Majaribio ya Mifumo ya Kusukuma ya Turboprop na Piston kwa UAS

Uamuzi wa mfumo wa kusukuma kwenye ndege za MALE au HALE ni taaluma tofauti kabisa na kuchagua mota ya umeme na propela. Injini ya turboprop au ya piston inayotumia mafuta mazito huja na sehemu ya kuingiza hewa, bomba la kutolea moshi, mfumo wa kupoza na propela kubwa ya kutosha kuingiliana kikamilifu na bodi ya ndege iliyofungwa — yote haya katika kasi halisi ya kusafiri na mwinuko, sio katika mazingira ya kasi ndogo na namba ndogo ya Reynolds ambayo UAV ndogo ya umeme hufanya kazi.

1. Injini mbili halisi, matatizo mawili halisi ya ujumuishaji

Mifano miwili mikuu ya daraja hili inaonyesha jinsi neno "mfumo wa kusukuma" linavyoweza kumaanisha vitu tofauti hata ndani ya familia moja ya ndege. MQ-1 Predator ya asili iliendeshwa na injini moja ya Rotax 914F, injini ya piston yenye turbo, silinda nne, na mapigo manne yenye nguvu ya takriban 115 hp , iliyopozwa kwa hewa kwenye silinda na kupozwa kwa maji kwenye vichwa, ikiendesha propela ya kusukuma yenye vile viwili na kasi isiyobadilika — ndege hii ilisafiri kwa kasi ya takriban 84 hadi 135 mph, kwenye mwinuko wa futi 25,000, kwa zaidi ya saa 24 mfululizo.

Mrithi wake mkubwa zaidi, MQ-9 Reaper , inaendeshwa na turboprop ya Honeywell TPE331-10 yenye Udhibiti wa Injini wa Kielektroniki wa Kidijitali , ambayo pia inaendesha propela ya kusukuma iliyofungwa nyuma, yenye vile vingi, na pitch inayoweza kudhibitiwa . Kulingana na General Atomics, ndege hii hufanya kazi hadi futi 50,000, husafiri kwa kasi halisi ya hewa ya noti 240, na ina uwezo wa kukaa angani kwa zaidi ya saa 27.

Ndege zote mbili zilichagua muundo uleule wa kimsingi — propela ya kusukuma iliyofungwa nyuma ya bodi ya ndege — ingawa moja inatumia petroli kupitia injini ya piston na nyingine inatumia mafuta ya jeti kupitia turboprop. Uamuzi huo wa kimuundo sio jambo la bahati nasibu kwa programu ya handaki la upepo; ni jambo la msingi kwake.

2. Kwa nini muundo wa kusukuma ni tatizo lake lenyewe la majaribio

Propela ya kusukuma iliyofungwa nyuma ya bodi ya ndege haipati hewa safi ya moja kwa moja — inavuta mtiririko wa hewa uliovurugwa kutoka kwenye bodi ya ndege na, kulingana na muundo, bawa na mkia ulio mbele yake. Mtiririko huo unaoingia unakuwa tayari umevurugwa kabla ya kufika kwenye diski ya propela, na propela nayo huingiza mzunguko wa mtiririko (swirl) na usumbufu wa shinikizo mbele kwenye eneo la mtiririko la mkia. Jaribio la benchi la propela pekee, au jaribio la aerodinamiki la bawa pekee, halielezei upande wowote wa mwingiliano huo — kila moja inaleta maana tu inapopimwa huku nyingine ikiwepo.

Hili linaakisi ugunduzi mpana na uliorekodiwa katika utafiti wa ujumuishaji wa propela-ingizo na bodi ya ndege-mfumo wa kusukuma: uwepo wa propela hubadilisha kwa kiasi kinachopimika usambazaji wa shinikizo la jumla na kuleta mvurugo wa mzunguko wa mtiririko (swirl), na athari za mtiririko wa kuingiza na kutoa hewa kwenye bodi ya ndege iliyojumuishwa na mfumo wa kusukuma zinaweza kubadilisha uwiano wa mnyanyuo na upinzani (lift-to-drag ratio) na nguvu ya kuinua pua (pitching moment) — athari ambazo huonekana tu wakati mfumo wa kusukuma na bodi ya ndege vinapojaribiwa pamoja, sio tofauti.

