Integrasjon av turboprop- og stempelmotorfremdrift for langtrekkende UAS
Hvorfor turboprop- og stempelmotordrevne MALE UAS medfører et integrasjonsproblem elektriske droner aldri møter, hva virkelige fly viser, og hva man bør teste for.
Valget av fremdriftssystem for et MALE- eller HALE-fly er en helt annen disiplin enn å velge en elektrisk motor og propell. En turboprop- eller tungdrivstoff-stempelmotor medfører et luftinntak, et eksossystem, et kjølesystem og en propell som er stor nok til å samhandle betydelig med flyskroget den er montert på — alt ved reell marsjhastighet og høyde, ikke i det lavhastighetsregimet med lavt Reynolds-tall som en liten elektrisk UAV befinner seg i.
1. To reelle motorer, to reelle integrasjonsproblemer
De to flaggskipseksemplene i denne klassen illustrerer hvor forskjellig «fremdrift» kan være, selv innenfor samme flyfamilie. Den opprinnelige MQ-1 Predator ble drevet av en enkelt Rotax 914F, en turboladet, firesylindret firetakts stempelmotor på omtrent 115 hp , luftkjølt ved sylindrene og vannkjølt ved topplokkene, som drev en tobladet skyvepropell med konstant hastighet — flyet hadde en marsjhastighet på omtrent 84 til 135 mph, i rundt 25 000 ft høyde, i godt over 24 timer av gangen.
Den større etterfølgeren, MQ-9 Reaper , drives av en Honeywell TPE331-10 turboprop med Digital Electronic Engine Control , som også driver en bakmontert, flerbladet skyvepropell med justerbar stigning (controllable-pitch) . Ifølge General Atomics opererer flyet i opptil 50 000 ft, har en marsjhastighet på 240 knots sann flygefart (KTAS), og har en utholdenhet på over 27 timer.
Begge flyene valgte den samme grunnleggende arkitekturen — en skyvepropell montert bakerst på skroget — til tross for at den ene går på bensin via en stempelmotor og den andre på jetdrivstoff via en turboprop. Dette arkitektoniske valget er ikke tilfeldig for et vindtunnelprogram; det er helt sentralt.
2. Hvorfor skyvepropell-konfigurasjonen er et eget testproblem
En skyvepropell montert bak skroget møter ikke ren, uforstyrret luft — den suger inn vaken fra skroget og, avhengig av geometrien, vingen og halepartiet foran den. Denne innstrømningen er allerede forvrengt før den når propelldisken, og propellen mater på sin side sin egen swirl og trykkforstyrrelse fremover inn i halens strømningsfelt. En benketest av propellen alene, eller en aerodynamisk test av vingen alene, karakteriserer ingen av sidene ved denne interaksjonen — hver av dem gir kun mening når de måles med den andre til stede.
Dette gjenspeiler et bredere, dokumentert funn i forskning på integrasjon av propell-inntak og skrog-fremdrift: tilstedeværelsen av propellen endrer målbart den totale trykkfordelingen og introduserer swirl-forvrengning, og effektene av inntaks- og eksosstrøm på et fremdriftsintegrert skrog kan forskyve løft-til-motstand-forholdet og pitch-momentet — effekter som først oppstår når fremdriftssystemet og skroget testes sammen, ikke hver for seg.
3. Hva integrasjonstesting faktisk må dekke
- Hele skroget med en representativ propell til stede , ikke et resultat fra en skyvekraft-test av propellen alene lagt over en polar for et rent skrog — skyvepropell-konfigurasjonen betyr spesifikt at de to ikke er uavhengige.
- Kvaliteten på innløpsstrømmen over hele flygekonvolutten. Luftinntaket til en turboprop må levere akseptabel trykkgjenvinning og forvrengningsnivåer til motorfronten under marsj, stigning og enhver tilstand med høy angrepsvinkel som oppdragsprofilen inkluderer — et krav som ikke har noen ekvivalent på en elektrisk motor.
- Effekter av eksosintegrasjon på luftmotstand og pitch-moment , ettersom inntaks- og eksosstrøm er dokumentert å forskyve begge deler målbart, og et MALE-klasse-oppdrag selges på marsjeffektivitet der små ulemper i luftmotstand forsterkes over flyvninger på 24 pluss timer.
