Сертификационные испытания на обледенение для больших БАС самолетного типа

Проблема обледенения на небольших электрических БПЛА обычно решается с помощью обогреваемого винта или обогреваемой трубки Пито — это точечное решение для небольшого компонента в условиях ограниченной мощности. Обледенение на аппаратах класса MALE или HALE — это проблема совершенно иного порядка: это требование сертификации всего воздушного судна на основе стандартов, которое испытывается в тех же условиях обледенения, что и пилотируемые транспортные самолеты, поскольку при таких размерах аппарат летает в тех же погодных условиях.

1. Стандарт сертификации такой же, как и для пилотируемых воздушных судов

Эталонным комплексом для данного класса испытаний является Icing Research Tunnel (IRT) НАСА в Исследовательском центре Гленна — одна из крупнейших в мире охлаждаемых аэродинамических труб, предназначенных для изучения обледенения воздушных судов, и установка, которая в точности воспроизводит стандарт сертификации FAA по обледенению, изложенный в Федеральных авиационных правилах (FAR), Часть 25, Приложение C . Ее опубликованные характеристики показывают, что на самом деле требует «полномасштабная сертификация в условиях обледенения»:

Испытательная секция: 6 футов в высоту × 9 футов в ширину × 20 футов в длину
Скорость воздуха в испытательной секции: от 50 до 350 knots
Полная температура в испытательной секции: от –25°C до 5°C
Водность: от 0,2 до 3,0 g/m³ , при этом однородность облака поддерживается на уровне ±10%
Медианный объемный диаметр капель: от 15 до 50 µm
Однородное облако обледенения, покрывающее 4,5 на 6 футов испытательной секции
Имитация расхода отбираемого от двигателя воздуха до 1 lb/s для испытаний тепловых противообледенительных систем, использующих горячий отбираемый воздух

В IRT испытываются полноразмерные компоненты воздушных судов, а также масштабные модели самолетов и вертолетов, и список ее клиентов — Boeing, Bell Helicopter, Goodrich, Cessna, Sikorsky, а также Армия, ВМС и ВВС США — отражает тот факт, что это инфраструктура сертификационного уровня, а не просто исследовательская диковинка. Более поздние кампании НАСА по испытаниям на обледенение также расширили работы по калибровке в направлении новых условий Приложения O для переохлажденных крупных капель (SLD) , которые теперь требуются FAA и EASA наряду с первоначальным диапазоном Приложения C.

2. Почему технология защиты от обледенения различается в зависимости от масштаба

Технологии защиты от обледенения четко разделяются в зависимости от масштаба воздушного судна, и это происходит по физической причине: доступная мощность. Электротермический обогрев — подход, типичный для небольших БПЛА, — ограничен силой тока батареи, которую может обеспечить небольшая электрическая платформа, поэтому он обычно применяется для небольших, критически важных компонентов, таких как винт или приемник воздушного давления (трубка Пито), а не для всего крыла.

Большой аппарат класса MALE или HALE, работающий на топливе, имеет совершенно иной энергетический бюджет, что открывает возможности для тепловой противообледенительной защиты с использованием отбираемого от двигателя воздуха , который подается к передней кромке крыла через трубку Пикколо — это та же базовая архитектура, которую пилотируемые транспортные самолеты используют десятилетиями, и которая избавляет воздушное судно от необходимости нести мощности по выработке электроэнергии, требуемые для полностью электрической системы защиты от обледенения. Задокументированные примеры в этом масштабе включают RQ-4 Global Hawk , чья противообледенительная система капота двигателя использует тепло, отбираемое от гидравлической системы самолета, а не отбираемый воздух — это напоминание о том, что «тепловая защита» на больших БАС может быть спроектирована с использованием более чем одного бортового источника тепла, и правильный выбор зависит от конкретной архитектуры систем воздушного судна.

3. Что должна охватывать кампания по испытаниям на обледенение больших БАС самолетного типа

Испытания в реальном сертификационном диапазоне , а не в произвольных холодных и влажных условиях — комбинации водности, размера капель и температуры по Приложению C указаны точно, поскольку разные комбинации создают разные формы льда и разные аэродинамические потери.
Условия переохлажденных крупных капель по Приложению O наряду с Приложением C , поскольку обледенение SLD приводит к нарастанию льда дальше к задней части профиля крыла, чем классическое обледенение по Приложению C, в тех местах, которые системы защиты от обледенения, разработанные только для Приложения C, могут не покрывать.
Вся тепловая система, а не только обогреваемая поверхность — для системы с отбираемым воздухом это означает испытание системы воздуховодов, распределения через трубку Пикколо и подачи тепла при имитации потока от двигателя, а не просто изолированное измерение сброса льда с обогреваемой панели.
Аэродинамические характеристики с прикрепленными реалистичными формами льда , поскольку сертификация в конечном итоге касается летных качеств воздушного судна со льдом, на который рассчитана система защиты, а не только того, предотвращает ли система защиты образование льда в лучшем случае.
Полноразмерные компоненты везде, где этого требует сертификационный базис — задокументированная способность IRT испытывать полноразмерные компоненты воздушных судов существует именно потому, что физика нарастания льда на некоторых компонентах не масштабируется корректно на небольшую модель.

