Certifieringstestning för isbildning för stora fastvingade UAS

Isbildning på en liten elektrisk UAV löses vanligtvis med en uppvärmd propeller eller ett uppvärmt pitotrör — en riktad lösning för en liten, effektbegränsad komponent. Isbildning på ett MALE- eller HALE-flygplan är ett helt annat slags problem: det är ett standardiserat certifieringskrav för hela flygplanet, som testas mot samma isbildningshölje som bemannade transportflygplan certifieras mot, eftersom farkosten i denna storleksklass flyger i samma väder.

1. Certifieringsstandarden är densamma som för bemannade flygplan

Referensanläggningen för denna typ av testning är NASAs Icing Research Tunnel (IRT) vid Glenn Research Center — en av världens största kylda vindtunnlar dedikerade till isbildning på flygplan, och en anläggning som uttryckligen replikerar FAAs certifieringsstandard för isbildning i Federal Aviation Regulation Part 25, Appendix C . Dess publicerade egenskaper visar vad "fullskalig isbildningscertifiering" faktiskt kräver:

Testsektion 6 ft hög × 9 ft bred × 20 ft lång
Testsektionens lufthastighet 50 till 350 knop
Testsektionens totala temperatur –25 °C till 5 °C
Vätskeinnehåll 0,2 till 3,0 g/m³ , med en molnuniformitet som hålls till ±10 %
Dropparnas medianvolymdiameter 15 till 50 µm
Ett enhetligt isbildningsmoln som täcker 4,5 gånger 6 ft av testsektionen
Simulerat flöde av avtappningsluft (bleed-air) från motorer på upp till 1 lb/s , för testning av termiska anti-issystem som använder varm avtappningsluft

IRT testar fullstora flygplanskomponenter samt skalmodeller av både flygplan och helikoptrar, och dess kundlista — Boeing, Bell Helicopter, Goodrich, Cessna, Sikorsky, plus den amerikanska armén, flottan och flygvapnet — återspeglar att detta är en infrastruktur av certifieringsklass, inte en forskningskuriositet. Nyare isbildningstestkampanjer från NASA har också utökat kalibreringsarbetet mot de nyare Appendix O-förhållandena för underkylda stora droppar (SLD) som både FAA och EASA nu kräver vid sidan av det ursprungliga Appendix C-höljet.

2. Varför själva iskyddstekniken skiljer sig åt beroende på skala

Iskyddstekniken delas tydligt upp baserat på flygplanets skala, och den gör det av en fysisk anledning: tillgänglig effekt. Elektrotermisk uppvärmning — den typiska metoden för små UAV:er — begränsas av den batteriströmstyrka en liten elektrisk plattform kan leverera, vilket är anledningen till att den vanligtvis begränsas till små, värdefulla komponenter som en propeller eller ett pitotrör snarare än en hel vinge.

Ett stort, bränsledrivet MALE- eller HALE-flygplan har en helt annan effektbudget, och det öppnar upp för termisk anti-isbildning med hjälp av avtappningsluft från motorn , som leds till vingens framkant genom ett piccolorör — samma grundläggande arkitektur som bemannade transportflygplan har använt i årtionden, och som besparar flygplanet från att behöva bära den elgenereringskapacitet som ett helt elektriskt iskyddssystem skulle kräva. Dokumenterade exempel i denna skala inkluderar RQ-4 Global Hawk , vars anti-issystem för motorkåpan drar värme som utvinns från flygplanets hydraulsystem snarare än avtappningsluft — en påminnelse om att "termiskt skydd" på en stor UAS kan konstrueras från mer än en värmekälla ombord, och rätt val beror på flygplanets specifika systemarkitektur.

3. Vad en isbildningstestkampanj för stora fastvingade flygplan måste omfatta

Testning mot det faktiska certifieringshöljet , inte ett godtyckligt kallt och vått förhållande — Appendix C:s kombinationer av vätskeinnehåll, droppstorlek och temperatur är exakt specificerade eftersom olika kombinationer producerar olika isformer och olika aerodynamiska försämringar.
Appendix O-förhållanden för underkylda stora droppar vid sidan av Appendix C , eftersom SLD-isbildning producerar ispåbyggnad längre bak på vingprofilen än klassisk Appendix C-isbildning, på en plats som iskyddssystem designade enbart för Appendix C kanske inte täcker.
Hela det termiska systemet, inte bara den uppvärmda ytan — för ett system med avtappningsluft innebär det att man testar kanalsystemet, piccolorörets distribution och värmeleveransen under simulerat motorflöde, inte bara mäter isavlossning från en isolerad uppvärmd panel.
Aerodynamisk prestanda med realistiska isformer applicerade , eftersom certifiering i slutändan handlar om flygplanets flygegenskaper med den is som skyddssystemet är designat kring — inte bara om skyddssystemet förhindrar isbildning i bästa fall.
Fullstora komponenter där certifieringsgrunden kräver det — IRT:s dokumenterade kapacitet att testa fullstora flygplanskomponenter existerar just för att ispåbyggnadsfysiken på vissa komponenter inte skalar rent till en liten modell.

