Integrarea propulsiei cu turbopropulsor și motor cu piston pentru UAS cu rază lungă de acțiune
De ce UAS-urile MALE cu turbopropulsor și motor cu piston aduc o problemă de integrare cu care dronele electrice nu se confruntă niciodată, ce arată aeronavele reale și ce trebuie testat.
Decizia privind propulsia unei aeronave MALE sau HALE este o disciplină complet diferită de simpla alegere a unui motor electric și a unei elice. Un turbopropulsor sau un motor cu piston pe combustibil greu aduce cu sine o priză de aer, un eșapament, un sistem de răcire și o elice suficient de mare pentru a interacționa semnificativ cu structura aeronavei pe care este montată — toate acestea la viteză și altitudine reală de croazieră, nu în regimul de viteză redusă și număr Reynolds mic în care operează un UAV electric de mici dimensiuni.
1. Două motoare reale, două probleme reale de integrare
Cele două exemple reprezentative ale acestei clase ilustrează cât de diferit poate fi sensul termenului de „propulsie” chiar și în cadrul aceleiași familii de aeronave. Modelul original MQ-1 Predator era propulsat de un singur Rotax 914F, un motor cu piston turbo, cu patru cilindri și în patru timpi, evaluat la aproximativ 115 CP , răcit cu aer la nivelul cilindrilor și cu apă la nivelul chiulaselor, care antrena o elice propulsivă cu două pale și turație constantă — aeronava zbura în regim de croazieră la aproximativ 84 până la 135 mph, la o altitudine de circa 25.000 de picioare, pentru mult peste 24 de ore fără întrerupere.
Succesorul său mai mare, MQ-9 Reaper , este propulsat de un turbopropulsor Honeywell TPE331-10 cu sistem digital de control electronic al motorului , care antrenează de asemenea o elice propulsivă cu pas variabil, cu mai multe pale, montată în partea din spate . Conform General Atomics, aeronava operează până la 50.000 de picioare, zboară în croazieră la o viteză reală de 240 de noduri și are o autonomie de peste 27 de ore.
Ambele aeronave au adoptat aceeași arhitectură de bază — o elice propulsivă montată în partea din spate a fuzelajului — deși una funcționează cu benzină printr-un motor cu piston, iar cealaltă cu combustibil de aviație printr-un turbopropulsor. Această alegere arhitecturală nu este întâmplătoare pentru un program de testare în tunel aerodinamic; este esențială pentru acesta.
2. De ce configurația propulsivă reprezintă o problemă distinctă de testare
O elice propulsivă montată în spatele fuzelajului nu întâlnește un curent de aer liber și curat — ea absoarbe siajul fuzelajului și, în funcție de geometrie, pe cel al aripii și al ampenajului din fața sa. Acest flux de intrare este deja distorsionat înainte de a ajunge la discul elicei, iar elicea, la rândul ei, transmite propria componentă de rotație (swirl) și perturbație de presiune înainte, în câmpul de curgere al cozii. Un test la banc doar pentru elice, sau un test aerodinamic doar pentru aripă, nu caracterizează nicio parte a acestei interacțiuni — fiecare are sens doar dacă este măsurată în prezența celeilalte.
Acest lucru reflectă o constatare mai amplă și documentată în cercetarea privind integrarea elice-priză de aer și structură-propulsie: prezența elicei modifică măsurabil distribuția presiunii totale și introduce distorsiuni de rotație (swirl), iar efectele curgerii la admisie și eșapament asupra unei structuri cu propulsie integrată pot modifica finețea aerodinamică (raportul portanță-rezistență) și momentul de tangaj — efecte care apar doar atunci când sistemul de propulsie și structura aeronavei sunt testate împreună, nu separat.
3. Ce trebuie să acopere cu adevărat testarea de integrare
- Structura completă a aeronavei în prezența unei elici reprezentative , nu un rezultat obținut pe un stand de tracțiune doar pentru elice, suprapus peste polara unei structuri curate — configurația propulsivă înseamnă în mod specific că cele două nu sunt independente.
- Calitatea curgerii la admisie pe întreaga anvelopă de zbor. Priza de aer a unui turbopropulsor trebuie să asigure niveluri acceptabile de recuperare a presiunii și de distorsiune la fața motorului în condiții de croazieră, urcare și la orice unghi de atac ridicat inclus în profilul misiunii — o cerință care nu are echivalent în cazul unui motor electric.
