Integracja napędu turbośmigłowego i tłokowego w bezzałogowych statkach powietrznych (UAS) dalekiego zasięgu
Dlaczego systemy UAS klasy MALE z silnikami turbośmigłowymi i tłokowymi stwarzają problemy integracyjne, z którymi drony elektryczne nigdy się nie spotykają, co pokazują rzeczywiste statki powietrzne i co należy testować.
Wybór napędu dla statków powietrznych klasy MALE lub HALE to zupełnie inna dziedzina niż dobór silnika elektrycznego i śmigła. Silnik turbośmigłowy lub tłokowy na paliwo ciężkie wiąże się z obecnością wlotu powietrza, układu wydechowego, układu chłodzenia oraz śmigła na tyle dużego, by w istotny sposób oddziaływać na płatowiec, na którym jest zamontowane. Wszystko to dzieje się przy rzeczywistych prędkościach i wysokościach przelotowych, a nie w reżimie niskich prędkości i małych liczb Reynoldsa, w którym funkcjonują małe elektryczne bezzałogowce (UAV).
1. Dwa rzeczywiste silniki, dwa rzeczywiste problemy z integracją
Dwa flagowe przykłady z tej klasy pokazują, jak różne znaczenie może mieć słowo „napęd” nawet w obrębie tej samej rodziny statków powietrznych. Oryginalny MQ-1 Predator był napędzany pojedynczym silnikiem Rotax 914F – turbodoładowanym, czterocylindrowym, czterosuwowym silnikiem tłokowym o mocy około 115 KM , chłodzonym powietrzem na cylindrach i wodą na głowicach, napędzającym dwułopatowe śmigło pchające o stałej prędkości obrotowej . Statek ten osiągał prędkość przelotową od około 84 do 135 mph na wysokości około 25 000 stóp, a jego czas lotu znacznie przekraczał 24 godziny.
Jego większy następca, MQ-9 Reaper , jest napędzany silnikiem turbośmigłowym Honeywell TPE331-10 z cyfrowym elektronicznym systemem sterowania (DEEC) , który również napędza zamontowane z tyłu, wielołopatowe śmigło pchające o zmiennym skoku . Według danych General Atomics, statek ten operuje na wysokościach do 50 000 stóp, osiąga prędkość przelotową 240 węzłów (KTAS) i charakteryzuje się długotrwałością lotu wynoszącą ponad 27 godzin.
W obu statkach powietrznych zastosowano tę samą podstawową architekturę – śmigło pchające zamontowane w tylnej części kadłuba – mimo że jeden z nich jest napędzany benzyną za pomocą silnika tłokowego, a drugi paliwem lotniczym za pomocą silnika turbośmigłowego. Ten wybór architektoniczny nie jest bez znaczenia dla programu badań w tunelu aerodynamicznym; ma on w nim kluczowe znaczenie.
2. Dlaczego układ pchający stanowi odrębny problem badawczy
Śmigło pchające zamontowane za kadłubem nie pracuje w niezaburzonym, swobodnym strumieniu powietrza – zasysa ono ślad aerodynamiczny kadłuba oraz, w zależności od geometrii, znajdujących się przed nim skrzydeł i usterzenia. Ten napływający strumień jest już zniekształcony, zanim dotrze do tarczy śmigła, a śmigło z kolei przekazuje własne zawirowania i zaburzenia ciśnienia do przodu, w pole przepływu usterzenia ogonowego. Badanie stanowiskowe samego śmigła lub badanie aerodynamiczne samego skrzydła nie charakteryzuje żadnej ze stron tej interakcji – każde z nich ma sens tylko wtedy, gdy jest mierzone w obecności drugiego elementu.
Odzwierciedla to szersze, udokumentowane wnioski z badań nad integracją wlotu śmigła i napędu z płatowcem: obecność śmigła w mierzalny sposób zmienia rozkład ciśnienia całkowitego i wprowadza zniekształcenia zawirowań, a wpływ przepływu przez wlot i wylot na zintegrowany z napędem płatowiec może zmienić doskonałość aerodynamiczną i moment pochylający. Są to efekty, które pojawiają się tylko wtedy, gdy układ napędowy i płatowiec są badane razem, a nie osobno.
3. Co w rzeczywistości muszą obejmować testy integracyjne
- Pełny płatowiec z zamontowanym reprezentatywnym śmigłem , a nie wynik z hamowni dla samego śmigła nałożony na biegunową czystego płatowca – konfiguracja pchająca oznacza w szczególności, że te dwa elementy nie są od siebie niezależne.
- Jakość przepływu na wlocie w całej obwiedni lotu. Wlot powietrza silnika turbośmigłowego musi zapewniać akceptowalny odzysk ciśnienia i poziom zniekształceń na wlocie do silnika podczas lotu przelotowego, wznoszenia i w każdych warunkach wysokiego kąta natarcia, które obejmuje profil misji – jest to wymóg, który nie ma swojego odpowiednika w przypadku silnika elektrycznego.