4. Fem misstag vi ser

Att behandla iskydd som ett elektrotermiskt problem på komponentnivå oavsett flygplanets skala. Det som fungerar för en liten UAV:s propeller kan inte extrapoleras till en MALE/HALE-vinge — både effektbudgeten och certifieringsgrunden är annorlunda.
Att endast testa Appendix C och anta att det täcker "isbildning". Appendix O-förhållanden för underkylda stora droppar är nu en distinkt, obligatorisk del av certifieringsgrunden för många program, och de bildar is på en annan del av vingprofilen.
Att validera värmekällan utan att validera leveranssystemet. Ett avtappningsluftsystems piccolorörsdistribution och kanalförluster spelar lika stor roll som den tillgängliga råvärmen — ett system som fungerar på papper kan underprestera vid vingspetsen.
Att mäta isförebyggande utan att mäta aerodynamisk försämring. Certifiering handlar inte bara om "bildas det is" — det handlar om "hur flyger flygplanet med de isformer som skyddssystemet är validerat mot".
Att anta att en skalmodell fångar allt som en fullstor komponent skulle göra. Ispåbyggnadsfysik är ett av de områden där skaleffekter är minst förlåtande, vilket är exakt varför isbildningstunnlar av certifieringsklass testar fullstora komponenter direkt.

5. Vad detta innebär för ert program

Berätta för oss om er certifieringsgrund och iskyddsarkitektur , så utformar vi ett testprogram mot det faktiska Appendix C- och Appendix O-hölje som ert flygplan behöver certifieras mot — inte en generisk kontroll i kallt väder. Relaterad läsning: vår navartikel om

long-range fixed-wing UAS testing

Källor och anteckningar

Egenskaper för anläggningen NASA Icing Research Tunnel (testsektion 6 ft × 9 ft × 20 ft, lufthastighet 50–350 knop, total temperatur –25 °C till 5 °C, vätskeinnehåll 0,2–3,0 g/m³ med ±10 % molnuniformitet, dropparnas MVD 15–50 µm, enhetligt isbildningsmoln 4,5 gånger 6 ft, simulerat flöde av avtappningsluft från motorer upp till 1 lb/s, replikering av FAA FAR Part 25 Appendix C certifieringsstandarder för isbildning, testning av fullstora flygplanskomponenter och skalmodeller av flygplan och helikoptrar, och dess kundbas inklusive Boeing, Bell Helicopter, Goodrich, Cessna, Sikorsky och amerikanska militära tjänster): NASA Glenn Research Center / NASA Aeronautics Test Program, "Icing Research Tunnel" faktablad.
Utvidgning av IRT:s kalibreringsarbete till FAA/EASA Appendix O-förhållanden för underkylda stora droppar (SLD) i nyare testkampanjer från NASA dokumenteras i efterföljande publikationer om isbildningsforskning från NASA Glenn på NASA Technical Reports Server.
Elektrotermiskt iskydd som den typiska metoden för små, effektbegränsade UAV-komponenter, kontra termisk anti-isbildning med avtappningsluft via piccolorör som den metod som lämpar sig för stora, bränsledrivna HALE-flygplan, och RQ-4 Global Hawks anti-issystem för motorkåpan som drar värme från flygplanets hydraulsystem: i överensstämmelse med publicerad litteratur om iskyddssystem för flygplan.
Flygplansbakgrund för RQ-4B Global Hawk (HALE-klass): i överensstämmelse med vår publicerade artikel om testning av långdistans fastvingade UAS (MALE, HALE och VTOL).
Vägledning för testmetodik (testning av hela höljet för Appendix C och Appendix O, termisk validering av hela systemet, mätning av aerodynamisk försämring med isformer applicerade, testning av fullstora komponenter) är TunnelTechs ingenjörspraxis, som direkt svarar mot de anläggningsegenskaper av certifieringsklass som dokumenterats ovan.

Isbildning och allväderscertifiering för stora fastvingade UAS