Integrácia turbovrtuľového a piestového pohonu pre UAS s dlhým doletom
Prečo turbovrtuľové a piestové UAS kategórie MALE prinášajú problém s integráciou, ktorému elektrické drony nikdy nečelia, čo ukazujú skutočné lietadlá a na čo sa zamerať pri testovaní.
Rozhodnutie o pohone pre lietadlá kategórie MALE alebo HALE je úplne iná disciplína ako výber elektromotora a vrtule. Turbovrtuľový alebo piestový motor na ťažké palivo prináša nasávanie vzduchu, výfuk, chladiaci systém a vrtuľu dostatočne veľkú na to, aby významne interagovala s drakom lietadla, na ktorom je namontovaná — to všetko pri skutočnej cestovnej rýchlosti a výške, nie v režime nízkych rýchlostí a nízkych Reynoldsových čísel, v ktorom fungujú malé elektrické UAV.
1. Dva skutočné motory, dva skutočné problémy s integráciou
Dva vlajkové príklady tejto triedy ilustrujú, aký odlišný význam môže mať slovo „pohon“ dokonca aj v rámci rovnakej rodiny lietadiel. Pôvodný MQ-1 Predator bol poháňaný jedným motorom Rotax 914F, preplňovaným štvorvalcovým štvortaktným piestovým motorom s výkonom približne 115 koní , chladeným vzduchom na valcoch a vodou na hlavách, ktorý poháňal dvojlistovú tlačnú vrtuľu s konštantnými otáčkami — lietadlo sa pohybovalo cestovnou rýchlosťou zhruba 84 až 135 mph, vo výške približne 25 000 stôp, po dobu viac ako 24 hodín v kuse.
Jeho väčší nástupca, MQ-9 Reaper , je poháňaný turbovrtuľovým motorom Honeywell TPE331-10 s digitálnym elektronickým riadením motora , ktorý taktiež poháňa vzadu namontovanú viaclistovú tlačnú vrtuľu s nastaviteľným uhlom nábehu . Podľa spoločnosti General Atomics lietadlo operuje vo výškach do 50 000 stôp, dosahuje skutočnú cestovnú rýchlosť 240 uzlov a má výdrž viac ako 27 hodín.
Obe lietadlá zvolili rovnakú základnú architektúru — tlačnú vrtuľu namontovanú v zadnej časti trupu — napriek tomu, že jedno funguje na benzín prostredníctvom piestového motora a druhé na letecké palivo prostredníctvom turbovrtuľového motora. Táto architektonická voľba nie je pre program testovania v aerodynamickom tuneli náhodná; je preň kľúčová.
2. Prečo je tlačná konfigurácia samostatným problémom pri testovaní
Tlačná vrtuľa namontovaná za trupom nie je vystavená čistému voľnému prúdu vzduchu — nasáva úplav trupu a v závislosti od geometrie aj krídla a chvostových plôch pred ňou. Tento pritekajúci prúd je skreslený ešte predtým, ako dosiahne disk vrtule, a vrtuľa následne vnáša vlastné vírenie a tlakové poruchy dopredu do prúdového poľa chvostových plôch. Samostatný test vrtule na skúšobnom stave alebo samostatný aerodynamický test krídla necharakterizuje ani jednu stranu tejto interakcie — každé z týchto meraní má zmysel len vtedy, ak je prítomné aj to druhé.
To odráža širšie, zdokumentované zistenie vo výskume integrácie vstupu k vrtuli a pohonu s drakom lietadla: prítomnosť vrtule merateľne mení celkové rozloženie tlaku a vnáša skreslenie v dôsledku vírenia, pričom účinky prúdenia v nasávaní a výfuku na drak s integrovaným pohonom môžu posunúť kĺzavosť a klopivý moment — ide o efekty, ktoré sa prejavia až vtedy, keď sa pohonný systém a drak lietadla testujú spoločne, nie oddelene.
3. Čo musí v skutočnosti zahŕňať integračné testovanie
- Kompletný drak lietadla s prítomnou reprezentatívnou vrtuľou , nie len výsledok ťahu samostatnej vrtule aplikovaný na poláru čistého draku — tlačná konfigurácia špecificky znamená, že tieto dva prvky nie sú nezávislé.
- Kvalita prúdenia na vstupe naprieč celou letovou obálkou. Nasávanie vzduchu turbovrtuľového motora musí zabezpečiť prijateľnú obnovu tlaku a úroveň skreslenia na vstupe do motora pri cestovnom lete, stúpaní a akomkoľvek stave s vysokým uhlom nábehu, ktorý profil misie zahŕňa — čo je požiadavka, ktorá pri elektromotore nemá obdobu.
- Účinky integrácie výfuku na odpor a klopivý moment , keďže je dokázané, že prúdenie v nasávaní a výfuku merateľne mení oba tieto parametre, a misia triedy MALE je založená na efektivite cestovného letu, kde sa malé straty v dôsledku odporu počas viac ako 24-hodinových letov kumulujú.
