Certificeringstesten voor ijsafzetting bij grote fixed-wing UAS

IJsafzetting op een kleine elektrische UAV wordt meestal opgelost met een verwarmde propeller of een verwarmde pitotbuis — een gerichte oplossing voor een klein onderdeel met beperkt vermogen. IJsafzetting op een MALE- of HALE-vliegtuig is een probleem van een heel andere orde: het is een certificeringsvereiste voor het volledige vliegtuig, gebaseerd op normen, en getest tegen dezelfde ijsafzettingslimieten (icing envelope) waartegen bemande transportvliegtuigen worden gecertificeerd, omdat het voertuig op deze schaal in dezelfde weersomstandigheden vliegt.

1. De certificeringsnorm is dezelfde als die voor bemande vliegtuigen

De referentiefaciliteit voor dit soort tests is NASA's Icing Research Tunnel (IRT) in het Glenn Research Center — een van 's werelds grootste gekoelde windtunnels speciaal voor ijsafzetting op vliegtuigen, en een faciliteit die expliciet de FAA-certificeringsnorm voor ijsafzetting uit Federal Aviation Regulation Part 25, Appendix C repliceert . De gepubliceerde specificaties laten zien wat "full-scale ijsafzettingscertificering" daadwerkelijk vereist:

Testsectie 6 ft hoog × 9 ft breed × 20 ft lang
Luchtsnelheid in de testsectie 50 tot 350 knopen
Totale temperatuur in de testsectie –25 °C tot 5 °C
Vloeibaar watergehalte 0,2 tot 3,0 g/m³ , met een wolkuniformiteit van ±10%
Mediane volumediameter van de druppels 15 tot 50 µm
Een uniforme ijswolk die 4,5 bij 6 ft van de testsectie bedekt
Gesimuleerde aftapluchtstroom van de motor tot 1 lb/s , voor het testen van thermische anti-icing systemen die hete aftaplucht gebruiken

De IRT test full-size vliegtuigonderdelen evenals schaalmodellen van zowel vliegtuigen als helikopters, en de klantenlijst — Boeing, Bell Helicopter, Goodrich, Cessna, Sikorsky, plus de U.S. Army, Navy en Air Force — weerspiegelt dat dit infrastructuur van certificeringskwaliteit is, en geen onderzoekscuriositeit. Recentere NASA-testcampagnes voor ijsafzetting hebben de kalibratiewerkzaamheden ook uitgebreid naar de nieuwere Appendix O supercooled large drop (SLD) -omstandigheden, die zowel de FAA als EASA nu vereisen naast de oorspronkelijke Appendix C-limieten.

2. Waarom de ijsbeschermingstechnologie zelf verschilt per schaal

IJsbeschermingstechnologie is duidelijk opgesplitst op basis van de schaal van het vliegtuig, en wel om een fysieke reden: beschikbaar vermogen. Elektrothermische verwarming — de typische benadering voor kleine UAV's — wordt beperkt door de stroomsterkte van de batterij die een klein elektrisch platform kan leveren. Daarom blijft dit meestal beperkt tot kleine, hoogwaardige onderdelen zoals een propeller of een pitotbuis, in plaats van een hele vleugel.

Een groot, door brandstof aangedreven MALE- of HALE-vliegtuig heeft een compleet ander vermogensbudget. Dit maakt thermische anti-icing met behulp van aftaplucht van de motor mogelijk, die via een piccolobuis naar de voorrand van de vleugel wordt geleid — dezelfde basisarchitectuur die bemande transportvliegtuigen al decennia gebruiken. Dit bespaart het vliegtuig de noodzaak om de elektrische opwekkingscapaciteit mee te dragen die een volledig elektrisch ijsbeschermingssysteem zou vereisen. Gedocumenteerde voorbeelden op deze schaal zijn onder meer de RQ-4 Global Hawk , waarvan het anti-icing systeem voor de motorkap warmte onttrekt aan het hydraulische systeem van het vliegtuig in plaats van aftaplucht. Dit herinnert ons eraan dat "thermische bescherming" op een grote UAS kan worden ontworpen met behulp van meer dan één warmtebron aan boord, en dat de juiste keuze afhangt van de specifieke systeemarchitectuur van het vliegtuig.

3. Wat een testcampagne voor ijsafzetting bij grote fixed-wing vliegtuigen moet omvatten

Testen tegen de daadwerkelijke certificeringslimieten , niet een willekeurige koude en natte omstandigheid — de combinaties van vloeibaar watergehalte, druppelgrootte en temperatuur uit Appendix C zijn nauwkeurig gespecificeerd omdat verschillende combinaties leiden tot verschillende ijsvormen en verschillende aerodynamische nadelen.
Appendix O supercooled large drop-omstandigheden naast Appendix C , aangezien SLD-ijsafzetting verder naar achteren op het vleugelprofiel ijsaangroei veroorzaakt dan klassieke Appendix C-ijsafzetting, op een locatie die ijsbeschermingssystemen die uitsluitend voor Appendix C zijn ontworpen mogelijk niet dekken.
Het gehele thermische systeem, niet alleen het verwarmde oppervlak — voor een aftapluchtsysteem betekent dit het testen van de kanalen, de distributie via de piccolobuis en de warmteafgifte onder gesimuleerde motorstroming, en niet alleen het meten van ijsverlies van een geïsoleerd verwarmd paneel.
Aerodynamische prestaties met realistische ijsvormen bevestigd , aangezien certificering uiteindelijk draait om de vliegeigenschappen van het vliegtuig met het ijs waar het beschermingssysteem voor is ontworpen — en niet alleen of het beschermingssysteem ijsvorming in het beste geval voorkomt.
Full-size componenten waar de certificeringsbasis dit vereist — de gedocumenteerde capaciteit van de IRT om full-size vliegtuigonderdelen te testen, bestaat juist omdat de fysica van ijsaangroei op sommige componenten niet netjes schaalt naar een klein model.

