Turbopropelleru un virzuļdzinēju integrācija liela darbības rādiusa bezpilota gaisa kuģu sistēmās (UAS)

Dzinēja izvēle MALE vai HALE klases gaisa kuģim ir pilnīgi cita disciplīna nekā elektromotora un propellera izvēle. Turbopropelleru vai smagās degvielas virzuļdzinējs ietver gaisa ieplūdi, izplūdi, dzesēšanas sistēmu un propelleru, kas ir pietiekami liels, lai būtiski mijiedarbotos ar gaisa kuģa korpusu, uz kura tas ir uzstādīts — tas viss notiek reālā kreisēšanas ātrumā un augstumā, nevis maza ātruma un zema Reinoldsa skaitļa režīmā, kādā darbojas neliels elektriskais UAV.

---

1. Divi reāli dzinēji, divas reālas integrācijas problēmas

Divi šīs klases vadošie piemēri ilustrē, cik atšķirīga var būt "piedziņa" pat vienas gaisa kuģu saimes ietvaros. Sākotnējais MQ-1 Predator bija aprīkots ar vienu Rotax 914F — četru cilindru, četrtaktu virzuļdzinēju ar turbokompresoru un aptuveni 115 hp jaudu , ar gaisa dzesēšanu cilindriem un ūdens dzesēšanu galvām, kas darbināja divu lāpstiņu nemainīga apgriezienu skaita stūmējpropelleru — gaisa kuģis lidoja ar kreisēšanas ātrumu aptuveni 84 līdz 135 mph, aptuveni 25 000 ft augstumā, un lidojuma ilgums ievērojami pārsniedza 24 stundas.

Tā lielākais pēctecis MQ-9 Reaper ir aprīkots ar Honeywell TPE331-10 turbopropelleru dzinēju ar digitālo elektronisko dzinēja vadību , kas arī darbina aizmugurē uzstādītu, vairāku lāpstiņu stūmējpropelleru ar maināmu soli . Saskaņā ar General Atomics datiem gaisa kuģis darbojas līdz pat 50 000 ft augstumā, tā patiesais kreisēšanas gaisa ātrums ir 240 KTAS, un lidojuma ilgums pārsniedz 27 stundas.

Abiem gaisa kuģiem tika izvēlēta viena un tā pati pamata arhitektūra — stūmējpropellers , kas uzstādīts fizelāžas aizmugurē, — lai gan viens no tiem darbojas ar benzīnu, izmantojot virzuļdzinēju, bet otrs ar reaktīvo dzinēju degvielu, izmantojot turbopropelleru dzinēju. Šī arhitektūras izvēle vēja tuneļa programmai nav nejauša; tai ir centrālā nozīme.

---

2. Kāpēc stūmējpropellera izkārtojums rada specifiskas testēšanas problēmas

Stūmējpropellers, kas uzstādīts aiz fizelāžas, nesaņem tīru brīvās plūsmas gaisu — tas iesūc fizelāžas un, atkarībā no ģeometrijas, arī pirms tā esošā spārna un astes daļas aerodinamisko ēnu. Šī ieplūde ir izkropļota jau pirms tā sasniedz propellera disku, un propellers savukārt novada savu virpuļošanu un spiediena traucējumus uz priekšu astes plūsmas laukā. Tikai propellera stenda tests vai tikai spārna aerodinamiskais tests neraksturo nevienu no šīs mijiedarbības pusēm — katram no tiem ir jēga tikai tad, ja mērījumi tiek veikti, abiem elementiem esot klāt.

Tas atspoguļo plašāku, dokumentētu atklājumu propellera-ieplūdes un gaisa kuģa korpusa-dzinēja integrācijas pētījumos: propellera klātbūtne izmērāmi maina kopējā spiediena sadalījumu un rada virpuļošanas kropļojumus, savukārt ieplūdes un izplūdes plūsmas ietekme uz gaisa kuģa korpusu ar integrētu dzinēju var mainīt aerodinamisko kvalitāti (celtspējas un pretestības attiecību) un tangāžas momentu — šie efekti parādās tikai tad, kad dzinēja sistēma un gaisa kuģa korpuss tiek testēti kopā, nevis atsevišķi.

---

3. Kas patiesībā jāietver integrācijas testēšanā

• Pilns gaisa kuģa korpuss ar reprezentatīvu propelleru , nevis tikai propellera vilces stenda rezultāts, kas pārklāts uz tīra gaisa kuģa korpusa polāras — stūmējpropellera konfigurācija īpaši nozīmē to, ka abi šie elementi nav neatkarīgi.
• Ieplūdes plūsmas kvalitāte visā lidojuma ekspluatācijas diapazonā. Turbopropelleru dzinēja gaisa ieplūdei jānodrošina pieņemams spiediena atgūšanas un kropļojumu līmenis dzinēja priekšpusē kreisēšanas, kāpšanas un jebkuros liela uzbrukuma leņķa apstākļos, ko ietver misijas profils — šai prasībai nav ekvivalenta elektromotoram.
• Izplūdes integrācijas ietekme uz pretestību un tangāžas momentu , jo ir dokumentēts, ka ieplūdes un izplūdes plūsma izmērāmi maina abus šos parametrus, un MALE klases misijas pamatā ir kreisēšanas efektivitāte, kur nelieli pretestības zudumi summējas lidojumos, kas ilgst vairāk nekā 24 stundas.
• Dzesēšanas pretestības uzskaite īpaši virzuļdzinējiem — ar šķidrumu vai gaisu dzesējamam virzuļdzinējam ir dzesēšanas plūsmas pretestība, ko elektromotors vienkārši nerada, un tā ir jāfiksē tajā pašā testā, kurā tiek noteikts pārējais gaisa kuģa korpusa pretestības budžets.
• Propellera aerodinamiskās ēnas mijiedarbība ar astes daļu , jo stūmējpropellera izkārtojums novieto astes apspalvojumu tieši propellera ieplūdes un gaisa plūsmas zonā vai tās tuvumā — šī sasaiste mainās atkarībā no jaudas iestatījuma un uzbrukuma leņķa.

