Integracija turbopropelerskega in batnega pogona za UAS dolgega dosega
Zakaj MALE UAS s turbopropelerskimi in batnimi motorji prinašajo problem integracije, s katerim se električni droni nikoli ne srečajo, kaj kažejo prava letala in kaj je treba testirati.
Odločitev o pogonu za letala MALE ali HALE je povsem drugačna disciplina kot izbira elektromotorja in propelerja. Turbopropelerski ali batni motor na težko gorivo prinaša zajem zraka, izpuh, hladilni sistem in propeler, ki je dovolj velik, da pomembno vpliva na zmaj letala, na katerega je nameščen — vse to pri realni potovalni hitrosti in višini, ne pa v režimu nizkih hitrosti in nizkih Reynoldsovih števil, v katerem deluje majhen električni UAV.
1. Dva prava motorja, dva resnična problema integracije
Dva vodilna primera tega razreda ponazarjata, kako različen je lahko pomen besede "pogon" celo znotraj iste družine letal. Prvotni MQ-1 Predator je poganjal en Rotax 914F, turbopolnilni štirivaljni štiritaktni batni motor z močjo približno 115 hp , zračno hlajen na valjih in vodno hlajen na glavah, ki je poganjal dvokraki potisni propeler s konstantnimi vrtljaji — letalo je letelo s potovalno hitrostjo od približno 84 do 135 mph, na višini okoli 25.000 ft, in to več kot 24 ur hkrati.
Njegov večji naslednik, MQ-9 Reaper , poganja turbopropelerski motor Honeywell TPE331-10 z digitalnim elektronskim nadzorom motorja (Digital Electronic Engine Control) , ki prav tako poganja zadaj nameščen večkraki potisni propeler z nastavljivim korakom . Po navedbah podjetja General Atomics letalo deluje na višini do 50.000 ft, leti s pravo potovalno hitrostjo 240 knots in ima vzdržljivost več kot 27 ur.
Obe letali sta izbrali enako osnovno arhitekturo — potisni propeler , nameščen na zadnjem delu trupa — čeprav eno deluje na bencin prek batnega motorja, drugo pa na letalsko gorivo prek turbopropelerskega motorja. Ta arhitekturna izbira za program testiranja v vetrovniku ni naključna; je njegovega osrednjega pomena.
2. Zakaj je potisna konfiguracija specifičen problem pri testiranju
Potisni propeler, nameščen za trupom, ni izpostavljen čistemu prostemu zračnemu toku — zajema sled trupa in, odvisno od geometrije, krila ter repnih površin pred njim. Ta dotočni zrak je popačen, še preden doseže disk propelerja, propeler pa nato vnaša lastno vrtinčenje in tlačne motnje naprej v tokovno polje repa. Testiranje samega propelerja na preizkuševališču ali aerodinamično testiranje samega krila ne okarakterizira nobene strani te interakcije — vsaka od njiju je smiselna le, če se meri ob prisotnosti druge.
To odraža širšo, dokumentirano ugotovitev v raziskavah integracije propelerja in vstopnika ter zmaja in pogona: prisotnost propelerja merljivo spremeni porazdelitev celotnega tlaka in vnese motnje zaradi vrtinčenja, učinki toka na zajemu in izpuhu pri zmaju z integriranim pogonom pa lahko premaknejo razmerje med vzgonom in uporom ter moment propetja — to so učinki, ki se pokažejo šele, ko se pogonski sistem in zmaj letala testirata skupaj, ne ločeno.
3. Kaj mora integracijsko testiranje dejansko zajemati
- Celoten zmaj letala ob prisotnosti reprezentativnega propelerja , ne pa rezultatov testiranja potiska samega propelerja, dodanih na polaro čistega zmaja — potisna konfiguracija specifično pomeni, da ta dva elementa nista neodvisna.
- Kakovost toka na vstopniku skozi celotno ovojnico leta. Zajem zraka pri turbopropelerskem motorju mora zagotavljati sprejemljivo obnovo tlaka in ravni popačenja na čelu motorja med križarjenjem, vzpenjanjem in pri vseh pogojih z visokim napadnim kotom, ki jih vključuje profil misije — zahteva, ki pri elektromotorju nima ekvivalenta.
- Učinke integracije izpuha na upor in moment propetja , saj je dokumentirano, da tok na zajemu in izpuhu merljivo premakne oboje, misije razreda MALE pa temeljijo na učinkovitosti križarjenja, kjer se majhni pribitki upora seštevajo med več kot 24-urnimi poleti.
