Testarea de certificare la givraj pentru UAS cu aripă fixă de mari dimensiuni

Givrajul la un UAV electric de mici dimensiuni este de obicei rezolvat cu o elice încălzită sau un tub Pitot încălzit — o soluție țintită pentru o componentă mică, cu constrângeri de putere. Givrajul la o aeronavă MALE sau HALE reprezintă o cu totul altă categorie de problemă: este o cerință de certificare la nivelul întregii aeronave, bazată pe standarde, testată în raport cu aceeași anvelopă de givraj pentru care sunt certificate aeronavele de transport cu echipaj uman, deoarece la această scară vehiculul zboară în aceleași condiții meteorologice.

1. Standardul de certificare este același cu cel utilizat de aeronavele cu echipaj uman

Instalația de referință pentru această clasă de testare este Icing Research Tunnel (IRT) al NASA de la Glenn Research Center — unul dintre cele mai mari tuneluri aerodinamice refrigerate din lume dedicate givrajului aeronavelor și o instalație care reproduce în mod explicit standardul de certificare la givraj al FAA din Federal Aviation Regulation Partea 25, Anexa C . Caracteristicile sale publicate arată ce necesită cu adevărat „certificarea la givraj la scară reală”:

Secțiune de test de 6 ft înălțime × 9 ft lățime × 20 ft lungime
Viteza aerului în secțiunea de test între 50 și 350 knots
Temperatura totală în secțiunea de test între –25°C și 5°C
Conținut de apă lichidă de 0,2 până la 3,0 g/m³ , cu uniformitatea norului menținută la ±10%
Diametrul median volumic al picăturilor de 15 până la 50 µm
Un nor de givraj uniform care acoperă 4,5 pe 6 ft din secțiunea de test
Debit simulat de aer prelevat de la motor de până la 1 lb/s , pentru testarea sistemelor termice anti-givraj care utilizează aer cald prelevat

IRT testează componente de aeronave la scară reală, precum și modele la scară ale avioanelor și elicopterelor, iar lista sa de clienți — Boeing, Bell Helicopter, Goodrich, Cessna, Sikorsky, plus Armata, Marina și Forțele Aeriene ale SUA — reflectă faptul că aceasta este o infrastructură de nivel de certificare, nu o curiozitate de cercetare. Campaniile mai recente de testare la givraj ale NASA au extins, de asemenea, activitatea de calibrare către noile condiții cu picături mari suprarăcite (SLD) din Anexa O , pe care atât FAA, cât și EASA le solicită acum alături de anvelopa originală din Anexa C.

2. De ce tehnologia de protecție la givraj diferă în funcție de scară

Tehnologia de protecție la givraj se împarte clar în funcție de scara aeronavei și se împarte dintr-un motiv fizic: puterea disponibilă. Încălzirea electrotermică — abordarea tipică pentru UAV-urile de mici dimensiuni — este limitată de amperajul bateriei pe care o platformă electrică mică îl poate furniza, motiv pentru care este de obicei limitată la componente mici, de mare importanță, cum ar fi o elice sau un tub Pitot, mai degrabă decât la o aripă întreagă.

O aeronavă MALE sau HALE de mari dimensiuni, propulsată cu combustibil, are un buget de putere complet diferit, iar acest lucru deschide calea către anti-givrajul termic utilizând aer prelevat de la motor , direcționat către bordul de atac al aripii printr-un tub piccolo — aceeași arhitectură de bază pe care aeronavele de transport cu echipaj uman o folosesc de decenii și care scutește aeronava de a transporta capacitatea de generare electrică pe care ar necesita-o un sistem de protecție la givraj complet electric. Exemple documentate la această scară includ RQ-4 Global Hawk , al cărui sistem anti-givraj pentru capota motorului atrage căldura extrasă din sistemul hidraulic al aeronavei, mai degrabă decât din aerul prelevat — un memento că „protecția termică” pe un UAS de mari dimensiuni poate fi proiectată pornind de la mai mult de o sursă de căldură de la bord, iar alegerea corectă depinde de arhitectura specifică a sistemelor aeronavei.

3. Ce trebuie să acopere o campanie de testare la givraj pentru o aripă fixă de mari dimensiuni

Testarea în raport cu anvelopa reală de certificare , nu cu o condiție arbitrară de frig și umezeală — conținutul de apă lichidă, dimensiunea picăturilor și combinațiile de temperatură din Anexa C sunt specificate cu precizie deoarece combinații diferite produc forme diferite de gheață și penalități aerodinamice diferite.
Condițiile cu picături mari suprarăcite din Anexa O alături de Anexa C , deoarece givrajul SLD produce acumulare de gheață mai în spate pe profilul aerodinamic decât givrajul clasic din Anexa C, într-o locație pe care sistemele de protecție la givraj proiectate doar pentru Anexa C s-ar putea să nu o acopere.
Întregul sistem termic, nu doar suprafața încălzită — pentru un sistem cu aer prelevat, aceasta înseamnă testarea tubulaturii, a distribuției prin tubul piccolo și a livrării de căldură sub un flux simulat al motorului, nu doar măsurarea gheții desprinse de pe un panou încălzit în mod izolat.
Performanța aerodinamică cu forme realiste de gheață atașate , deoarece certificarea se referă în cele din urmă la calitățile de zbor ale aeronavei cu gheața în jurul căreia este proiectat sistemul de protecție — nu doar dacă sistemul de protecție previne formarea gheții în cel mai bun caz.
Componente la scară reală oriunde baza de certificare le solicită — capacitatea documentată a IRT de a testa componente de aeronave la scară reală există tocmai pentru că fizica acumulării de gheață pe unele componente nu se scalează perfect la un model de mici dimensiuni.