- Zohľadnenie odporu chladenia špecificky pre piestovú pohonnú jednotku — kvapalinou alebo vzduchom chladený piestový motor vytvára odpor chladiaceho prúdu, ktorý elektromotor jednoducho negeneruje, a tento odpor musí byť zachytený v rovnakom teste ako zvyšok rozpočtu odporu draku lietadla.
- Interakcia úplavu vrtule s chvostovými plochami , keďže tlačná konfigurácia umiestňuje chvostové plochy priamo do pritekajúceho prúdu a prúdu za vrtuľou, alebo do ich blízkosti — ide o väzbu, ktorá sa mení v závislosti od nastavenia výkonu a uhla nábehu.
4. Päť chýb, s ktorými sa stretávame
- Testovanie vrtule a draku lietadla ako dvoch samostatných kampaní. Pri tlačnej konfigurácii pochádza pritekajúci prúd do vrtule z úplavu draku a prúdenie okolo chvostových plôch draku je formované vrtuľou — ani jeden test samostatne túto väzbu nezachytí.
- Vynechanie merania skreslenia na vstupe, pretože „to uvádza výrobca motora v špecifikáciách.“ Špecifikácie výrobcu predpokladajú čistý, neskreslený pritekajúci prúd; skreslenie spôsobené inštaláciou do draku lietadla je inštalačný efekt, ktorý technický list motora nedokáže predpovedať.
- Považovanie odporu chladenia za dodatočný problém integrácie motora. V prípade piestovej pohonnej jednotky je chladiaci prúd súčasťou rozpočtu odporu lietadla od prvého dňa, nie korekciou aplikovanou po dokončení aerodynamického testu.
- Predpoklad, že turbovrtuľový a piestový pohon zdieľajú rovnaký plán testovania. Požiadavka na obnovu tlaku na vstupe turbovrtuľového motora a požiadavka na chladiaci prúd vzduchu piestového motora sú odlišné fyzikálne problémy s odlišnými potrebami na meraciu techniku.
- Netestovanie pri rôznych nastaveniach výkonu. Interakcia prúdu za vrtuľou s chvostovými plochami sa mení v závislosti od ťahu, takže test pri jedinom nastavení výkonu nezachytí, ako sa táto väzba mení naprieč skutočným profilom misie — výkon pri stúpaní, cestovnom lete a vyčkávaní nie sú zameniteľné testovacie body.
5. Čo to znamená pre váš program
Povedzte nám typ vášho motora, konfiguráciu vrtule a výkonový profil misie a my navrhneme test integrácie draku a pohonu, ktorý spoločne zachytí účinky nasávania, výfuku, chladenia a prúdu za vrtuľou — nie ako samostatné testy na skúšobnom stave pridané k poláre čistého draku. Súvisiace čítanie: náš hlavný článok o
long-range fixed-wing UAS testing.
Zdroje a poznámky
- Pohon MQ-1 Predator (preplňovaný štvorvalcový piestový motor Rotax 914F s výkonom približne 115 koní, vzduchom chladené valce s vodou chladenými hlavami, dvojlistová tlačná vrtuľa s konštantnými otáčkami, cestovná rýchlosť približne 84 – 135 mph vo výške zhruba 25 000 stôp pre misie trvajúce viac ako 24 hodín): v súlade so zverejnenými špecifikáciami motora od výrobcu (produktová stránka Rotax, „914 UL | F“) a históriou programu General Atomics MQ-1 Predator.
- Pohon MQ-9A Reaper (turbovrtuľový motor Honeywell TPE331-10 s digitálnym elektronickým riadením motora, maximálna výška 50 000 stôp, cestovná rýchlosť 240 KTAS, výdrž viac ako 27 hodín): General Atomics Aeronautical Systems, „MQ-9A Reaper (Predator B)“.
- Vzadu namontovaná konfigurácia s tlačnou vrtuľou na drakoch Predator aj Reaper je zdokumentovanou vlastnosťou dizajnu rodiny General Atomics Predator/Reaper.
- Účinky integrácie vrtule a vstupu (merateľné zmeny v celkovom rozložení tlaku a skreslenie vírením pri aktívnej vrtuli) a účinky integrácie nasávania/výfuku na kĺzavosť a klopivý moment sú zdokumentované zistenia v publikovanej literatúre o testovaní v aerodynamickom tuneli a simuláciách integrácie vstupu k vrtuli a pohonu s drakom lietadla.
- Usmernenia k metodike testovania (kombinované testovanie vrtule a draku, meranie skreslenia na vstupe, zohľadnenie odporu chladenia, testovanie prúdu za vrtuľou pri viacerých nastaveniach výkonu) predstavujú inžiniersku prax spoločnosti TunnelTech.