- Upoštevanje upora hlajenja specifično za batni pogon — tekočinsko ali zračno hlajen batni motor ustvarja upor hladilnega toka, ki ga elektromotor preprosto ne ustvarja, in ga je treba zajeti v istem testu kot preostali proračun upora zmaja letala.
- Interakcijo med sledjo propelerja in repom , saj potisna konfiguracija postavi repne površine neposredno v ali blizu dotoka in sledi propelerja — sklopitev, ki se spreminja z nastavitvijo moči in napadnim kotom.
4. Pet napak, ki jih opažamo
- Testiranje propelerja in zmaja letala kot dve ločeni kampanji. Pri potisni konfiguraciji dotok propelerja prihaja iz sledi zmaja, tok okoli repa zmaja pa oblikuje propeler — noben test sam po sebi ne zajame te sklopitve.
- Izpuščanje meritev popačenja na vstopniku, ker "jih določa proizvajalec motorja." Specifikacije proizvajalca predpostavljajo čist, nepopačen dotok; popačenje zaradi namestitve na zmaj letala je učinek integracije, ki ga tehnični list motorja ne more predvideti.
- Obravnavanje upora hlajenja kot naknadne misli pri integraciji motorja. Pri batnem pogonu je hladilni tok del proračuna upora letala od prvega dne, ne pa popravek, ki se uporabi po končanem aerodinamičnem testiranju.
- Predpostavka, da si turbopropelerski in batni pogon delita isti načrt testiranja. Zahteva po obnovi tlaka na vstopniku pri turbopropelerskem motorju in zahteva po hladilnem zračnem toku pri batnem motorju sta različna fizikalna problema z različnimi potrebami po instrumentaciji.
- Opustitev testiranja pri različnih nastavitvah moči. Interakcija med sledjo propelerja in repom se spreminja s potiskom, zato test pri samo eni nastavitvi moči spregleda, kako se ta sklopitev spreminja skozi dejanski profil misije — moči za vzpenjanje, križarjenje in zadrževanje v zraku niso zamenljive testne točke.
5. Kaj to pomeni za vaš program
Zaupajte nam tip vašega motorja, konfiguracijo propelerja in profil moči misije , mi pa bomo zasnovali integracijski test zmaja in pogona, ki bo hkrati zajel učinke vstopnika, izpuha, hlajenja in sledi propelerja — ne kot ločene teste na preizkuševališču, dodane na polaro čistega zmaja. Sorodno branje: naš osrednji članek o
long-range fixed-wing UAS testing.
Viri in opombe
- Pogon MQ-1 Predator (turbopolnilni štirivaljni batni motor Rotax 914F z močjo približno 115 hp, zračno hlajeni valji z vodno hlajenimi glavami, dvokraki potisni propeler s konstantnimi vrtljaji, potovalna hitrost približno 84–135 mph na višini okoli 25.000 ft za misije, daljše od 24 ur): skladno z objavljenimi specifikacijami motorja proizvajalca (Rotax, produktna stran "914 UL | F") in zgodovino programa General Atomics MQ-1 Predator.
- Pogon MQ-9A Reaper (turbopropelerski motor Honeywell TPE331-10 z digitalnim elektronskim nadzorom motorja, največja višina 50.000 ft, potovalna hitrost 240 KTAS, vzdržljivost več kot 27 ur): General Atomics Aeronautical Systems, "MQ-9A Reaper (Predator B)".
- Zadaj nameščena konfiguracija s potisnim propelerjem na zmajih letal Predator in Reaper je dokumentirana značilnost zasnove družine letal General Atomics Predator/Reaper.
- Učinki integracije propelerja in vstopnika (merljive spremembe v porazdelitvi celotnega tlaka in popačenja zaradi vrtinčenja ob aktivnem propelerju) ter učinki integracije zajema/izpuha na razmerje med vzgonom in uporom ter moment propetja so dokumentirane ugotovitve v objavljeni literaturi o testiranju v vetrovnikih in simulacijah integracije propelerja in vstopnika ter zmaja in pogona.
- Smernice za metodologijo testiranja (kombinirano testiranje propelerja in zmaja letala, merjenje popačenja na vstopniku, upoštevanje upora hlajenja, testiranje sledi propelerja pri različnih nastavitvah moči) so inženirska praksa podjetja TunnelTech.