Testes de Propulsão Turboélice e a Pistão para UAS

A decisão de propulsão em uma aeronave MALE ou HALE é uma disciplina totalmente diferente de escolher um motor elétrico e uma hélice. Um motor turboélice ou a pistão de combustível pesado traz uma entrada de ar, um escapamento, um sistema de resfriamento e uma hélice grande o suficiente para interagir de forma significativa com a estrutura na qual está montada — tudo isso em velocidade e altitude reais de cruzeiro, e não no regime de baixa velocidade e baixo número de Reynolds em que opera um pequeno UAV elétrico.

1. Dois motores reais, dois problemas reais de integração

Os dois principais exemplos desta classe ilustram o quão diferente a "propulsão" pode ser, mesmo dentro da mesma família de aeronaves. O MQ-1 Predator original era impulsionado por um único Rotax 914F, um motor a pistão turboalimentado de quatro cilindros e quatro tempos com cerca de 115 hp , refrigerado a ar nos cilindros e a água nos cabeçotes, acionando uma hélice propulsora de passo constante e duas pás — a aeronave voava em velocidade de cruzeiro entre 84 e 135 mph, a cerca de 25.000 pés, por bem mais de 24 horas ininterruptas.

Seu sucessor maior, o MQ-9 Reaper , é impulsionado por um turboélice Honeywell TPE331-10 com Controle Eletrônico Digital do Motor , que também aciona uma hélice propulsora de passo controlável, com múltiplas pás, montada na traseira . Segundo a General Atomics, a aeronave opera a até 50.000 pés, tem velocidade de cruzeiro de 240 nós (KTAS) e uma autonomia de mais de 27 horas.

Ambas as aeronaves adotaram a mesma arquitetura básica — uma hélice propulsora montada na parte traseira da fuselagem — apesar de uma funcionar com gasolina por meio de um motor a pistão e a outra com combustível de aviação por meio de um turboélice. Essa escolha arquitetônica não é acidental para um programa de túnel de vento; ela é central para ele.

2. Por que o layout propulsor é um problema de teste à parte

Uma hélice propulsora montada atrás da fuselagem não recebe um fluxo de ar livre e limpo — ela ingere a esteira da fuselagem e, dependendo da geometria, da asa e da empenagem à sua frente. Esse fluxo de entrada já está distorcido antes de atingir o disco da hélice, e a hélice, por sua vez, alimenta seu próprio redemoinho (swirl) e distúrbio de pressão para a frente, no campo de escoamento da cauda. Um teste de bancada apenas com a hélice, ou um teste aerodinâmico apenas com a asa, não caracteriza nenhum dos lados dessa interação — cada um só faz sentido se medido com a presença do outro.

Isso reflete uma descoberta mais ampla e documentada em pesquisas de integração hélice-entrada e estrutura-propulsão: a presença da hélice altera de forma mensurável a distribuição da pressão total e introduz distorção por redemoinho, e os efeitos do fluxo de admissão e exaustão em uma estrutura com propulsão integrada podem alterar a razão sustentação-arrasto e o momento de arfagem — efeitos que só aparecem quando o sistema de propulsão e a estrutura são testados juntos, e não separadamente.

3. O que os testes de integração realmente precisam abranger

A estrutura completa com uma hélice representativa presente , e não um resultado de bancada de empuxo apenas da hélice sobreposto a uma polar de estrutura limpa — a configuração propulsora significa especificamente que os dois não são independentes.
Qualidade do fluxo de entrada em todo o envelope de voo. A entrada de ar de um turboélice deve fornecer níveis aceitáveis de recuperação de pressão e distorção para a face do motor em cruzeiro, subida e qualquer condição de alto ângulo de ataque que o perfil da missão inclua — um requisito sem equivalente em um motor elétrico.
Efeitos da integração do escapamento no arrasto e no momento de arfagem , uma vez que está documentado que o fluxo de admissão e exaustão altera ambos de forma mensurável, e uma missão da classe MALE é vendida com base na eficiência de cruzeiro, onde pequenas penalidades de arrasto se acumulam em voos de mais de 24 horas.
Contabilização do arrasto de resfriamento especificamente para um motor a pistão — um motor a pistão refrigerado a líquido ou a ar possui um arrasto de fluxo de resfriamento que um motor elétrico simplesmente não gera, e isso deve ser capturado no mesmo teste que o restante do orçamento de arrasto da estrutura.
Interação da esteira da hélice com a cauda , já que um layout propulsor coloca a empenagem diretamente no, ou perto do, fluxo de entrada e da esteira da hélice — um acoplamento que muda com a configuração de potência e o ângulo de ataque.