- Wpływ integracji układu wydechowego na opór aerodynamiczny i moment pochylający , ponieważ udokumentowano, że przepływ na wlocie i wylocie w mierzalny sposób zmienia oba te parametry, a misje klasy MALE opierają się na wydajności przelotowej, gdzie niewielkie straty oporu kumulują się podczas ponad 24-godzinnych lotów.
- Uwzględnienie oporu chłodzenia, w szczególności dla jednostek tłokowych – silnik tłokowy chłodzony cieczą lub powietrzem generuje opór przepływu chłodzącego, którego silnik elektryczny po prostu nie wytwarza. Musi to zostać uwzględnione w tym samym teście, co reszta budżetu oporu płatowca.
- Interakcja śladu zaśmigłowego z usterzeniem , ponieważ układ pchający umieszcza usterzenie bezpośrednio w lub w pobliżu napływu i strumienia zaśmigłowego – jest to sprzężenie, które zmienia się w zależności od ustawienia mocy i kąta natarcia.
4. Pięć błędów, które obserwujemy
- Badanie śmigła i płatowca jako dwóch oddzielnych kampanii. W konfiguracji pchającej napływ na śmigło pochodzi ze śladu aerodynamicznego płatowca, a przepływ wokół usterzenia jest kształtowany przez śmigło – żaden z tych testów z osobna nie uchwyci tego sprzężenia.
- Pomijanie pomiaru zniekształceń na wlocie, ponieważ „producent silnika podaje to w specyfikacji”. Specyfikacje producenta zakładają czysty, niezniekształcony napływ; zniekształcenia wynikające z zabudowy w płatowcu to efekt instalacyjny, którego karta katalogowa silnika nie jest w stanie przewidzieć.
- Traktowanie oporu chłodzenia jako kwestii drugorzędnej przy integracji silnika. W przypadku jednostki tłokowej przepływ chłodzący jest częścią budżetu oporu statku powietrznego od pierwszego dnia, a nie poprawką stosowaną po zakończeniu badań aerodynamicznych.
- Zakładanie, że napęd turbośmigłowy i tłokowy mogą mieć wspólny plan testów. Wymóg odzysku ciśnienia na wlocie silnika turbośmigłowego i wymóg przepływu powietrza chłodzącego silnik tłokowy to różne problemy fizyczne, wymagające innej aparatury pomiarowej.
- Brak testów przy różnych ustawieniach mocy. Interakcja strumienia zaśmigłowego z usterzeniem zmienia się wraz z ciągiem, więc test przy jednym ustawieniu mocy nie pozwala zauważyć, jak to sprzężenie zmienia się w rzeczywistym profilu misji – moc wznoszenia, przelotu i lotu patrolowego to nie są zamienne punkty testowe.
5. Co to oznacza dla Twojego programu
Podaj nam typ silnika, konfigurację śmigła i profil mocy misji , a my opracujemy zakres testu integracji płatowca z napędem, który wspólnie uchwyci efekty wlotu, wylotu, chłodzenia i strumienia zaśmigłowego – a nie jako oddzielne testy stanowiskowe dodane do biegunowej czystego płatowca. Powiązane materiały: nasz główny artykuł na temat
long-range fixed-wing UAS testing.
Źródła i uwagi
- Napęd MQ-1 Predator (turbodoładowany, czterocylindrowy silnik tłokowy Rotax 914F o mocy około 115 KM, cylindry chłodzone powietrzem, głowice chłodzone wodą, dwułopatowe śmigło pchające o stałej prędkości obrotowej, prędkość przelotowa około 84–135 mph na wysokości ok. 25 000 stóp dla misji trwających ponad 24 godziny): zgodne z opublikowanymi przez producenta specyfikacjami silnika (strona produktu Rotax, „914 UL | F”) oraz historią programu MQ-1 Predator firmy General Atomics.
- Napęd MQ-9A Reaper (silnik turbośmigłowy Honeywell TPE331-10 z cyfrowym elektronicznym systemem sterowania, maksymalna wysokość 50 000 stóp, prędkość przelotowa 240 KTAS, długotrwałość lotu ponad 27 godzin): General Atomics Aeronautical Systems, „MQ-9A Reaper (Predator B)”.
- Konfiguracja z zamontowanym z tyłu śmigłem pchającym w płatowcach Predator i Reaper jest udokumentowaną cechą konstrukcyjną rodziny Predator/Reaper firmy General Atomics.
- Efekty integracji wlotu śmigła (mierzalne zmiany w rozkładzie ciśnienia całkowitego i zniekształceniach zawirowań przy pracującym śmigle) oraz efekty integracji wlotu/wylotu na doskonałość aerodynamiczną i moment pochylający są udokumentowanymi wnioskami w opublikowanej literaturze dotyczącej badań w tunelu aerodynamicznym i symulacji integracji wlotu śmigła oraz napędu z płatowcem.
- Wytyczne dotyczące metodologii testów (połączone badania śmigła i płatowca, pomiar zniekształceń na wlocie, uwzględnienie oporu chłodzenia, badanie strumienia zaśmigłowego przy wielu ustawieniach mocy) stanowią praktykę inżynieryjną firmy TunnelTech.