predator“ buvo varomas vienu „Rotax 914F“ – turbokompresoriniu, keturių cilindrų, keturtakčiu stūmokliniu varikliu, kurio galia siekė apie 115 hp , su oru aušinamais cilindrais ir vandeniu aušinamomis galvutėmis, sukančiu dviejų menčių pastovaus greičio stumiantįjį sraigtą – orlaivis skrisdavo maždaug 84–135 mph kreiseriniu greičiu, apie 25 000 ft aukštyje, ilgiau nei 24 valandas be pertraukos.

Didesnis jo įpėdinis „MQ-9 Reaper“ yra varomas „Honeywell TPE331-10“ turbosraigtiniu varikliu su skaitmenine elektronine variklio valdymo sistema , kuris taip pat suka gale sumontuotą, daugiamenčią, keičiamo žingsnio stumiantįjį sraigtą . Pasak „General Atomics“, orlaivis gali veikti iki 50 000 ft aukštyje, jo kreiserinis greitis yra 240 knots (tikrasis oro greitis), o skrydžio trukmė viršija 27 valandas.

Abiem orlaiviams buvo pasirinkta ta pati bazinė architektūra – fiuzeliažo gale sumontuotas stumiantysis sraigtas – nepaisant to, kad vienas jų varomas benzinu naudojant stūmoklinį variklį, o kitas – aviaciniu kuru naudojant turbosraigtinį variklį. Šis architektūrinis sprendimas vėjo tunelio programoje nėra atsitiktinis; jis yra esminis.

---

2. Kodėl stumiančiojo sraigto konfigūracija sukelia specifinių testavimo problemų

Už fiuzeliažo sumontuotas stumiantysis sraigtas negauna švaraus nesutrikdyto oro srauto – jis įsiurbia fiuzeliažo ir, priklausomai nuo geometrijos, prieš jį esančio sparno bei uodegos aerodinaminį pėdsaką. Šis įtekantis srautas jau būna iškraipytas prieš pasiekdamas sraigto diską, o sraigtas savo ruožtu perduoda savo srauto sukimąsi (swirl) ir slėgio trikdžius į uodegos srauto lauką. Atskiras sraigto bandymas stende arba atskiras sparno aerodinaminis bandymas neapibūdina nė vienos šios sąveikos pusės – kiekvienas jų turi prasmę tik matuojant kartu su kitu.

Tai atspindi platesnę, dokumentuotą išvadą sraigto-įsiurbimo trakto ir orlaivio korpuso-jėgainės integravimo tyrimuose: sraigto buvimas išmatuojamai pakeičia bendrojo slėgio pasiskirstymą ir sukelia sūkurinius iškraipymus, o įsiurbimo ir išmetimo srautų poveikis jėgainės integruotam orlaivio korpusui gali pakeisti aerodinaminę kokybę (kėlimo ir pasipriešinimo santykį) bei polinkio momentą – tai efektai, kurie išryškėja tik tada, kai jėgainės sistema ir orlaivio korpusas bandomi kartu, o ne atskirai.

---

3. Ką iš tikrųjų turi apimti integravimo bandymai

• Visas orlaivio korpusas su reprezentatyviu sraigtu , o ne atskiro sraigto traukos stendo rezultatas, pritaikytas „švaraus“ orlaivio korpuso poliarei – stumiančiojo sraigto konfigūracija specifiškai reiškia, kad šie du elementai nėra nepriklausomi.
• Įsiurbiamo srauto kokybė visoje skrydžio režimų srityje. Turbosraigtinio variklio oro įsiurbimo traktas turi užtikrinti priimtiną slėgio atkūrimą ir iškraipymų lygius variklio priekyje kreiserinio skrydžio, kilimo ir bet kokiomis didelio atakos kampo sąlygomis, kurias apima misijos profilis – tai reikalavimas, neturintis atitikmens elektriniame variklyje.
• Išmetimo sistemos integravimo poveikis pasipriešinimui ir polinkio momentui , kadangi dokumentuota, jog įsiurbimo ir išmetimo srautai išmatuojamai keičia abu šiuos parametrus, o MALE klasės misijų sėkmė priklauso nuo kreiserinio skrydžio efektyvumo, kur nedideli pasipriešinimo nuostoliai susikaupia per ilgesnius nei 24 valandų skrydžius.
• Aušinimo pasipriešinimo įvertinimas, specifiškai skirtas stūmoklinei jėgainei – skysčiu arba oru aušinamas stūmoklinis variklis sukuria aušinimo srauto pasipriešinimą, kurio elektrinis variklis tiesiog negeneruoja, ir tai turi būti užfiksuota tame pačiame bandyme kaip ir likęs orlaivio korpuso pasipriešinimo biudžetas.
• Sraigto aerodinaminio pėdsako sąveika su uodega , kadangi dėl stumiančiojo sraigto konfigūracijos uodegos plokštumos atsiduria tiesiai sraigto įtekančiame sraute ir pėdsake arba šalia jų – tai ryšys, kuris kinta priklausomai nuo galios nustatymo ir atakos kampo.

