Certifikacija za zaledenitev in vse vremenske razmere za velike brezpilotne letalne sisteme s fiksnimi krili

Zaledenitev na majhnem električnem brezpilotnem letalu se običajno rešuje z ogrevanim propelerjem ali ogrevano pitotovo cevjo — ciljna rešitev za majhno komponento z omejeno močjo. Zaledenitev na letalih razreda MALE ali HALE pa je povsem drugačna težava: gre za zahtevo po certifikaciji celotnega letala, ki temelji na standardih in se preizkuša v enakih pogojih zaledenitve, za katere so certificirana potniška letala s posadko, saj pri tej velikosti plovilo leti v enakih vremenskih razmerah.

---

1. Standard za certifikacijo je enak kot pri letalih s posadko

Referenčni objekt za to vrsto testiranja je Nasin vetrovnik Icing Research Tunnel (IRT) v raziskovalnem centru Glenn — eden največjih hlajenih vetrovnikov na svetu, namenjen preučevanju zaledenitve letal, in objekt, ki izrecno posnema standard FAA za certifikacijo zaledenitve iz zveznega letalskega predpisa (Federal Aviation Regulation) Del 25, Dodatek C . Njegove objavljene specifikacije kažejo, kaj dejansko zahteva "certifikacija zaledenitve v naravni velikosti":

• Testni del: višina 6 ft × širina 9 ft × dolžina 20 ft
• Hitrost zraka v testnem delu: 50 do 350 vozlov
• Skupna temperatura v testnem delu: –25 °C do 5 °C
• Vsebnost tekoče vode: 0,2 do 3,0 g/m³ , z enakomernostjo oblaka ±10 %
• Srednji volumski premer kapljic: 15 do 50 µm
• Enakomeren oblak zaledenitve, ki pokriva 4,5 krat 6 ft testnega dela
• Simuliran pretok odvedenega zraka iz motorja do 1 lb/s , za testiranje toplotnih sistemov proti zaledenitvi, ki uporabljajo vroč odvedeni zrak

IRT testira komponente letal v naravni velikosti ter pomanjšane modele letal in helikopterjev, njegov seznam strank — Boeing, Bell Helicopter, Goodrich, Cessna, Sikorsky ter ameriška vojska, mornarica in letalstvo — pa odraža, da gre za infrastrukturo na ravni certifikacije in ne le za raziskovalno posebnost. Novejše Nasine kampanje testiranja zaledenitve so razširile tudi kalibracijsko delo na novejše pogoje Dodatka O za podhlajene velike kapljice (SLD) , ki jih zdaj poleg prvotnega okvira Dodatka C zahtevata tako FAA kot EASA.

---

2. Zakaj se tehnologija zaščite pred zaledenitvijo razlikuje glede na velikost

Tehnologija zaščite pred zaledenitvijo se jasno deli glede na velikost letala, in sicer iz fizikalnega razloga: razpoložljive moči. Elektrotermično ogrevanje — pristop, značilen za majhna brezpilotna letala — je omejeno z jakostjo toka baterije, ki jo lahko zagotovi majhna električna platforma, zato je običajno omejeno na majhne, zelo pomembne komponente, kot sta propeler ali pitotova cev, in ne na celotno krilo.

Veliko letalo razreda MALE ali HALE na gorivo ima povsem drugačen proračun moči, kar omogoča toplotno zaščito pred zaledenitvijo z uporabo odvedenega zraka iz motorja , ki je speljan do napadnega roba krila skozi pikolo cev — enaka osnovna arhitektura, kot jo že desetletja uporabljajo transportna letala s posadko, in ki letalu prihrani nošenje zmogljivosti za proizvodnjo električne energije, ki bi jo zahteval popolnoma električni sistem zaščite pred zaledenitvijo. Dokumentirani primeri pri tej velikosti vključujejo RQ-4 Global Hawk , katerega sistem proti zaledenitvi pokrova motorja črpa toploto, pridobljeno iz hidravličnega sistema letala, in ne iz odvedenega zraka — opomnik, da je "toplotno zaščito" na velikem brezpilotnem letalnem sistemu mogoče zasnovati iz več kot enega vira toplote na krovu, prava izbira pa je odvisna od specifične sistemske arhitekture letala.

---

3. Kaj mora zajemati kampanja testiranja zaledenitve za velika letala s fiksnimi krili

• Testiranje v dejanskem certifikacijskem okviru , ne v poljubnih hladnih in mokrih pogojih — vsebnost tekoče vode, velikost kapljic in temperaturne kombinacije iz Dodatka C so natančno določene, ker različne kombinacije ustvarjajo različne oblike ledu in različna poslabšanja aerodinamičnih lastnosti.
• Pogoji podhlajenih velikih kapljic iz Dodatka O poleg Dodatka C , saj zaledenitev SLD povzroči nabiranje ledu bolj zadaj na aeroprofilu kot klasična zaledenitev iz Dodatka C, na mestu, ki ga sistemi zaščite pred zaledenitvijo, zasnovani samo za Dodatek C, morda ne pokrivajo.
• Celoten toplotni sistem, ne le ogrevana površina — za sistem z odvedenim zrakom to pomeni testiranje kanalov, distribucije preko pikolo cevi in dovajanja toplote pod simuliranim pretokom motorja, ne le merjenje odpadanja ledu z izolirane ogrevane plošče.
• Aerodinamične zmogljivosti s pritrjenimi realističnimi oblikami ledu , saj gre pri certifikaciji navsezadnje za letalne lastnosti letala z ledom, za katerega je zaščitni sistem zasnovan — ne le za to, ali zaščitni sistem v najboljšem primeru preprečuje nastanek ledu.
• Komponente v naravni velikosti, kjer to zahteva certifikacijska osnova — dokumentirana zmogljivost IRT za testiranje komponent letal v naravni velikosti obstaja prav zato, ker se fizika nabiranja ledu na nekaterih komponentah ne prenaša enostavno na majhen model.

