Testen van turboprop- en zuigeraandrijving voor UAS

De keuze voor de aandrijving van een MALE- of HALE-vliegtuig is een compleet andere discipline dan het selecteren van een elektromotor en propeller. Een turboprop of zuigermotor op zware brandstof brengt een luchtinlaat, een uitlaat, een koelsysteem en een propeller met zich mee die groot genoeg is voor een significante interactie met het airframe waarop deze is gemonteerd — en dat alles op reële kruissnelheid en vlieghoogte, in plaats van het lagesnelheidsregime met een laag Reynoldsgetal waarin een kleine elektrische UAV opereert.

1. Twee echte motoren, twee echte integratieproblemen

De twee paradepaardjes in deze klasse illustreren hoe verschillend "aandrijving" kan zijn, zelfs binnen dezelfde vliegtuigfamilie. De oorspronkelijke MQ-1 Predator werd aangedreven door een enkele Rotax 914F, een viertakt-zuigermotor met vier cilinders en turbocompressor met een vermogen van ongeveer 115 pk , luchtgekoeld bij de cilinders en watergekoeld bij de cilinderkoppen, die een tweebladige duwpropeller met constante snelheid aandreef — het vliegtuig kruiste met ongeveer 84 tot 135 mph, op ongeveer 25.000 voet, gedurende ruim 24 uur per vlucht.

Zijn grotere opvolger, de MQ-9 Reaper , wordt aangedreven door een Honeywell TPE331-10 turboprop met Digital Electronic Engine Control , die eveneens een aan de achterzijde gemonteerde, meerbladige duwpropeller met verstelbare spoed aandrijft. Volgens General Atomics opereert het vliegtuig op hoogtes tot 50.000 voet, kruist het met 240 knopen ware luchtsnelheid (KTAS) en heeft het een vliegduur van meer dan 27 uur.

Beide vliegtuigen maken gebruik van dezelfde basisarchitectuur — een duwpropeller gemonteerd aan de achterzijde van de romp — ondanks dat de een op benzine draait via een zuigermotor en de ander op kerosine via een turboprop. Deze architectonische keuze is niet slechts een bijzaak voor een windtunnelprogramma; het staat er juist centraal in.

2. Waarom de duwpropeller-configuratie een opzichzelfstaand testprobleem is

Een duwpropeller die achter de romp is gemonteerd, krijgt geen schone, onverstoorde luchtstroom — hij zuigt het zog van de romp aan en, afhankelijk van de geometrie, dat van de vleugel en staartvlakken ervoor. Die instroom is al verstoord voordat deze de propellercirkel bereikt, en de propeller voedt op zijn beurt zijn eigen werveling (swirl) en drukverstoring voorwaarts het stromingsveld van de staart in. Een testopstelling met uitsluitend de propeller, of een aerodynamische test met alleen de vleugel, brengt geen van beide kanten van die interactie in kaart — beide metingen hebben pas zin als de andere component aanwezig is.

Dit weerspiegelt een bredere, gedocumenteerde bevinding in onderzoek naar propeller-inlaat en airframe-aandrijving integratie: de aanwezigheid van de propeller verandert de totale drukverdeling meetbaar en introduceert wervelingsverstoring, en de effecten van inlaat- en uitlaatstromen op een airframe met geïntegreerde aandrijving kunnen de lift-weerstandsverhouding en het stampmoment verschuiven — effecten die pas aan het licht komen wanneer het aandrijfsysteem en het airframe samen worden getest, en niet afzonderlijk.

3. Wat integratietesten daadwerkelijk moeten omvatten

Het volledige airframe met een representatieve propeller aanwezig , niet een resultaat van een testopstelling met alleen de propeller dat over de polaire curve van een schoon airframe wordt gelegd — de duwpropeller-configuratie betekent specifiek dat de twee niet onafhankelijk van elkaar zijn.
Kwaliteit van de inlaatstroom over de gehele vluchtenvelop. De luchtinlaat van een turboprop moet acceptabele drukherstel- en verstoringsniveaus leveren aan de motorinlaat tijdens kruisvlucht, klim en elke conditie met een hoge invalshoek die in het missieprofiel is opgenomen — een vereiste die geen equivalent kent bij een elektromotor.
Effecten van uitlaatintegratie op luchtweerstand en stampmoment , aangezien gedocumenteerd is dat inlaat- en uitlaatstromen beide meetbaar verschuiven, en een missie in de MALE-klasse draait om efficiëntie tijdens de kruisvlucht, waarbij kleine weerstandsverhogingen zich opstapelen tijdens vluchten van meer dan 24 uur.
Verantwoording van koelweerstand, specifiek voor een zuigermotor — een vloeistof- of luchtgekoelde zuigermotor genereert koelweerstand die een elektromotor simpelweg niet heeft, en deze moet in dezelfde test worden meegenomen als de rest van het weerstandsbudget van het airframe.
Interactie tussen het propellerzog en de staart , aangezien een duwpropeller-configuratie de staartvlakken direct in, of nabij, de instroom en slipstroom van de propeller plaatst — een koppeling die verandert afhankelijk van de vermogensinstelling en invalshoek.