---

4. Penkios klaidos, kurias pastebime

• Sraigto ir orlaivio korpuso bandymai kaip dvi atskiros kampanijos. Esant stumiančiojo sraigto konfigūracijai, sraigto įtekantis srautas kyla iš orlaivio korpuso aerodinaminio pėdsako, o orlaivio uodegos srautą formuoja sraigtas – nė vienas bandymas atskirai neužfiksuoja šio ryšio.
• Įsiurbimo iškraipymų matavimo praleidimas, nes „tai nurodo variklio gamintojas“. Gamintojo specifikacijose daroma prielaida, kad įtekantis srautas yra švarus ir neiškraipytas; orlaivio korpuse sumontuotos sistemos iškraipymai yra montavimo efektas, kurio variklio specifikacijų lapas negali numatyti.
• Aušinimo pasipriešinimo traktavimas kaip antraeilio variklio integravimo dalyko. Stūmoklinės jėgainės atveju aušinimo srautas yra orlaivio pasipriešinimo biudžeto dalis nuo pat pirmos dienos, o ne korekcija, taikoma po to, kai atliekamas aerodinaminis bandymas.
• Prielaida, kad turbosraigtinėms ir stūmoklinėms jėgainėms tinka tas pats bandymų planas. Turbosraigtinio variklio įsiurbimo slėgio atkūrimo reikalavimas ir stūmoklinio variklio aušinimo oro srauto reikalavimas yra skirtingos fizikinės problemos, kurioms reikia skirtingos matavimo įrangos (instrumentacijos).
• Bandymų neatlikimas esant skirtingiems galios nustatymams. Sraigto pėdsako sąveika su uodega kinta priklausomai nuo traukos, todėl bandymas su vienu galios nustatymu neparodo, kaip šis ryšys kinta realiame misijos profilyje – kilimo, kreiserinio skrydžio ir patruliavimo galia nėra sukeičiami bandymų taškai.

---

5. Ką tai reiškia jūsų programai

Nurodykite mums savo variklio tipą, sraigto konfigūraciją ir misijos galios profilį , ir mes suplanuosime orlaivio korpuso ir jėgainės integravimo bandymą, kuris kartu užfiksuos įsiurbimo, išmetimo, aušinimo ir sraigto pėdsako efektus – ne kaip atskirus stendo bandymus, „pridėtus“ prie švaraus orlaivio korpuso poliarės. Susijusi literatūra: mūsų pagrindinis straipsnis apie

long-range fixed-wing UAS testing

.

---

Šaltiniai ir pastabos

• „MQ-1 Predator“ jėgainė („Rotax 914F“ turbokompresorinis keturių cilindrų stūmoklinis variklis, kurio galia siekia apie 115 hp, oru aušinami cilindrai su vandeniu aušinamomis galvutėmis, dviejų menčių pastovaus greičio stumiantysis sraigtas, kreiserinis greitis apie 84–135 mph maždaug 25 000 ft aukštyje, skirtas ilgiau nei 24 valandas trunkančioms misijoms): atitinka gamintojo paskelbtas variklio specifikacijas (Rotax, "914 UL | F" product page) ir „General Atomics MQ-1 Predator“ programos istoriją.
• „MQ-9A Reaper“ jėgainė („Honeywell TPE331-10“ turbosraigtinis variklis su skaitmenine elektronine variklio valdymo sistema, maksimalus aukštis 50 000 ft, kreiserinis greitis 240 KTAS, skrydžio trukmė virš 27 valandų): General Atomics Aeronautical Systems, "MQ-9A Reaper (Predator B)".
• Gale sumontuoto stumiančiojo sraigto konfigūracija tiek „Predator“, tiek „Reaper“ orlaivių korpusuose yra dokumentuota „General Atomics Predator/Reaper“ šeimos dizaino ypatybė.
• Sraigto ir įsiurbimo trakto integravimo efektai (išmatuojami bendrojo slėgio pasiskirstymo pokyčiai ir sūkuriniai iškraipymai veikiant sraigtui) bei įsiurbimo/išmetimo integravimo poveikis aerodinaminei kokybei ir polinkio momentui yra dokumentuotos išvados, paskelbtos sraigto-įsiurbimo trakto ir orlaivio korpuso-jėgainės integravimo vėjo tunelių ir modeliavimo literatūroje.
• Bandymų metodikos gairės (kombinuotas sraigto ir orlaivio korpuso testavimas, įsiurbimo iškraipymų matavimas, aušinimo pasipriešinimo įvertinimas, sraigto pėdsako testavimas esant skirtingiems galios nustatymams) yra „TunnelTech“ inžinerinė praktika.