---

4. Pet napak, ki jih opažamo

• Obravnavanje zaščite pred zaledenitvijo kot elektrotermičnega problema na ravni komponent pri kateri koli velikosti letala. Kar deluje za propeler majhnega brezpilotnega letala, se ne da prenesti na krilo letala MALE/HALE — proračun moči in certifikacijska osnova sta različna.
• Testiranje samo po Dodatku C in predpostavka, da to zajema "zaledenitev". Pogoji podhlajenih velikih kapljic iz Dodatka O so zdaj ločen, obvezen del certifikacijske osnove za številne programe in povzročajo zaledenitev na drugem delu aeroprofila.
• Validacija vira toplote brez validacije sistema za distribucijo. Distribucija preko pikolo cevi in izgube v kanalih pri sistemu z odvedenim zrakom so enako pomembne kot razpoložljiva surova toplota — sistem, ki deluje na papirju, lahko na konici krila ne zagotovi dovolj toplote.
• Merjenje preprečevanja zaledenitve brez merjenja poslabšanja aerodinamičnih lastnosti. Certifikacija ne pomeni le "ali nastaja led" — pomeni "kako letalo leti z oblikami ledu, za katere je zaščitni sistem validiran."
• Predpostavka, da pomanjšan model zajame vse, kar bi komponenta v naravni velikosti. Fizika nabiranja ledu je eno od področij, kjer so učinki merila najmanj prizanesljivi, in prav zato vetrovniki za zaledenitev na ravni certifikacije neposredno testirajo komponente v naravni velikosti.

---

5. Kaj to pomeni za vaš program

Zaupajte nam svojo certifikacijsko osnovo in arhitekturo zaščite pred zaledenitvijo , mi pa bomo zasnovali program testiranja glede na dejanski okvir Dodatka C in Dodatka O, za katerega se mora vaše letalo certificirati — in ne le splošnega preverjanja v hladnem vremenu. Sorodno branje: naš osrednji članek o

long-range fixed-wing UAS testing

.

---

Viri in opombe

• Značilnosti objekta NASA Icing Research Tunnel (testni del 6 ft × 9 ft × 20 ft, hitrost zraka 50–350 vozlov, skupna temperatura –25 °C do 5 °C, vsebnost tekoče vode 0,2–3,0 g/m³ z ±10 % enakomernostjo oblaka, srednji volumski premer kapljic (MVD) 15–50 µm, enakomeren oblak zaledenitve 4,5 krat 6 ft, simuliran pretok odvedenega zraka iz motorja do 1 lb/s, posnemanje standardov FAA FAR Del 25 Dodatek C za certifikacijo zaledenitve, testiranje komponent letal v naravni velikosti in pomanjšanih modelov letal ter helikopterjev, in njegova baza strank, ki vključuje Boeing, Bell Helicopter, Goodrich, Cessna, Sikorsky in ameriške vojaške službe): NASA Glenn Research Center / NASA Aeronautics Test Program, informativni list "Icing Research Tunnel".
• Razširitev kalibracijskega dela IRT na pogoje podhlajenih velikih kapljic (SLD) iz Dodatka O agencij FAA/EASA v novejših Nasinih testnih kampanjah je dokumentirana v kasnejših publikacijah raziskav zaledenitve NASA Glenn na strežniku NASA Technical Reports Server.
• Elektrotermična zaščita pred zaledenitvijo kot tipičen pristop za majhne komponente brezpilotnih letal z omejeno močjo v primerjavi s toplotno zaščito proti zaledenitvi z odvedenim zrakom preko pikolo cevi kot pristopom, primernim za velika letala HALE na gorivo, ter sistem proti zaledenitvi pokrova motorja letala RQ-4 Global Hawk, ki črpa toploto iz hidravličnega sistema letala: skladno z objavljeno literaturo o sistemih zaščite letal pred zaledenitvijo.
• Ozadje letala za RQ-4B Global Hawk (razred HALE): skladno z našim objavljenim člankom o testiranju brezpilotnih letalnih sistemov dolgega dosega s fiksnimi krili (MALE, HALE in VTOL).
• Smernice za metodologijo testiranja (testiranje celotnega okvira Dodatka C in Dodatka O, toplotna validacija celotnega sistema, merjenje poslabšanja aerodinamičnih lastnosti s pritrjenimi oblikami ledu, testiranje komponent v naravni velikosti) so inženirska praksa podjetja TunnelTech, ki se neposredno odziva na zgoraj dokumentirane značilnosti objektov na ravni certifikacije.