- Efectele integrării eșapamentului asupra rezistenței la înaintare și a momentului de tangaj , deoarece este documentat faptul că fluxul de admisie și cel de eșapament le modifică măsurabil pe ambele, iar o misiune din clasa MALE se bazează pe eficiența în croazieră, unde micile penalizări de rezistență la înaintare se cumulează pe parcursul zborurilor de peste 24 de ore.
- Calcularea rezistenței la înaintare de răcire, în mod specific pentru un grup motopropulsor cu piston — un motor cu piston răcit cu lichid sau cu aer generează o rezistență la înaintare a fluxului de răcire pe care un motor electric pur și simplu nu o produce, iar aceasta trebuie captată în același test ca și restul bugetului de rezistență la înaintare al structurii.
- Interacțiunea siajului elicei cu coada , deoarece o configurație propulsivă plasează ampenajul direct în, sau în apropierea, fluxului de intrare și a siajului elicei — un cuplaj care se modifică în funcție de setarea puterii și de unghiul de atac.
4. Cinci greșeli pe care le observăm
- Testarea elicei și a structurii aeronavei ca două campanii separate. La o configurație propulsivă, fluxul de intrare al elicei provine din siajul structurii, iar curgerea la nivelul cozii este modelată de elice — niciunul dintre teste, luat separat, nu captează acest cuplaj.
- Omiterea măsurării distorsiunii la admisie pe motiv că „producătorul motorului o specifică”. Specificațiile producătorului presupun un flux de intrare curat, nedistorsionat; distorsiunea apărută după instalarea pe structură este un efect de instalare pe care fișa tehnică a motorului nu îl poate prezice.
- Tratarea rezistenței la înaintare de răcire ca pe un aspect secundar al integrării motorului. Pentru un grup motopropulsor cu piston, fluxul de răcire face parte din bugetul de rezistență la înaintare al aeronavei încă din prima zi, nu este o corecție aplicată după finalizarea testului aerodinamic.
- Presupunerea că propulsia cu turbopropulsor și cea cu piston împart același plan de testare. Cerința de recuperare a presiunii la admisie a unui turbopropulsor și cerința fluxului de aer de răcire a unui motor cu piston sunt probleme fizice diferite, cu nevoi diferite de instrumentație.
- Netestarea la diferite setări de putere. Interacțiunea siajului elicei cu coada se modifică odată cu tracțiunea, astfel încât un test la o singură setare de putere ratează modul în care acest cuplaj variază pe parcursul profilului real al misiunii — puterile pentru urcare, croazieră și așteptare (loiter) nu sunt puncte de testare interschimbabile.
5. Ce înseamnă acest lucru pentru programul dumneavoastră
Comunicați-ne tipul motorului, configurația elicei și profilul de putere al misiunii , iar noi vom defini un test de integrare structură-propulsie care să capteze împreună efectele admisiei, eșapamentului, răcirii și siajului elicei — nu ca teste de banc separate, adăugate ulterior pe polara unei structuri curate. Lectură conexă: articolul nostru principal despre
long-range fixed-wing UAS testing.
Surse și note
- Propulsia MQ-1 Predator (motor cu piston turbo Rotax 914F cu patru cilindri, evaluat la aproximativ 115 CP, cilindri răciți cu aer și chiulase răcite cu apă, elice propulsivă cu două pale și turație constantă, viteză de croazieră de aproximativ 84–135 mph la circa 25.000 ft pentru misiuni de peste 24 de ore): în concordanță cu specificațiile motorului publicate de producător (pagina produsului Rotax, „914 UL | F”) și cu istoricul programului General Atomics MQ-1 Predator.
- Propulsia MQ-9A Reaper (turbopropulsor Honeywell TPE331-10 cu sistem digital de control electronic al motorului, altitudine maximă 50.000 ft, viteză de croazieră 240 KTAS, autonomie de peste 27 de ore): General Atomics Aeronautical Systems, „MQ-9A Reaper (Predator B)”.
- Configurația cu elice propulsivă montată în partea din spate pe ambele structuri Predator și Reaper este o caracteristică documentată a designului familiei General Atomics Predator/Reaper.
- Efectele integrării elice-priză de aer (modificări măsurabile ale distribuției presiunii totale și distorsiuni de rotație (swirl) cu elicea activă) și efectele integrării admisiei/eșapamentului asupra fineței aerodinamice și a momentului de tangaj sunt constatări documentate în literatura publicată privind simulările și testele în tunel aerodinamic pentru integrarea elice-priză de aer și structură-propulsie.
- Îndrumările privind metodologia de testare (testarea combinată elice-structură, măsurarea distorsiunii la admisie, calcularea rezistenței la înaintare de răcire, testarea siajului elicei la setări multiple de putere) reprezintă practica de inginerie a TunnelTech.