Testy certyfikacyjne w warunkach oblodzenia dla dużych stałopłatowych UAS

Oblodzenie małego elektrycznego UAV rozwiązuje się zazwyczaj za pomocą podgrzewanego śmigła lub podgrzewanej rurki Pitota — to ukierunkowane rozwiązanie dla małego komponentu o ograniczonej mocy. Oblodzenie statku powietrznego klasy MALE lub HALE to problem zupełnie innej wagi: jest to wymóg certyfikacyjny oparty na normach, dotyczący całego statku powietrznego, testowany w tej samej obwiedni oblodzenia, w której certyfikowane są załogowe samoloty transportowe, ponieważ w tej skali pojazd lata w takich samych warunkach pogodowych.

1. Standard certyfikacji jest taki sam, jak w przypadku załogowych statków powietrznych

Obiektem referencyjnym dla tej klasy testów jest Icing Research Tunnel (IRT) należący do NASA w Glenn Research Center — jeden z największych na świecie chłodzonych tuneli aerodynamicznych przeznaczonych do badania oblodzenia statków powietrznych, a zarazem obiekt, który wprost odwzorowuje standard certyfikacji FAA dotyczący oblodzenia, zawarty w przepisach Federal Aviation Regulation Part 25, Appendix C . Jego opublikowane parametry pokazują, czego tak naprawdę wymaga „pełnoskalowa certyfikacja w warunkach oblodzenia”:

Sekcja testowa o wymiarach 6 ft wysokości × 9 ft szerokości × 20 ft długości
Prędkość powietrza w sekcji testowej od 50 do 350 knots
Temperatura całkowita w sekcji testowej od –25°C do 5°C
Zawartość ciekłej wody od 0,2 do 3,0 g/m³ , z jednorodnością chmury utrzymywaną na poziomie ±10%
Średnia objętościowa średnica kropel od 15 do 50 µm
Jednorodna chmura oblodzeniowa pokrywająca 4,5 na 6 ft sekcji testowej
Symulowany przepływ powietrza upustowego z silnika do 1 lb/s , do testowania termicznych systemów przeciwoblodzeniowych wykorzystujących gorące powietrze upustowe

IRT testuje pełnowymiarowe komponenty statków powietrznych, a także modele w zmniejszonej skali zarówno samolotów, jak i śmigłowców, a lista jego klientów — Boeing, Bell Helicopter, Goodrich, Cessna, Sikorsky oraz U.S. Army, Navy i Air Force — odzwierciedla fakt, że jest to infrastruktura klasy certyfikacyjnej, a nie jedynie ciekawostka badawcza. Nowsze kampanie testów oblodzeniowych NASA rozszerzyły również prace kalibracyjne na nowsze warunki dużych przechłodzonych kropel (SLD) według Appendix O , których zarówno FAA, jak i EASA wymagają obecnie obok pierwotnej obwiedni z Appendix C.

2. Dlaczego sama technologia ochrony przed oblodzeniem różni się w zależności od skali

Technologia ochrony przed oblodzeniem dzieli się wyraźnie w zależności od skali statku powietrznego, a podział ten wynika z przyczyn fizycznych: dostępnej mocy. Ogrzewanie elektrotermiczne — podejście typowe dla małych UAV — jest ograniczone natężeniem prądu z akumulatora, jakie może dostarczyć mała platforma elektryczna, dlatego zazwyczaj ogranicza się do małych, kluczowych komponentów, takich jak śmigło lub rurka Pitota, a nie całego skrzydła.

Duży, napędzany paliwem statek powietrzny klasy MALE lub HALE ma zupełnie inny budżet mocy, co otwiera drogę do termicznego zapobiegania oblodzeniu z wykorzystaniem powietrza upustowego z silnika , doprowadzanego do krawędzi natarcia skrzydła przez rurkę piccolo — to ta sama podstawowa architektura, którą załogowe samoloty transportowe wykorzystują od dziesięcioleci, i która zwalnia statek powietrzny z konieczności przenoszenia generatorów prądu, jakich wymagałby w pełni elektryczny system przeciwoblodzeniowy. Udokumentowane przykłady w tej skali obejmują RQ-4 Global Hawk , którego system przeciwoblodzeniowy osłony silnika pobiera ciepło z układu hydraulicznego statku powietrznego, a nie z powietrza upustowego — to przypomnienie, że „ochrona termiczna” w dużym UAS może być zaprojektowana z wykorzystaniem więcej niż jednego pokładowego źródła ciepła, a właściwy wybór zależy od specyficznej architektury systemów statku powietrznego.

3. Co musi obejmować kampania testów oblodzeniowych dla dużych stałopłatów

Testowanie w rzeczywistej obwiedni certyfikacyjnej , a nie w arbitralnych zimnych i mokrych warunkach — zawartość ciekłej wody, rozmiar kropel i kombinacje temperatur z Appendix C są precyzyjnie określone, ponieważ różne kombinacje powodują powstawanie różnych kształtów lodu i różne straty aerodynamiczne.
Warunki dużych przechłodzonych kropel (SLD) według Appendix O obok Appendix C , ponieważ oblodzenie SLD powoduje narastanie lodu dalej wzdłuż profilu lotniczego niż klasyczne oblodzenie z Appendix C, w miejscu, którego systemy przeciwoblodzeniowe zaprojektowane wyłącznie pod kątem Appendix C mogą nie obejmować.
Cały system termiczny, a nie tylko podgrzewaną powierzchnię — w przypadku systemu na powietrze upustowe oznacza to testowanie kanałów, dystrybucji przez rurkę piccolo i dostarczania ciepła przy symulowanym przepływie z silnika, a nie tylko izolowany pomiar zrzucania lodu z podgrzewanego panelu.
Osiągi aerodynamiczne z dołączonymi realistycznymi kształtami lodu , ponieważ certyfikacja ostatecznie dotyczy właściwości lotnych statku powietrznego z lodem, do którego zaprojektowano system ochrony — a nie tylko tego, czy system ochrony zapobiega tworzeniu się lodu w najlepszym przypadku.
Pełnowymiarowe komponenty wszędzie tam, gdzie wymaga tego podstawa certyfikacji — udokumentowana zdolność IRT do testowania pełnowymiarowych komponentów statków powietrznych istnieje właśnie dlatego, że fizyka narastania lodu na niektórych komponentach nie skaluje się w prosty sposób do małego modelu.