4. Пять ошибок, которые мы наблюдаем

Отношение к защите от обледенения как к электротермической проблеме на уровне компонентов при любом масштабе воздушного судна. То, что работает для винта небольшого БПЛА, не экстраполируется на крыло аппарата MALE/HALE — энергетический бюджет и сертификационный базис у них разные.
Испытания только по Приложению C и предположение, что это охватывает «обледенение». Условия переохлажденных крупных капель по Приложению O теперь являются отдельной, обязательной частью сертификационного базиса для многих программ, и они вызывают обледенение другой части профиля крыла.
Валидация источника тепла без валидации системы подачи. Распределение через трубку Пикколо и потери в воздуховодах системы отбираемого воздуха имеют такое же значение, как и исходное доступное тепло — система, которая работает на бумаге, может не обеспечивать достаточную подачу на законцовке крыла.
Измерение предотвращения обледенения без измерения аэродинамических потерь. Сертификация — это не просто ответ на вопрос «образуется ли лед», это ответ на вопрос «как летит воздушное судно с формами льда, для которых валидирована система защиты».
Предположение, что масштабная модель отражает все то же самое, что и полноразмерный компонент. Физика нарастания льда — одна из тех областей, где масштабные эффекты наименее предсказуемы, именно поэтому в аэродинамических трубах сертификационного уровня для испытаний на обледенение полноразмерные компоненты испытываются напрямую.

5. Что это означает для вашей программы

Сообщите нам ваш сертификационный базис и архитектуру защиты от обледенения , и мы разработаем программу испытаний в соответствии с реальными диапазонами Приложения C и Приложения O, по которым должно быть сертифицировано ваше воздушное судно, а не просто общую проверку в условиях холодной погоды. Дополнительная информация: наша обзорная статья о

long-range fixed-wing UAS testing

Источники и примечания

Характеристики комплекса NASA Icing Research Tunnel (испытательная секция 6 × 9 × 20 футов, скорость воздуха 50–350 knots, полная температура от –25°C до 5°C, водность 0,2–3,0 g/m³ с однородностью облака ±10%, MVD капель 15–50 µm, однородное облако обледенения 4,5 на 6 футов, имитация расхода отбираемого от двигателя воздуха до 1 lb/s, воспроизведение стандартов сертификации по обледенению FAA FAR Part 25 Appendix C, испытания полноразмерных компонентов воздушных судов и масштабных моделей самолетов и вертолетов, а также клиентская база, включающая Boeing, Bell Helicopter, Goodrich, Cessna, Sikorsky и военные ведомства США): NASA Glenn Research Center / NASA Aeronautics Test Program, информационный бюллетень "Icing Research Tunnel".
Расширение работ по калибровке IRT на условия переохлажденных крупных капель (SLD) по Приложению O FAA/EASA в более поздних кампаниях испытаний НАСА задокументировано в последующих публикациях исследований обледенения Исследовательского центра Гленна на сервере технических отчетов НАСА.
Электротермическая защита от обледенения как типичный подход для небольших компонентов БПЛА с ограниченной мощностью в сравнении с тепловой противообледенительной системой с отбираемым воздухом через трубку Пикколо как подходом, подходящим для больших аппаратов HALE, работающих на топливе, и противообледенительная система капота двигателя RQ-4 Global Hawk, отбирающая тепло от гидравлической системы самолета: соответствует опубликованной литературе по системам защиты воздушных судов от обледенения.
Справочная информация по самолету RQ-4B Global Hawk (класс HALE): соответствует нашей опубликованной статье об испытаниях БАС самолетного типа большой дальности (MALE, HALE и VTOL).
Руководство по методологии испытаний (испытания в полном диапазоне Приложения C и Приложения O, тепловая валидация всей системы, измерение аэродинамических потерь с прикрепленными формами льда, испытания полноразмерных компонентов) является инженерной практикой TunnelTech, напрямую отвечающей характеристикам комплекса сертификационного уровня, задокументированным выше.

Сертификация больших БАС самолетного типа на всепогодность и обледенение