Testes de Certificação de Formação de Gelo para UAS de Asa Fixa de Grande Porte

A formação de gelo em um pequeno UAV elétrico geralmente é resolvida com uma hélice aquecida ou um tubo de pitot aquecido — uma solução direcionada para um componente pequeno e com restrição de energia. A formação de gelo em uma aeronave MALE ou HALE é um problema de uma ordem totalmente diferente: é um requisito de certificação para toda a aeronave, orientado por normas, testado em relação ao mesmo envelope de formação de gelo pelo qual as aeronaves de transporte tripuladas são certificadas, porque, nessa escala, o veículo voa nas mesmas condições meteorológicas.

1. A norma de certificação é a mesma utilizada por aeronaves tripuladas

A instalação de referência para essa classe de testes é o Icing Research Tunnel (IRT) da NASA no Glenn Research Center — um dos maiores túneis de vento refrigerados do mundo dedicados à formação de gelo em aeronaves, e uma instalação que explicitamente replica a norma de certificação de formação de gelo da FAA no Federal Aviation Regulation Part 25, Appendix C . Suas características publicadas mostram o que a "certificação de formação de gelo em escala real" realmente exige:

Seção de testes de 6 ft de altura × 9 ft de largura × 20 ft de comprimento
Velocidade do ar na seção de testes de 50 a 350 knots
Temperatura total da seção de testes de –25°C a 5°C
Conteúdo de água líquida de 0,2 a 3,0 g/m³ , com uniformidade da nuvem mantida em ±10%
Diâmetro volumétrico mediano da gota de 15 a 50 µm
Uma nuvem de formação de gelo uniforme cobrindo 4,5 por 6 feet da seção de testes
Fluxo de ar de sangria do motor simulado de até 1 lb/s , para testar sistemas térmicos antigelo que utilizam ar de sangria quente

O IRT testa componentes de aeronaves em tamanho real, bem como modelos em escala de aviões e helicópteros, e sua lista de clientes — Boeing, Bell Helicopter, Goodrich, Cessna, Sikorsky, além do Exército, Marinha e Força Aérea dos EUA — reflete que esta é uma infraestrutura de nível de certificação, não uma curiosidade de pesquisa. Campanhas de testes de formação de gelo mais recentes da NASA também estenderam o trabalho de calibração para as novas condições de gotas grandes super-resfriadas (SLD) do Appendix O , que tanto a FAA quanto a EASA agora exigem juntamente com o envelope original do Appendix C.

2. Por que a própria tecnologia de proteção contra gelo diverge de acordo com a escala

A tecnologia de proteção contra gelo se divide claramente de acordo com a escala da aeronave, e se divide por um motivo físico: potência disponível. O aquecimento eletrotérmico — a abordagem típica de pequenos UAVs — é limitado pela amperagem da bateria que uma pequena plataforma elétrica pode fornecer, e é por isso que geralmente se restringe a componentes pequenos e de alto valor, como uma hélice ou um tubo de pitot, em vez de uma asa inteira.

Uma aeronave MALE ou HALE de grande porte, movida a combustível, tem um orçamento de potência totalmente diferente, e isso abre espaço para o antigelo térmico usando ar de sangria do motor , canalizado para o bordo de ataque da asa através de um tubo piccolo — a mesma arquitetura básica que as aeronaves de transporte tripuladas usam há décadas, e que evita que a aeronave tenha que carregar a capacidade de geração elétrica que um sistema de proteção contra gelo totalmente elétrico exigiria. Exemplos documentados nessa escala incluem o RQ-4 Global Hawk , cujo sistema antigelo da carenagem do motor utiliza calor extraído do sistema hidráulico da aeronave em vez de ar de sangria — um lembrete de que a "proteção térmica" em um UAS de grande porte pode ser projetada a partir de mais de uma fonte de calor a bordo, e a escolha certa depende da arquitetura de sistemas específica da aeronave.

3. O que uma campanha de testes de formação de gelo para asas fixas de grande porte precisa abranger

Testes em relação ao envelope de certificação real , não uma condição fria e úmida arbitrária — as combinações de conteúdo de água líquida, tamanho da gota e temperatura do Appendix C são especificadas com precisão porque diferentes combinações produzem diferentes formatos de gelo e diferentes penalidades aerodinâmicas.
Condições de gotas grandes super-resfriadas do Appendix O juntamente com o Appendix C , uma vez que a formação de gelo SLD produz acúmulo de gelo mais atrás no perfil aerodinâmico do que a formação de gelo clássica do Appendix C, em um local que os sistemas de proteção contra gelo projetados apenas para o Appendix C podem não cobrir.
Todo o sistema térmico, não apenas a superfície aquecida — para um sistema de ar de sangria, isso significa testar os dutos, a distribuição do tubo piccolo e o fornecimento de calor sob fluxo simulado do motor, e não apenas medir o desprendimento de gelo de um painel aquecido isoladamente.
Desempenho aerodinâmico com formatos de gelo realistas anexados , já que a certificação trata, em última análise, das qualidades de voo da aeronave com o gelo para o qual o sistema de proteção foi projetado — não apenas se o sistema de proteção evita a formação de gelo no melhor dos casos.
Componentes em tamanho real sempre que a base de certificação exigir — a capacidade documentada do IRT de testar componentes de aeronaves em tamanho real existe precisamente porque a física do acúmulo de gelo em alguns componentes não se dimensiona perfeitamente para um modelo pequeno.