---

4. Piecas kļūdas, ko mēs novērojam

• Propellera un gaisa kuģa korpusa testēšana divās atsevišķās kampaņās. Stūmējpropellera konfigurācijā propellera ieplūde veidojas no gaisa kuģa korpusa aerodinamiskās ēnas, un gaisa kuģa korpusa astes plūsmu veido propellers — neviens no šiem testiem atsevišķi neatspoguļo to savstarpējo sasaisti.
• Ieplūdes kropļojumu mērījumu izlaišana, jo "dzinēja ražotājs to norāda specifikācijā." Ražotāja specifikācijas pieņem, ka ieplūde ir tīra un neizkropļota; gaisa kuģa korpusā uzstādītā dzinēja kropļojumi ir uzstādīšanas efekts, ko dzinēja specifikāciju lapa nevar paredzēt.
• Dzesēšanas pretestības uztveršana kā otršķirīgs dzinēja integrācijas jautājums. Virzuļdzinējam dzesēšanas plūsma ir daļa no gaisa kuģa pretestības budžeta jau no pirmās dienas, nevis korekcija, kas tiek piemērota pēc aerodinamiskā testa veikšanas.
• Pieņēmums, ka turbopropelleru un virzuļdzinēju piedziņai ir kopīgs testēšanas plāns. Turbopropelleru dzinēja ieplūdes spiediena atgūšanas prasība un virzuļdzinēja dzesēšanas gaisa plūsmas prasība ir atšķirīgas fiziskas problēmas ar atšķirīgām mērinstrumentu vajadzībām.
• Testēšanas neveikšana dažādos jaudas iestatījumos. Propellera plūsmas mijiedarbība ar astes daļu mainās atkarībā no vilces, tāpēc testā ar vienu jaudas iestatījumu netiek ņemts vērā, kā šī sasaiste mainās reālajā misijas profilā — kāpšanas, kreisēšanas un patrulēšanas jauda nav savstarpēji aizvietojami testa punkti.

---

5. Ko tas nozīmē jūsu programmai

Paziņojiet mums savu dzinēja tipu, propellera konfigurāciju un misijas jaudas profilu , un mēs izstrādāsim gaisa kuģa korpusa un dzinēja integrācijas testu, kas vienlaikus fiksē ieplūdes, izplūdes, dzesēšanas un propellera plūsmas efektus — nevis kā atsevišķus stenda testus, kas pievienoti tīra gaisa kuģa korpusa polārai. Saistītā lasāmviela: mūsu galvenais raksts par

long-range fixed-wing UAS testing

.

---

Avoti un piezīmes

• MQ-1 Predator piedziņa (Rotax 914F četru cilindru virzuļdzinējs ar turbokompresoru un aptuveni 115 hp jaudu, cilindri ar gaisa dzesēšanu un galvas ar ūdens dzesēšanu, divu lāpstiņu nemainīga apgriezienu skaita stūmējpropellers, kreisēšanas ātrums aptuveni 84–135 mph aptuveni 25 000 ft augstumā misijām, kas ilgst vairāk nekā 24 stundas): atbilst ražotāja publicētajām dzinēja specifikācijām (Rotax, "914 UL | F" produktu lapa) un General Atomics MQ-1 Predator programmas vēsturei.
• MQ-9A Reaper piedziņa (Honeywell TPE331-10 turbopropelleru dzinējs ar digitālo elektronisko dzinēja vadību, maksimālais augstums 50 000 ft, kreisēšanas ātrums 240 KTAS, lidojuma ilgums virs 27 stundām): General Atomics Aeronautical Systems, "MQ-9A Reaper (Predator B)".
• Aizmugurē uzstādīta stūmējpropellera konfigurācija gan Predator, gan Reaper gaisa kuģu korpusiem ir dokumentēta General Atomics Predator/Reaper saimes dizaina iezīme.
• Propellera-ieplūdes integrācijas efekti (izmērāmas izmaiņas kopējā spiediena sadalījumā un virpuļošanas kropļojumos, propelleram darbojoties) un ieplūdes/izplūdes integrācijas ietekme uz aerodinamisko kvalitāti un tangāžas momentu ir dokumentēti atklājumi publicētajā literatūrā par propellera-ieplūdes un gaisa kuģa korpusa-dzinēja integrāciju vēja tuneļos un simulācijās.
• Testēšanas metodoloģijas norādījumi (kombinēta propellera un gaisa kuģa korpusa testēšana, ieplūdes kropļojumu mērījumi, dzesēšanas pretestības uzskaite, propellera plūsmas testēšana dažādos jaudas iestatījumos) ir TunnelTech inženiertehniskā prakse.