Ensaios de Propulsão a Pistão e Turbo-hélice para UAS

A decisão de propulsão numa aeronave MALE ou HALE é uma disciplina totalmente diferente da escolha de um motor elétrico e de uma hélice. Um motor turbo-hélice ou a pistão de combustível pesado traz consigo uma admissão de ar, um escape, um sistema de arrefecimento e uma hélice suficientemente grande para interagir de forma significativa com a estrutura onde está montada — tudo isto a uma velocidade e altitude de cruzeiro reais, 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 pode ser o significado de "propulsão", mesmo dentro da mesma família de aeronaves. O MQ-1 Predator original era alimentado por um único Rotax 914F, um motor a pistão turboalimentado de quatro cilindros e quatro tempos com cerca de 115 hp , arrefecido a ar nos cilindros e a água nas cabeças, acionando uma hélice propulsora de passo constante de duas pás — a aeronave voava em cruzeiro a cerca de 84 a 135 mph, a cerca de 25.000 pés, durante mais de 24 horas seguidas.

O seu sucessor de maiores dimensões, o MQ-9 Reaper , é alimentado por um turbo-hélice Honeywell TPE331-10 com Controlo Eletrónico Digital do Motor , acionando também uma hélice propulsora de passo controlável, de várias pás, montada na traseira . De acordo com a General Atomics, a aeronave opera até 50.000 pés, voa em cruzeiro a 240 nós de velocidade verdadeira (KTAS) e tem uma autonomia de mais de 27 horas.

Ambas as aeronaves optaram pela mesma arquitetura básica — uma hélice propulsora montada na traseira da fuselagem — apesar de uma funcionar a gasolina através de um motor a pistão e a outra a combustível de aviação através de um turbo-hélice. Esta escolha arquitetónica não é acidental para um programa de túnel de vento; é central para o mesmo.

2. Por que motivo a configuração propulsora é um problema de ensaio em si mesma

Uma hélice propulsora montada atrás da fuselagem não recebe ar limpo de fluxo livre — 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, introduz o seu próprio redemoinho (swirl) e perturbação de pressão para a frente, no campo de escoamento da cauda. Um ensaio de bancada apenas com a hélice, ou um ensaio aerodinâmico apenas com a asa, não caracteriza nenhum dos lados dessa interação — cada um só faz sentido se for medido na presença do outro.

Isto reflete uma descoberta mais ampla e documentada na investigação de integração hélice-admissão 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 escoamento de admissão e escape numa estrutura com propulsão integrada podem alterar a relação sustentação-arrasto e o momento de picada — efeitos que só surgem quando o sistema de propulsão e a estrutura são ensaiados em conjunto, e não separadamente.

3. O que os ensaios de integração precisam realmente de abranger

A estrutura completa com uma hélice representativa presente , e não um resultado de bancada de tração apenas da hélice sobreposto a uma polar de estrutura limpa — a configuração propulsora significa especificamente que os dois não são independentes.
Qualidade do escoamento de admissão em todo o envelope de voo. A admissão de ar de um turbo-hélice tem de fornecer níveis aceitáveis de recuperação de pressão e distorção à face do motor em cruzeiro, subida e em qualquer condição de elevado ângulo de ataque que o perfil da missão inclua — um requisito sem equivalente num motor elétrico.
Efeitos da integração do escape no arrasto e no momento de picada , uma vez que está documentado que o escoamento de admissão e escape altera significativamente ambos, e uma missão de classe MALE baseia-se na eficiência de cruzeiro, onde pequenas penalizações de arrasto se acumulam ao longo de voos de mais de 24 horas.
Contabilização do arrasto de arrefecimento especificamente para um grupo motopropulsor a pistão — um motor a pistão arrefecido a líquido ou a ar tem um arrasto do escoamento de arrefecimento que um motor elétrico simplesmente não gera, e tem de ser capturado no mesmo ensaio que o restante orçamento de arrasto da estrutura.
Interação da esteira da hélice com a cauda , uma vez que uma configuração propulsora coloca a empenagem diretamente no, ou perto do, fluxo de entrada e da corrente de deslizamento da hélice — um acoplamento que muda com a configuração de potência e o ângulo de ataque.

4. Cinco erros que observamos

Ensaiar a hélice e a estrutura como duas campanhas separadas. Numa configuração propulsora, o fluxo de entrada da hélice provém da esteira da estrutura e o escoamento da cauda da estrutura é moldado pela hélice — nenhum dos ensaios, por si só, captura o acoplamento.
Ignorar a medição da distorção da admissão porque "o fabricante do motor a especifica". As especificações do fabricante assumem um fluxo de entrada limpo e sem distorção; a distorção instalada na estrutura é um efeito de instalação que a ficha técnica do motor não consegue prever.
Tratar o arrasto de arrefecimento como uma reflexão tardia da integração do motor. Para um grupo motopropulsor a pistão, o escoamento de arrefecimento faz parte do orçamento de arrasto da aeronave desde o primeiro dia, e não uma correção aplicada após a conclusão do ensaio aerodinâmico.
Assumir que a propulsão turbo-hélice e a pistão partilham um plano de ensaio. O requisito de recuperação de pressão da admissão de um turbo-hélice e o requisito de caudal de ar de arrefecimento de um motor a pistão são problemas físicos diferentes com necessidades de instrumentação distintas.
Não ensaiar em diferentes configurações de potência. A interação da corrente de deslizamento da hélice com a cauda muda com a tração, pelo que um ensaio com uma única configuração de potência não capta a forma como esse acoplamento se altera ao longo do perfil real da missão — as potências de subida, cruzeiro e espera não são pontos de ensaio intercambiáveis.

5. O que isto significa para o seu programa

Indique-nos o seu tipo de motor, configuração da hélice e perfil de potência da missão , e definiremos o âmbito de um ensaio de integração estrutura-propulsão que capture os efeitos de admissão, escape, arrefecimento e corrente de deslizamento em conjunto — e não como ensaios de bancada separados anexados a uma polar de estrutura limpa. Leitura relacionada: o nosso artigo central 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 arrefecidos a ar com cabeças arrefecidas a água, hélice propulsora de passo constante de 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 (turbo-hélice Honeywell TPE331-10 com Controlo Eletrónico Digital do Motor, altitude máxima de 50.000 pés, velocidade de cruzeiro de 240 KTAS, autonomia superior a 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 design da família Predator/Reaper da General Atomics.
Os efeitos de integração hélice-admissão (alterações mensuráveis na distribuição da pressão total e distorção por redemoinho com a hélice ativa) e os efeitos de integração de admissão/escape na relação sustentação-arrasto e no momento de picada são descobertas documentadas na literatura publicada sobre simulação e túnel de vento de integração hélice-admissão e estrutura-propulsão.
A orientação metodológica de ensaio (ensaio combinado hélice-estrutura, medição da distorção da admissão, contabilização do arrasto de arrefecimento, ensaio de corrente de deslizamento com múltiplas configurações de potência) é uma prática de engenharia da TunnelTech.

Integração de Propulsão a Pistão e Turbo-hélice para UAS de Longo Alcance