4. Cinco erros que observamos

Tratar a proteção contra gelo como um problema eletrotérmico em nível de componente em qualquer escala de aeronave. O que funciona para a hélice de um pequeno UAV não se extrapola para uma asa MALE/HALE — o orçamento de potência e a base de certificação são diferentes.
Testar apenas o Appendix C e presumir que isso cobre a "formação de gelo". As condições de gotas grandes super-resfriadas do Appendix O agora são uma parte distinta e obrigatória da base de certificação para muitos programas, e elas formam gelo em uma parte diferente do perfil aerodinâmico.
Validar a fonte de calor sem validar o sistema de distribuição. A distribuição do tubo piccolo de um sistema de ar de sangria e as perdas nos dutos importam tanto quanto o calor bruto disponível — um sistema que funciona no papel pode ter um desempenho inferior na ponta da asa.
Medir a prevenção de gelo sem medir a penalidade aerodinâmica. A certificação não é apenas "o gelo se forma" — é "como a aeronave voa com os formatos de gelo contra os quais o sistema de proteção é validado".
Presumir que um modelo em escala captura tudo o que um componente em tamanho real capturaria. A física do acúmulo de gelo é uma das áreas onde os efeitos de escala são menos tolerantes, e é exatamente por isso que os túneis de vento de formação de gelo de nível de certificação testam componentes em tamanho real diretamente.

5. O que isso significa para o seu programa

Informe-nos sua base de certificação e arquitetura de proteção contra gelo , e nós definiremos o escopo de um programa de testes em relação ao envelope real do Appendix C e Appendix O contra o qual sua aeronave precisa ser certificada — não uma verificação genérica de clima frio. Leitura relacionada: nosso artigo principal sobre

long-range fixed-wing UAS testing

Fontes e notas

Características da instalação do NASA Icing Research Tunnel (seção de testes de 6 ft × 9 ft × 20 ft, velocidade do ar de 50–350 knots, temperatura total de –25°C a 5°C, conteúdo de água líquida de 0,2–3,0 g/m³ com uniformidade de nuvem de ±10%, MVD da gota de 15–50 µm, nuvem de formação de gelo uniforme de 4,5 por 6 ft, fluxo de ar de sangria do motor simulado de até 1 lb/s, replicação das normas de certificação de formação de gelo FAA FAR Part 25 Appendix C, testes de componentes de aeronaves em tamanho real e modelos em escala de aviões e helicópteros, e sua base de clientes incluindo Boeing, Bell Helicopter, Goodrich, Cessna, Sikorsky e serviços militares dos EUA): NASA Glenn Research Center / NASA Aeronautics Test Program, "Icing Research Tunnel" fact sheet.
A extensão do trabalho de calibração do IRT para as condições de gotas grandes super-resfriadas (SLD) do FAA/EASA Appendix O em campanhas de testes mais recentes da NASA está documentada em publicações subsequentes de pesquisa sobre formação de gelo do NASA Glenn no NASA Technical Reports Server.
A proteção eletrotérmica contra gelo como a abordagem típica para componentes pequenos e com restrição de energia de UAVs, em oposição ao antigelo térmico por ar de sangria via tubo piccolo como a abordagem adequada para aeronaves HALE de grande porte movidas a combustível, e o sistema antigelo da carenagem do motor do RQ-4 Global Hawk extraindo calor do sistema hidráulico da aeronave: consistente com a literatura publicada sobre sistemas de proteção contra gelo em aeronaves.
Contexto da aeronave para o RQ-4B Global Hawk (classe HALE): consistente com nosso artigo publicado sobre testes de UAS de asa fixa de longo alcance (MALE, HALE e VTOL).
A orientação da metodologia de testes (testes de envelope completo do Appendix C e Appendix O, validação térmica de todo o sistema, medição de penalidade aerodinâmica com formatos de gelo anexados, testes de componentes em tamanho real) é uma prática de engenharia da TunnelTech, respondendo diretamente às características da instalação de nível de certificação documentadas acima.

Certificação de Formação de Gelo e Operação em Todas as Condições Meteorológicas para UAS de Asa Fixa de Grande Porte