4. Vijf veelgemaakte fouten

IJsbescherming behandelen als een elektrothermisch probleem op componentniveau bij elke vliegtuigschaal. Wat werkt voor de propeller van een kleine UAV, kan niet worden geëxtrapoleerd naar een MALE/HALE-vleugel — zowel het vermogensbudget als de certificeringsbasis zijn verschillend.
Alleen Appendix C testen en aannemen dat dit "ijsafzetting" dekt. Appendix O supercooled large drop-omstandigheden vormen nu een afzonderlijk, verplicht onderdeel van de certificeringsbasis voor veel programma's, en ze veroorzaken ijsafzetting op een ander deel van het vleugelprofiel.
De warmtebron valideren zonder het distributiesysteem te valideren. De distributie via de piccolobuis en de kanaalverliezen van een aftapluchtsysteem zijn net zo belangrijk als de beschikbare ruwe warmte — een systeem dat op papier werkt, kan bij de vleugeltip onvoldoende presteren.
IJspreventie meten zonder het aerodynamische nadeel te meten. Certificering is niet alleen "vormt er zich ijs" — het is "hoe vliegt het vliegtuig met de ijsvormen waartegen het beschermingssysteem is gevalideerd."
Aannemen dat een schaalmodel alles vastlegt wat een full-size component zou doen. De fysica van ijsaangroei is een van de gebieden waar schaaleffecten het minst vergevingsgezind zijn. Dit is precies de reden waarom windtunnels van certificeringskwaliteit full-size componenten direct testen.

5. Wat dit betekent voor uw programma

Vertel ons uw certificeringsbasis en ijsbeschermingsarchitectuur , en wij zullen een testprogramma opstellen tegen de daadwerkelijke Appendix C- en Appendix O-limieten waartegen uw vliegtuig moet worden gecertificeerd — niet slechts een algemene koudeweercontrole. Gerelateerd artikel: ons hoofdartikel over

long-range fixed-wing UAS testing

Bronnen en opmerkingen

Specificaties van de NASA Icing Research Tunnel-faciliteit (testsectie 6 ft × 9 ft × 20 ft, luchtsnelheid 50–350 knopen, totale temperatuur –25 °C tot 5 °C, vloeibaar watergehalte 0,2–3,0 g/m³ met ±10% wolkuniformiteit, druppel-MVD 15–50 µm, uniforme ijswolk 4,5 bij 6 ft, gesimuleerde aftapluchtstroom van de motor tot 1 lb/s, replicatie van FAA FAR Part 25 Appendix C certificeringsnormen voor ijsafzetting, testen van full-size vliegtuigonderdelen en schaalmodellen van vliegtuigen en helikopters, en het klantenbestand waaronder Boeing, Bell Helicopter, Goodrich, Cessna, Sikorsky en Amerikaanse militaire diensten): NASA Glenn Research Center / NASA Aeronautics Test Program, "Icing Research Tunnel" fact sheet.
De uitbreiding van IRT-kalibratiewerkzaamheden naar FAA/EASA Appendix O supercooled large drop (SLD)-omstandigheden in recentere NASA-testcampagnes is gedocumenteerd in latere publicaties over ijsafzettingsonderzoek van NASA Glenn op de NASA Technical Reports Server.
Elektrothermische ijsbescherming als de typische benadering voor kleine UAV-componenten met beperkt vermogen, versus thermische anti-icing met aftaplucht via een piccolobuis als de benadering die geschikt is voor grote, door brandstof aangedreven HALE-vliegtuigen, en het anti-icing systeem voor de motorkap van de RQ-4 Global Hawk dat warmte onttrekt aan het hydraulische systeem van het vliegtuig: in overeenstemming met gepubliceerde literatuur over ijsbeschermingssystemen voor vliegtuigen.
Vliegtuigachtergrond voor de RQ-4B Global Hawk (HALE-klasse): in overeenstemming met ons gepubliceerde artikel over het testen van langeafstand fixed-wing UAS (MALE, HALE en VTOL).
Richtlijnen voor testmethodologie (full-envelope Appendix C- en Appendix O-testen, thermische validatie van het gehele systeem, meting van aerodynamische nadelen met bevestigde ijsvormen, testen van full-size componenten) behoren tot de technische praktijk van TunnelTech, die direct aansluit op de hierboven gedocumenteerde specificaties van faciliteiten van certificeringskwaliteit.

IJsafzetting en all-weather certificering voor grote fixed-wing UAS