4. Cinco erros que observamos

Testar a hélice e a estrutura como duas campanhas separadas. Em uma configuração propulsora, o fluxo de entrada da hélice vem da esteira da estrutura, e o fluxo da cauda da estrutura é moldado pela hélice — nenhum dos testes isoladamente captura o acoplamento.
Ignorar a medição da distorção de entrada porque "o fabricante do motor a especifica". As especificações do fabricante pressupõem um fluxo de entrada limpo e sem distorções; a distorção instalada na estrutura é um efeito de instalação que a ficha técnica do motor não pode prever.
Tratar o arrasto de resfriamento como um detalhe secundário da integração do motor. Para um motor a pistão, o fluxo de resfriamento faz parte do orçamento de arrasto da aeronave desde o primeiro dia, e não uma correção aplicada após a conclusão do teste aerodinâmico.
Presumir que a propulsão turboélice e a pistão compartilham um plano de teste. O requisito de recuperação de pressão de entrada de um turboélice e o requisito de fluxo de ar de resfriamento de um motor a pistão são problemas físicos diferentes, com necessidades de instrumentação diferentes.
Não testar em diferentes configurações de potência. A interação da esteira da hélice com a cauda muda com o empuxo, portanto, um teste com uma única configuração de potência não capta como esse acoplamento muda ao longo do perfil real da missão — as potências de subida, cruzeiro e espera (loiter) não são pontos de teste intercambiáveis.

5. O que isso significa para o seu programa

Informe-nos o tipo de motor, a configuração da hélice e o perfil de potência da missão , e nós definiremos o escopo de um teste de integração estrutura-propulsão que capture os efeitos de admissão, exaustão, resfriamento e esteira em conjunto — e não como testes de bancada separados anexados a uma polar de estrutura limpa. Leitura relacionada: nosso artigo principal sobre

long-range fixed-wing UAS testing

Fontes e notas

Propulsão do MQ-1 Predator (motor a pistão turboalimentado de quatro cilindros Rotax 914F com cerca de 115 hp, cilindros refrigerados a ar com cabeçotes refrigerados a água, hélice propulsora de passo constante e duas pás, velocidade de cruzeiro de aproximadamente 84–135 mph a cerca de 25.000 pés para missões de mais de 24 horas): consistente com as especificações do motor publicadas pelo fabricante (Rotax, página do produto "914 UL | F") e com o histórico do programa MQ-1 Predator da General Atomics.
Propulsão do MQ-9A Reaper (turboélice Honeywell TPE331-10 com Controle Eletrônico Digital do Motor, altitude máxima de 50.000 pés, velocidade de cruzeiro de 240 KTAS, autonomia de mais de 27 horas): General Atomics Aeronautical Systems, "MQ-9A Reaper (Predator B)".
A configuração de hélice propulsora montada na traseira nas estruturas do Predator e do Reaper é uma característica documentada do projeto da família Predator/Reaper da General Atomics.
Efeitos de integração hélice-entrada (alterações mensuráveis na distribuição da pressão total e distorção por redemoinho com a hélice ativa) e efeitos de integração de admissão/exaustão na razão sustentação-arrasto e no momento de arfagem são descobertas documentadas na literatura publicada sobre simulação e túnel de vento para integração hélice-entrada e estrutura-propulsão.
A orientação sobre a metodologia de teste (teste combinado hélice-estrutura, medição de distorção de entrada, contabilização do arrasto de resfriamento, teste de esteira em múltiplas configurações de potência) é uma prática de engenharia da TunnelTech.

Integração de Propulsão Turboélice e a Pistão para UAS de Longo Alcance