Integrering av turboprop- och kolvmotordrift för långdistans-UAS
Varför turboprop- och kolvmotordrivna MALE-UAS medför ett integreringsproblem som elektriska drönare aldrig möter, vad verkliga flygplan visar och vad man bör testa för.
Valet av framdrivning för ett MALE- eller HALE-flygplan är en helt annan disciplin än att välja en elmotor och propeller. En turboprop- eller tungbränsledriven kolvmotor för med sig ett luftintag, ett utblås, ett kylsystem och en propeller som är tillräckligt stor för att interagera meningsfullt med flygkroppen den är monterad på — allt vid verklig marschfart och höjd, inte den låghastighets-, låg-Reynolds-talsmiljö som en liten elektrisk UAV befinner sig i.
1. Två verkliga motorer, två verkliga integreringsproblem
De två flaggskeppsexemplen i denna klass illustrerar hur olika "framdrivning" kan vara även inom samma flygplansfamilj. Den ursprungliga MQ-1 Predator drevs av en enda Rotax 914F, en turboladdad, fyrcylindrig fyrtaktskolvmotor på cirka 115 hk , luftkyld vid cylindrarna och vattenkyld vid topplocken, som drev en tvåbladig skjutande propeller med konstant varvtal — flygplanet hade en marschfart på ungefär 84 till 135 mph, på cirka 25 000 fots höjd, i drygt 24 timmar åt gången.
Dess större efterföljare, MQ-9 Reaper , drivs av en Honeywell TPE331-10 turboprop med Digital Electronic Engine Control , som också driver en bakmonterad, flerbladig, skjutande propeller med ställbar stigning . Enligt General Atomics opererar flygplanet på upp till 50 000 fot, har en marschfart på 240 knop (sann flygfart) och en uthållighet på över 27 timmar.
Båda flygplanen valde samma grundläggande arkitektur — en skjutande propeller monterad baktill på flygkroppen — trots att det ena drivs av bensin via en kolvmotor och det andra av flygfotogen via en turboprop. Detta arkitektoniska val är inte en tillfällighet för ett vindtunnelprogram; det är centralt för det.
2. Varför skjutande propeller-konfigurationen är ett eget testproblem
En skjutande propeller monterad bakom flygkroppen möter inte ren friströmmande luft — den suger in vakan från flygkroppen och, beroende på geometri, vingen och stjärtpartiet framför den. Detta inflöde är redan förvrängt innan det når propellerdisken, och propellern matar i sin tur in sin egen swirl och tryckstörning framåt i stjärtpartiets flödesfält. Ett bänktest med enbart propellern, eller ett aerodynamiskt test med enbart vingen, karakteriserar ingen av sidorna i denna interaktion — de är endast meningsfulla när de mäts tillsammans.
Detta återspeglar en bredare, dokumenterad upptäckt inom forskning kring integrering av propeller-inlopp och flygkropp-framdrivning: propellerns närvaro förändrar mätbart den totala tryckfördelningen och introducerar swirl-förvrängning, och effekterna av insugs- och utblåsflöde på en framdrivningsintegrerad flygkropp kan förskjuta lyft-motståndsförhållandet och tippmomentet — effekter som bara uppträder när framdrivningssystemet och flygkroppen testas tillsammans, inte separat.
3. Vad integreringstester faktiskt behöver omfatta
- Hela flygkroppen med en representativ propeller på plats , inte ett resultat från en dragkraftsbänk med enbart propeller som läggs ovanpå en ren flygkroppspolar — den skjutande konfigurationen innebär specifikt att de två inte är oberoende av varandra.
- Inloppsflödets kvalitet över hela flygenveloppen. En turboprops luftintag måste leverera acceptabel tryckåtervinning och förvrängningsnivåer till motorfronten vid marschfart, stigning och alla förhållanden med hög anfallsvinkel som uppdragsprofilen inkluderar — ett krav som saknar motsvarighet för en elmotor.
- Utblåsintegreringens effekter på luftmotstånd och tippmoment , eftersom insugs- och utblåsflöde bevisligen förskjuter båda mätbart, och ett uppdrag i MALE-klassen bygger på marscheffektivitet där små ökningar i luftmotstånd ackumuleras under flygningar på över 24 timmar.