4. Vijf veelgemaakte fouten die we zien

Het testen van de propeller en het airframe als twee afzonderlijke campagnes. Bij een duwpropeller-configuratie is de instroom van de propeller afkomstig uit het zog van het airframe en wordt de stroming rond de staart gevormd door de propeller — geen van beide tests afzonderlijk brengt deze koppeling in kaart.
Het overslaan van metingen van inlaatverstoring omdat "de motorfabrikant dit specificeert." Fabrieksspecificaties gaan uit van een schone, onverstoorde instroom; verstoring door installatie in het airframe is een installatie-effect dat het specificatieblad van de motor niet kan voorspellen.
Het behandelen van koelweerstand als een bijzaak bij motorintegratie. Voor een zuigermotor maakt de koelstroom vanaf dag één deel uit van het weerstandsbudget van het vliegtuig, en is het geen correctie die achteraf wordt toegepast na de aerodynamische test.
Ervan uitgaan dat turboprop- en zuigeraandrijving hetzelfde testplan delen. De vereiste voor drukherstel in de inlaat van een turboprop en de vereiste voor koelluchtstroom van een zuigermotor zijn verschillende fysische problemen met verschillende behoeften aan meetinstrumentatie.
Niet testen over verschillende vermogensinstellingen. De interactie tussen de propellerslipstroom en de staart verandert met de stuwkracht, dus een test met slechts één vermogensinstelling mist hoe die koppeling verschuift over het daadwerkelijke missieprofiel — klim-, kruis- en loitervermogen zijn geen inwisselbare testpunten.

5. Wat dit betekent voor uw programma

Vertel ons uw motortype, propellerconfiguratie en missievermogensprofiel , en wij ontwerpen een integratietest voor airframe en aandrijving die inlaat-, uitlaat-, koelings- en slipstroomeffecten gezamenlijk in kaart brengt — niet als afzonderlijke testopstellingen die achteraf aan de polaire curve van een schoon airframe worden toegevoegd. Gerelateerd leesvoer: ons hoofdartikel over

long-range fixed-wing UAS testing

Bronnen en opmerkingen

Aandrijving MQ-1 Predator (Rotax 914F viertakt-zuigermotor met vier cilinders en turbocompressor, vermogen ca. 115 pk, luchtgekoelde cilinders met watergekoelde cilinderkoppen, tweebladige duwpropeller met constante snelheid, kruissnelheid ca. 84–135 mph op ongeveer 25.000 voet voor missies van 24+ uur): in overeenstemming met de gepubliceerde motorspecificaties van de fabrikant (Rotax, "914 UL | F" productpagina) en de programmageschiedenis van de General Atomics MQ-1 Predator.
Aandrijving MQ-9A Reaper (Honeywell TPE331-10 turboprop met Digital Electronic Engine Control, maximale vlieghoogte 50.000 voet, kruissnelheid 240 KTAS, vliegduur meer dan 27 uur): General Atomics Aeronautical Systems, "MQ-9A Reaper (Predator B)".
De aan de achterzijde gemonteerde duwpropeller-configuratie op zowel de Predator- als Reaper-airframes is een gedocumenteerd kenmerk van het ontwerp van de General Atomics Predator/Reaper-familie.
Integratie-effecten van propeller en inlaat (meetbare veranderingen in de totale drukverdeling en wervelingsverstoring bij een actieve propeller) en integratie-effecten van inlaat/uitlaat op de lift-weerstandsverhouding en het stampmoment zijn gedocumenteerde bevindingen in de gepubliceerde windtunnel- en simulatieliteratuur over propeller-inlaat en airframe-aandrijving integratie.
Richtlijnen voor testmethodologie (gecombineerd testen van propeller en airframe, meting van inlaatverstoring, verantwoording van koelweerstand, testen van slipstroom bij meerdere vermogensinstellingen) behoren tot de technische praktijk van TunnelTech.

Integratie van turboprop- en zuigeraandrijving voor langeafstands-UAS