4. Cinci greșeli pe care le observăm

Tratarea protecției la givraj ca pe o problemă electrotermică la nivel de componentă la orice scară a aeronavei. Ceea ce funcționează pentru elicea unui UAV mic nu se extrapolează la o aripă MALE/HALE — bugetul de putere și baza de certificare sunt ambele diferite.
Testarea exclusiv a Anexei C și presupunerea că aceasta acoperă „givrajul”. Condițiile cu picături mari suprarăcite din Anexa O reprezintă acum o parte distinctă și obligatorie a bazei de certificare pentru multe programe și provoacă givraj pe o parte diferită a profilului aerodinamic.
Validarea sursei de căldură fără validarea sistemului de livrare. Distribuția prin tubul piccolo și pierderile de pe tubulatură ale unui sistem cu aer prelevat contează la fel de mult ca și căldura brută disponibilă — un sistem care funcționează pe hârtie poate oferi performanțe sub așteptări la vârful aripii.
Măsurarea prevenirii gheții fără măsurarea penalității aerodinamice. Certificarea nu înseamnă doar „se formează gheață” — înseamnă „cum zboară aeronava cu formele de gheață pentru care este validat sistemul de protecție”.
Presupunerea că un model la scară captează tot ceea ce ar capta o componentă la scară reală. Fizica acumulării de gheață este unul dintre domeniile în care efectele de scară sunt cel mai puțin iertătoare, motiv pentru care tunelurile aerodinamice de givraj de nivel de certificare testează direct componente la scară reală.

5. Ce înseamnă acest lucru pentru programul dumneavoastră

Comunicați-ne baza dumneavoastră de certificare și arhitectura de protecție la givraj , iar noi vom stabili un program de testare în raport cu anvelopa reală din Anexa C și Anexa O pentru care aeronava dumneavoastră trebuie să se certifice — nu o verificare generică pentru vreme rece. Lectură conexă: articolul nostru central despre

long-range fixed-wing UAS testing

Surse și note

Caracteristicile instalației NASA Icing Research Tunnel (secțiune de test de 6 ft × 9 ft × 20 ft, viteza aerului 50–350 knots, temperatura totală –25°C până la 5°C, conținut de apă lichidă 0,2–3,0 g/m³ cu uniformitatea norului de ±10%, MVD al picăturilor 15–50 µm, nor de givraj uniform de 4,5 pe 6 ft, debit simulat de aer prelevat de la motor de până la 1 lb/s, reproducerea standardelor de certificare la givraj FAA FAR Partea 25 Anexa C, testarea componentelor de aeronave la scară reală și a modelelor la scară de avioane și elicoptere, precum și baza sa de clienți incluzând Boeing, Bell Helicopter, Goodrich, Cessna, Sikorsky și serviciile militare ale SUA): NASA Glenn Research Center / NASA Aeronautics Test Program, "Icing Research Tunnel" fact sheet.
Extinderea activității de calibrare IRT la condițiile FAA/EASA din Anexa O cu picături mari suprarăcite (SLD) în campaniile mai recente de testare NASA este documentată în publicațiile ulterioare de cercetare a givrajului de la NASA Glenn pe NASA Technical Reports Server.
Protecția electrotermică la givraj ca abordare tipică pentru componentele UAV mici, cu constrângeri de putere, comparativ cu anti-givrajul termic cu aer prelevat prin tub piccolo ca abordare potrivită pentru aeronavele HALE de mari dimensiuni, propulsate cu combustibil, și sistemul anti-givraj al capotei motorului de pe RQ-4 Global Hawk care atrage căldura din sistemul hidraulic al aeronavei: în concordanță cu literatura publicată privind sistemele de protecție la givraj ale aeronavelor.
Informații de context despre aeronava RQ-4B Global Hawk (clasa HALE): în concordanță cu articolul nostru publicat despre testarea UAS cu aripă fixă cu rază lungă de acțiune (MALE, HALE și VTOL).
Îndrumările privind metodologia de testare (testarea anvelopei complete din Anexa C și Anexa O, validarea termică a întregului sistem, măsurarea penalității aerodinamice cu forme de gheață atașate, testarea componentelor la scară reală) reprezintă practica de inginerie TunnelTech, care răspunde direct caracteristicilor instalației de nivel de certificare documentate mai sus.

Certificarea la givraj și zbor în orice condiții meteo pentru UAS cu aripă fixă de mari dimensiuni