4. Pięć błędów, które obserwujemy

Traktowanie ochrony przed oblodzeniem jako elektrotermicznego problemu na poziomie komponentu w każdej skali statku powietrznego. To, co sprawdza się w przypadku śmigła małego UAV, nie przekłada się na skrzydło MALE/HALE — zarówno budżet mocy, jak i podstawa certyfikacji są inne.
Testowanie wyłącznie według Appendix C i zakładanie, że to obejmuje „oblodzenie”. Warunki dużych przechłodzonych kropel z Appendix O są obecnie odrębną, wymaganą częścią podstawy certyfikacji dla wielu programów i powodują oblodzenie innej części profilu lotniczego.
Walidacja źródła ciepła bez walidacji systemu dostarczania. Dystrybucja przez rurkę piccolo i straty w kanałach systemu na powietrze upustowe mają takie samo znaczenie, jak dostępna ilość ciepła — system, który działa na papierze, może nie zapewniać wystarczającej wydajności na końcówce skrzydła.
Pomiar zapobieganania oblodzeniu bez pomiaru strat aerodynamicznych. Certyfikacja to nie tylko odpowiedź na pytanie „czy tworzy się lód” — to także „jak statek powietrzny lata z kształtami lodu, dla których system ochrony został zwalidowany”.
Zakładanie, że model w zmniejszonej skali oddaje wszystko to, co pełnowymiarowy komponent. Fizyka narastania lodu to jeden z obszarów, w których efekty skali są najmniej wybaczające, i właśnie dlatego tunele aerodynamiczne klasy certyfikacyjnej testują bezpośrednio pełnowymiarowe komponenty.

5. Co to oznacza dla Twojego programu

Przedstaw nam swoją podstawę certyfikacji i architekturę ochrony przed oblodzeniem , a my opracujemy program testów w oparciu o rzeczywistą obwiednię z Appendix C i Appendix O, w której Twój statek powietrzny musi uzyskać certyfikat — a nie ogólny test w niskich temperaturach. Powiązane materiały: nasz główny artykuł na temat

long-range fixed-wing UAS testing

Źródła i uwagi

Parametry obiektu NASA Icing Research Tunnel (sekcja testowa 6 ft × 9 ft × 20 ft, prędkość powietrza 50–350 knots, temperatura całkowita od –25°C do 5°C, zawartość ciekłej wody 0,2–3,0 g/m³ z jednorodnością chmury ±10%, MVD kropel 15–50 µm, jednorodna chmura oblodzeniowa 4,5 na 6 ft, symulowany przepływ powietrza upustowego z silnika do 1 lb/s, odwzorowanie standardów certyfikacji oblodzenia FAA FAR Part 25 Appendix C, testowanie pełnowymiarowych komponentów statków powietrznych oraz modeli samolotów i śmigłowców w zmniejszonej skali, a także baza klientów obejmująca Boeing, Bell Helicopter, Goodrich, Cessna, Sikorsky oraz siły zbrojne USA): NASA Glenn Research Center / NASA Aeronautics Test Program, arkusz informacyjny "Icing Research Tunnel".
Rozszerzenie prac kalibracyjnych IRT na warunki dużych przechłodzonych kropel (SLD) według FAA/EASA Appendix O w nowszych kampaniach testowych NASA jest udokumentowane w kolejnych publikacjach badawczych NASA Glenn dotyczących oblodzenia, dostępnych na serwerze NASA Technical Reports Server.
Elektrotermiczna ochrona przed oblodzeniem jako typowe podejście dla małych komponentów UAV o ograniczonej mocy, w przeciwieństwie do termicznego zapobiegania oblodzeniu powietrzem upustowym przez rurkę piccolo jako podejścia odpowiedniego dla dużych, napędzanych paliwem statków powietrznych HALE, oraz system przeciwoblodzeniowy osłony silnika RQ-4 Global Hawk pobierający ciepło z układu hydraulicznego statku powietrznego: zgodne z opublikowaną literaturą dotyczącą systemów ochrony statków powietrznych przed oblodzeniem.
Informacje o statku powietrznym RQ-4B Global Hawk (klasa HALE): zgodne z naszym opublikowanym artykułem na temat testowania dalekiego zasięgu stałopłatowych UAS (MALE, HALE i VTOL).
Wytyczne dotyczące metodologii testów (testowanie w pełnej obwiedni Appendix C i Appendix O, walidacja termiczna całego systemu, pomiar strat aerodynamicznych z dołączonymi kształtami lodu, testowanie pełnowymiarowych komponentów) to praktyka inżynieryjna TunnelTech, bezpośrednio odpowiadająca udokumentowanym powyżej parametrom obiektu klasy certyfikacyjnej.

Certyfikacja w warunkach oblodzenia i w każdych warunkach pogodowych dla dużych stałopłatowych UAS