- Kylmotstånd specifikt för en kolvmotor — en vätske- eller luftkyld kolvmotor har ett kylflödesmotstånd som en elmotor helt enkelt inte genererar, och det måste fångas upp i samma test som resten av flygkroppens luftmotståndsbudget.
- Interaktion mellan propellervaka och stjärtparti , eftersom en skjutande konfiguration placerar stjärtpartiet direkt i, eller nära, propellerns inflöde och propellerström — en koppling som förändras med effektinställning och anfallsvinkel.
4. Fem misstag vi ser
- Att testa propellern och flygkroppen som två separata kampanjer. På en skjutande konfiguration kommer propellerns inflöde från flygkroppens vaka, och flygkroppens stjärtflöde formas av propellern — inget av testerna fångar kopplingen på egen hand.
- Att hoppa över mätning av inloppsförvrängning för att "motortillverkaren specificerar det." Tillverkarens specifikationer förutsätter ett rent, oförvrängt inflöde; förvrängning vid installation i flygkroppen är en installationseffekt som motorns specifikationsblad inte kan förutsäga.
- Att behandla kylmotstånd som en eftertanke vid motorintegrering. För en kolvmotor är kylflödet en del av flygplanets luftmotståndsbudget från dag ett, inte en korrigering som tillämpas efter att det aerodynamiska testet är klart.
- Att anta att turboprop- och kolvmotordrift delar samma testplan. En turboprops krav på tryckåtervinning i inloppet och en kolvmotors krav på kylluftflöde är olika fysiska problem med olika behov av instrumentering.
- Att inte testa över olika effektinställningar. Interaktionen mellan propellerström och stjärtparti förändras med dragkraften, så ett test med en enda effektinställning missar hur den kopplingen förskjuts över den faktiska uppdragsprofilen — effekt för stigning, marschfart och vänteläge (loiter) är inte utbytbara testpunkter.
5. Vad detta innebär för ert program
Berätta för oss om er motortyp, propellerkonfiguration och uppdragets effektprofil , så utformar vi ett integreringstest för flygkropp och framdrivning som fångar inlopps-, utblås-, kylnings- och propellerströmseffekter tillsammans — inte som separata bänktester som bultas fast på en ren flygkroppspolar. Relaterad läsning: vår navartikel om
long-range fixed-wing UAS testing.
Källor och anteckningar
- MQ-1 Predator-framdrivning (Rotax 914F turboladdad fyrcylindrig kolvmotor på cirka 115 hk, luftkylda cylindrar med vattenkylda topplock, tvåbladig skjutande propeller med konstant varvtal, marschfart cirka 84–135 mph på ungefär 25 000 fot för uppdrag på över 24 timmar): överensstämmer med tillverkarens publicerade motorspecifikationer (Rotax, "914 UL | F" produktsida) och General Atomics historik för MQ-1 Predator-programmet.
- MQ-9A Reaper-framdrivning (Honeywell TPE331-10 turboprop med Digital Electronic Engine Control, maxhöjd 50 000 fot, marschfart 240 KTAS, uthållighet över 27 timmar): General Atomics Aeronautical Systems, "MQ-9A Reaper (Predator B)".
- Bakmonterad, skjutande propellerkonfiguration på både Predator- och Reaper-flygkropparna är en dokumenterad egenskap hos designen för General Atomics Predator/Reaper-familj.
- Integreringseffekter för propeller-inlopp (mätbara förändringar i total tryckfördelning och swirl-förvrängning med propellern aktiv) och integreringseffekter för insug/utblås på lyft-motståndsförhållande och tippmoment är dokumenterade upptäckter i den publicerade litteraturen kring vindtunnlar och simuleringar för integrering av propeller-inlopp och flygkropp-framdrivning.
- Vägledning för testmetodik (kombinerad testning av propeller och flygkropp, mätning av inloppsförvrängning, redovisning av kylmotstånd, testning av propellerström vid flera effektinställningar) är TunnelTechs ingenjörspraxis.