Интеграција турбоелисних и клипних погонских система за беспилотне летелице (UAS) дугог домета
Зашто MALE беспилотне летелице са турбоелисним и клипним моторима доносе проблем интеграције са којим се електрични дронови никада не суочавају, шта показују реалне летелице и шта треба тестирати.
Одлука о погону за MALE или HALE летелице је потпуно другачија дисциплина од избора електромотора и елисе. Турбоелисни или клипни мотор на тешко гориво доноси уводник ваздуха, издувни систем, систем хлађења и елису довољно велику да значајно интерагује са структуром летелице на коју је монтирана — све то при реалној брзини крстарења и висини, а не у режиму малих брзина и ниских Рејнолдсових бројева у којем функционишу мале електричне беспилотне летелице (UAV).
1. Два реална мотора, два реална проблема интеграције
Два водећа примера ове класе илуструју колико различито „погон“ може да значи чак и унутар исте породице летелица. Оригинални MQ-1 Predator покретао је један Rotax 914F, четвороцилиндрични, четворотактни клипни мотор са турбопуњачем снаге око 115 hp , са ваздушним хлађењем цилиндара и воденим хлађењем глава, који је покретао двокраку потисну елису константне брзине — летелица је крстарила брзином од отприлике 84 до 135 mph, на око 25.000 стопа, знатно дуже од 24 сата у континуитету.
Његов већи наследник, MQ-9 Reaper , покреће турбоелисни мотор Honeywell TPE331-10 са дигиталном електронском контролом мотора , који такође покреће потисну елису са више кракова и променљивим кораком, монтирану на задњем делу . Према компанији General Atomics, летелица оперише на висинама до 50.000 стопа, крстари при стварној брзини ваздуха од 240 чворова и има аутономију лета од преко 27 сати.
Обе летелице су изабрале исту основну архитектуру — потисну елису монтирану на задњем делу трупа — упркос томе што једна користи бензин кроз клипни мотор, а друга млазно гориво кроз турбоелисни мотор. Тај архитектонски избор није случајан за програм аеродинамичког тунела; он је његов централни део.
2. Зашто потисна конфигурација представља посебан проблем при тестирању
Потисна елиса монтирана иза трупа не наилази на чисту слободну ваздушну струју — она усисава траг трупа и, у зависности од геометрије, крила и репних површина испред ње. Тај улазни проток ваздуха је већ изобличен пре него што стигне до диска елисе, а елиса заузврат уноси сопствено вртложење (swirl) и поремећаје притиска унапред у поље струјања репа. Тестирање само елисе на пробном столу, или аеродинамичко тестирање само крила, не карактерише ниједну страну те интеракције — свако од њих има смисла само када се мери у присуству оног другог.
Ово одражава шири, документовани налаз у истраживањима интеграције уводника елисе и погона са структуром летелице: присуство елисе мерљиво мења укупну расподелу притиска и уноси дисторзију услед вртложења, док ефекти усисног и издувног струјања на летелици са интегрисаним погоном могу променити однос узгона и отпора, као и момент пропињања — ефекти који се појављују тек када се погонски систем и структура летелице тестирају заједно, а не одвојено.
3. Шта тестирање интеграције заправо треба да обухвати
- Комплетну структуру летелице са присутном репрезентативном елисом , а не резултат мерења потиска само елисе додат на полару чисте структуре летелице — потисна конфигурација специфично значи да ова два елемента нису независна.
- Квалитет улазног струјања широм анвелопе лета. Уводник ваздуха турбоелисног мотора мора да обезбеди прихватљив повраћај притиска и нивое дисторзије на улазу у мотор током крстарења, пењања и било ког услова са високим нападним углом који профил мисије укључује — захтев који нема еквивалент код електромотора.
- Ефекте интеграције издувног система на отпор и момент пропињања , будући да је документовано да усисно и издувно струјање мерљиво мењају оба параметра, а мисија MALE класе се заснива на ефикасности крстарења где се мали пенали у отпору акумулирају током летова дужих од 24 сата.
