Испытания турбовинтовых и поршневых установок БПЛА

Выбор силовой установки на аппарате MALE или HALE — совершенно другая дисциплина, чем подбор электромотора и винта. Турбовинтовой или поршневой двигатель на тяжёлом топливе приносит воздухозаборник, выхлоп, систему охлаждения и винт, достаточно крупный, чтобы значимо взаимодействовать с планером, на который он установлен, — и всё это на реальной крейсерской скорости и высоте, а не в режиме малой скорости и низкого числа Рейнольдса, в котором живёт малый электрический БПЛА.

1. Два реальных двигателя, две реальные задачи интеграции

Два флагманских примера этого класса показывают, насколько по-разному может выглядеть «силовая установка» даже в пределах одного семейства аппаратов. Оригинальный MQ-1 Predator приводился в движение одним Rotax 914F — турбированным четырёхцилиндровым четырёхтактным поршневым двигателем мощностью около 115 л.с. , с воздушным охлаждением цилиндров и водяным охлаждением головок, вращающим двухлопастный винт постоянных оборотов толкающей схемы — аппарат крейсировал на скорости примерно 84–135 миль/ч, на высоте около 25 000 футов, более 24 часов подряд.

Его более крупный преемник, MQ-9 Reaper , приводится турбовинтовым двигателем Honeywell TPE331-10 с цифровым электронным управлением двигателем (DEEC) , также вращающим многолопастный винт изменяемого шага толкающей схемы, установленный в хвостовой части . По данным General Atomics, аппарат работает на высоте до 50 000 футов, крейсирует на скорости 240 узлов истинной воздушной скорости и имеет продолжительность полёта свыше 27 часов.

Оба аппарата выбрали одну и ту же базовую архитектуру — толкающий винт , установленный в хвостовой части фюзеляжа, — несмотря на то что один работает на бензине через поршневой двигатель, а другой на керосине через турбовинтовой. Этот архитектурный выбор не второстепенен для программы испытаний в трубе — он для неё центральный.

2. Почему толкающая схема — отдельная испытательная задача

Толкающий винт, установленный позади фюзеляжа, не видит чистого набегающего потока — он засасывает след фюзеляжа и, в зависимости от геометрии, крыла и оперения впереди него. Этот приток уже искажён к моменту, когда достигает диска винта, а сам винт в свою очередь подаёт вперёд собственную закрутку и возмущение давления в поле течения хвоста. Стендовое испытание одного винта или чисто аэродинамическое испытание одного крыла не характеризует ни одну из сторон этого взаимодействия — каждое имеет смысл только при измерении с присутствием другого.

Это отражает более широкую, документированную находку в исследованиях интеграции воздухозаборника винта и силовой установки с планером: присутствие работающего винта измеримо меняет распределение полного давления и вносит закрутку, а эффекты потока на входе и выхлопе на интегрированном с силовой установкой планере могут сдвигать аэродинамическое качество и момент тангажа — эффекты, проявляющиеся только когда силовая установка и планер испытываются вместе, а не порознь.

3. Что реально должно покрывать интеграционное испытание

Полный планер с представительным винтом , а не результат стендового испытания одного винта, наложенный на поляру чистого планера — толкающая схема означает именно то, что эти два элемента не независимы.
Качество потока на входе по всей лётной огибающей. Воздухозаборник турбовинтового двигателя должен обеспечивать приемлемое восстановление давления и уровень искажений на входе в двигатель при крейсере, наборе высоты и любом режиме большого угла атаки из профиля миссии — требование, у которого нет аналога на электромоторе.
Эффекты интеграции выхлопа на сопротивление и момент тангажа , поскольку поток на входе и выходе документированно измеримо сдвигает оба параметра, а миссия класса MALE продаётся крейсерской эффективностью, где малые штрафы по сопротивлению накапливаются за 24+ часа полёта.
Учёт сопротивления охлаждения именно для поршневой силовой установки — жидкостное или воздушное охлаждение поршневого двигателя создаёт сопротивление потока охлаждения, которого электромотор попросту не генерирует, и его нужно фиксировать в том же испытании, что и остальной бюджет сопротивления планера.
Взаимодействие следа винта с хвостом , поскольку толкающая схема ставит оперение прямо в приток или скольжение винта либо рядом с ним — связь, меняющаяся с режимом мощности и углом атаки.

4. Пять ошибок, которые мы видим

Испытание винта и планера как двух отдельных кампаний. На толкающей схеме приток к винту приходит из следа планера, а поток на хвосте формируется винтом — ни одно из испытаний по отдельности не улавливает эту связь.
Пропуск измерения искажения на входе, потому что «производитель двигателя его специфицирует». Спецификации производителя предполагают чистый, неискажённый приток; искажение, вносимое установкой на планер, — эффект монтажа, который спецификация двигателя предсказать не может.
Отношение к сопротивлению охлаждения как к запоздалой поправке при интеграции двигателя. Для поршневой силовой установки поток охлаждения — часть бюджета сопротивления аппарата с первого дня, а не поправка, применяемая после завершения аэродинамического испытания.
Предположение, что турбовинтовая и поршневая силовые установки делят один план испытаний. Требование к восстановлению давления на входе турбовинтового двигателя и требование к потоку охлаждающего воздуха поршневого двигателя — разные физические задачи с разными потребностями в приборах.
Отсутствие испытаний по разным режимам мощности. Взаимодействие скольжения винта с хвостом меняется с тягой, поэтому испытание на одном режиме мощности упускает, как эта связь сдвигается по реальному профилю миссии — набор высоты, крейсер и барражирование не взаимозаменяемые точки испытания.

5. Что это значит для вашей программы

Назовите нам тип двигателя, схему винта и профиль мощности миссии — мы спроектируем испытание интеграции планера и силовой установки, улавливающее эффекты входа, выхлопа, охлаждения и скольжения вместе, а не как отдельные стендовые испытания, приделанные к поляре чистого планера. Смежные материалы: наша хаб-статья про

испытания БПЛА большой дальности

Источники и примечания

Силовая установка MQ-1 Predator (турбированный четырёхцилиндровый поршневой двигатель Rotax 914F мощностью примерно 115 л.с., воздушное охлаждение цилиндров с водяным охлаждением головок, двухлопастный винт постоянных оборотов толкающей схемы, крейсерская скорость примерно 84–135 миль/ч на высоте около 25 000 футов при миссиях 24+ часа): согласовано с опубликованными характеристиками производителя (Rotax, страница продукта «914 UL | F») и историей программы MQ-1 Predator General Atomics.
Силовая установка MQ-9A Reaper (турбовинтовой двигатель Honeywell TPE331-10 с цифровым электронным управлением, максимальная высота 50 000 футов, крейсерская скорость 240 узлов истинной скорости, продолжительность полёта свыше 27 часов): General Atomics Aeronautical Systems, «MQ-9A Reaper (Predator B)».
Установленная в хвосте толкающая схема винта на обоих аппаратах, Predator и Reaper, — документированная особенность конструкции семейства General Atomics Predator/Reaper.
Эффекты интеграции винта и воздухозаборника (измеримые изменения распределения полного давления и закрутки при работающем винте) и эффекты интеграции входа/выхлопа на аэродинамическое качество и момент тангажа — документированные находки в опубликованной литературе по испытаниям в трубе и моделированию интеграции винта, воздухозаборника и силовой установки с планером.
Рекомендации по методике испытаний (совместное испытание винта и планера, измерение искажения на входе, учёт сопротивления охлаждения, испытания скольжения на нескольких режимах мощности) — инженерная практика TunnelTech.

Турбовинтовые и поршневые силовые установки для БПЛА большой дальности