- Beregning av kjølemotstand spesifikt for en stempelmotor — en væske- eller luftkjølt stempelmotor har en kjølestrømsmotstand som en elektrisk motor rett og slett ikke genererer, og dette må fanges opp i den samme testen som resten av skrogets budsjett for luftmotstand.
- Interaksjon mellom propellvake og hale , ettersom en skyvepropell-konfigurasjon plasserer halepartiet direkte i, eller nær, propellens innstrømning og slipstream — en kobling som endres med effektinnstilling og angrepsvinkel.
4. Fem feil vi ser
- Å teste propellen og skroget som to separate kampanjer. På en skyvepropell-konfigurasjon kommer propellens innstrømning fra skrogets vake, og skrogets halestrøm formes av propellen — ingen av testene alene fanger opp koblingen.
- Å hoppe over måling av innløpsforvrengning fordi «motorprodusenten spesifiserer det». Produsentens spesifikasjoner forutsetter en ren, uforstyrret innstrømning; forvrengning når motoren er installert i skroget er en installasjonseffekt som motorens spesifikasjonsark ikke kan forutsi.
- Å behandle kjølemotstand som en ettertanke ved motorintegrasjon. For en stempelmotor er kjølestrømmen en del av flyets budsjett for luftmotstand fra dag én, ikke en korreksjon som påføres etter at den aerodynamiske testen er utført.
- Å anta at turboprop- og stempelmotorfremdrift deler samme testplan. Kravet til trykkgjenvinning i innløpet for en turboprop og kravet til kjøleluftstrøm for en stempelmotor er forskjellige fysiske problemer med ulike behov for instrumentering.
- Å ikke teste på tvers av effektinnstillinger. Interaksjonen mellom propellens slipstream og halen endres med skyvekraften, så en test med kun én effektinnstilling går glipp av hvordan denne koblingen forskyver seg over den faktiske oppdragsprofilen — effekt for stigning, marsj og venting (loiter) er ikke utskiftbare testpunkter.
5. Hva dette betyr for ditt program
Fortell oss din motortype, propellkonfigurasjon og oppdragets effektprofil , så vil vi utforme en integrasjonstest for skrog og fremdrift som fanger opp effekter fra innløp, eksos, kjøling og slipstream samlet — ikke som separate benketester lagt til en polar for et rent skrog. Relatert lesning: vår hovedartikkel om
long-range fixed-wing UAS testing.
Kilder og merknader
- Fremdrift for MQ-1 Predator (Rotax 914F turboladet firesylindret stempelmotor på omtrent 115 hp, luftkjølte sylindere med vannkjølte topplokk, tobladet skyvepropell med konstant hastighet, marsjhastighet på omtrent 84–135 mph ved rundt 25 000 ft for oppdrag på 24 pluss timer): i samsvar med produsentens publiserte motorspesifikasjoner (Rotax, "914 UL | F" product page) og historikken til General Atomics MQ-1 Predator-programmet.
- Fremdrift for MQ-9A Reaper (Honeywell TPE331-10 turboprop med Digital Electronic Engine Control, maksimal høyde 50 000 ft, marsjhastighet 240 KTAS, utholdenhet på over 27 timer): General Atomics Aeronautical Systems, "MQ-9A Reaper (Predator B)".
- Bakmontert skyvepropell-konfigurasjon på både Predator- og Reaper-skrogene er en dokumentert egenskap ved designet til General Atomics Predator/Reaper-familien.
- Integrasjonseffekter for propell-inntak (målbare endringer i total trykkfordeling og swirl-forvrengning med propellen aktiv) og integrasjonseffekter for inntak/eksos på løft-til-motstand-forhold og pitch-moment er dokumenterte funn i publisert litteratur om vindtunnel og simulering for integrasjon av propell-inntak og skrog-fremdrift.
- Veiledning for testmetodikk (kombinert propell-skrog-testing, måling av innløpsforvrengning, beregning av kjølemotstand, slipstream-testing med flere effektinnstillinger) er ingeniørpraksis hos TunnelTech.