- Обрачун отпора хлађења специфично за клипни погонски систем — клипни мотор са течним или ваздушним хлађењем ствара отпор услед струјања за хлађење који електромотор једноставно не генерише, и то мора бити обухваћено истим тестом као и остатак буџета отпора структуре летелице.
- Интеракцију трага елисе са репом , јер потисна конфигурација поставља репне површине директно у, или близу, улазног струјања и млаза елисе — спрега која се мења са поставком снаге и нападним углом.
4. Пет грешака које виђамо
- Тестирање елисе и структуре летелице као две одвојене кампање. Код потисне конфигурације, улазно струјање елисе долази из трага структуре летелице, а струјање око репа обликује елиса — ниједан тест самостално не обухвата ову спрегу.
- Прескакање мерења дисторзије на уводнику јер „произвођач мотора то наводи у спецификацији“. Спецификације произвођача претпостављају чисто, неизобличено улазно струјање; дисторзија услед уградње у структуру летелице је ефекат инсталације који технички лист мотора не може да предвиди.
- Третирање отпора хлађења као накнадне мисли при интеграцији мотора. За клипни погонски систем, струјање за хлађење је део буџета отпора летелице од првог дана, а не корекција која се примењује након завршеног аеродинамичког тестирања.
- Претпоставка да турбоелисни и клипни погон деле исти план тестирања. Захтев за повраћај притиска на уводнику турбоелисног мотора и захтев за протоком ваздуха за хлађење клипног мотора су различити физички проблеми са различитим потребама за инструментацијом.
- Изостављање тестирања при различитим поставкама снаге. Интеракција млаза елисе са репом мења се са потиском, тако да тест са само једном поставком снаге пропушта да забележи како се та спрега мења кроз стварни профил мисије — снага за пењање, крстарење и патролирање нису заменљиве тачке тестирања.
5. Шта ово значи за ваш програм
Реците нам ваш тип мотора, конфигурацију елисе и профил снаге мисије , а ми ћемо осмислити тест интеграције структуре летелице и погона који заједно обухвата ефекте уводника, издува, хлађења и млаза елисе — а не као одвојене тестове на пробном столу накалемљене на полару чисте структуре летелице. Повезано читање: наш главни чланак о
long-range fixed-wing UAS testing.
Извори и напомене
- Погон MQ-1 Predator-а (четвороцилиндрични клипни мотор Rotax 914F са турбопуњачем снаге приближно 115 hp, цилиндри са ваздушним хлађењем и главе са воденим хлађењем, двокрака потисна елиса константне брзине, брзина крстарења приближно 84–135 mph на око 25.000 ft за мисије дуже од 24 сата): у складу са објављеним спецификацијама мотора произвођача (Rotax, страница производа „914 UL | F“) и историјом програма General Atomics MQ-1 Predator.
- Погон MQ-9A Reaper-а (турбоелисни мотор Honeywell TPE331-10 са дигиталном електронском контролом мотора, максимална висина 50.000 ft, брзина крстарења 240 KTAS, аутономија преко 27 сати): General Atomics Aeronautical Systems, „MQ-9A Reaper (Predator B)“.
- Конфигурација са потисном елисом монтираном на задњем делу на структурама Predator и Reaper летелица је документована карактеристика дизајна породице General Atomics Predator/Reaper.
- Ефекти интеграције уводника елисе (мерљиве промене у укупној расподели притиска и дисторзији услед вртложења са активном елисом) и ефекти интеграције усиса/издува на однос узгона и отпора и момент пропињања су документовани налази у објављеној литератури о тестирању у аеродинамичким тунелима и симулацијама интеграције уводника елисе и погона са структуром летелице.
- Смернице за методологију тестирања (комбиновано тестирање елисе и структуре летелице, мерење дисторзије на уводнику, обрачун отпора хлађења, тестирање млаза елисе при више поставки снаге) представљају инжењерску праксу компаније TunnelTech.