3. Kile ambacho majaribio ya ujumuishaji yanahitaji kujumuisha haswa

Bodi kamili ya ndege ikiwa na propela inayowakilisha , sio matokeo ya stendi ya msukumo ya propela pekee yaliyowekwa kwenye grafu ya bodi ya ndege safi — muundo wa kusukuma unamaanisha haswa kwamba viwili hivi havijitegemei.
Ubora wa mtiririko wa kuingia katika mazingira yote ya urukaji. Sehemu ya kuingiza hewa ya turboprop inapaswa kutoa viwango vinavyokubalika vya urejeshaji wa shinikizo na mvurugo kwenye uso wa injini wakati wa kusafiri, kupanda na hali yoyote ya angle kubwa ya kushambulia (angle-of-attack) inayojumuishwa kwenye wasifu wa misheni — hitaji ambalo halina mbadala kwenye mota ya umeme.
Athari za ujumuishaji wa bomba la kutolea moshi kwenye upinzani (drag) na nguvu ya kuinua pua (pitching moment) , kwa kuwa mtiririko wa kuingiza na kutoa hewa umerekodiwa kubadilisha vyote viwili kwa kiasi kinachopimika, na misheni ya daraja la MALE inategemea ufanisi wa kusafiri ambapo hasara ndogo za upinzani hujilimbikiza katika safari za zaidi ya saa 24.
Kuzingatia upinzani wa kupoza (cooling drag) haswa kwa injini ya piston — injini ya piston iliyopozwa kwa kimiminika au hewa ina upinzani wa mtiririko wa kupoza ambao mota ya umeme haizalishi kabisa, na inapaswa kurekodiwa katika jaribio hilohilo kama bajeti nyingine ya upinzani ya bodi ya ndege.
Mwingiliano wa mtiririko wa nyuma wa propela na mkia , kwa kuwa muundo wa kusukuma huweka mkia moja kwa moja ndani, au karibu na, mtiririko wa kuingia na mtiririko wa nyuma (slipstream) wa propela — muunganiko ambao hubadilika kulingana na kiwango cha nguvu na angle ya kushambulia.

4. Makosa matano tunayoyaona

Kujaribu propela na bodi ya ndege kama kampeni mbili tofauti. Kwenye muundo wa kusukuma, mtiririko wa kuingia wa propela hutoka kwenye mtiririko wa nyuma wa bodi ya ndege na mtiririko wa mkia wa bodi ya ndege hutengenezwa na propela — hakuna jaribio pekee linalonasa muunganiko huo.
Kuruka upimaji wa mvurugo wa kuingia kwa sababu "mtengenezaji wa injini ameiainisha." Vipimo vya mtengenezaji huchukulia mtiririko safi, usiovurugwa; mvurugo unaotokana na kufungwa kwenye bodi ya ndege ni athari ya usakinishaji ambayo karatasi ya vipimo vya injini haiwezi kutabiri.
Kuchukulia upinzani wa kupoza kama jambo la kufikiria baadaye katika ujumuishaji wa injini. Kwa injini ya piston, mtiririko wa kupoza ni sehemu ya bajeti ya upinzani ya ndege kuanzia siku ya kwanza, sio marekebisho yanayotumika baada ya jaribio la aerodinamiki kufanywa.
Kudhani kuwa mifumo ya kusukuma ya turboprop na piston inashiriki mpango mmoja wa majaribio. Hitaji la urejeshaji wa shinikizo la kuingia la turboprop na hitaji la mtiririko wa hewa wa kupoza la injini ya piston ni matatizo tofauti ya kifizikia yenye mahitaji tofauti ya vifaa vya upimaji na udhibiti (instrumentation).
Kutofanya majaribio katika viwango mbalimbali vya nguvu. Mwingiliano wa mtiririko wa nyuma wa propela na mkia hubadilika kulingana na msukumo, kwa hivyo jaribio la kiwango kimoja cha nguvu hukosa jinsi muunganiko huo unavyobadilika katika wasifu halisi wa misheni — nguvu ya kupanda, kusafiri na kuzunguka (loiter) sio pointi za majaribio zinazoweza kubadilishana.

5. Hii inamaanisha nini kwa programu yako

Tuambie aina ya injini yako, muundo wa propela na wasifu wa nguvu wa misheni , na tutaandaa jaribio la ujumuishaji wa bodi ya ndege na mfumo wa kusukuma ambalo linanasa athari za kuingiza hewa, kutoa moshi, kupoza na mtiririko wa nyuma (slipstream) kwa pamoja — sio kama majaribio tofauti ya benchi yaliyowekwa kwenye grafu ya bodi ya ndege safi. Usomaji unaohusiana: makala yetu kuu kuhusu

long-range fixed-wing UAS testing

Vyanzo na maelezo

Mfumo wa kusukuma wa MQ-1 Predator (injini ya piston ya Rotax 914F yenye turbo, silinda nne yenye nguvu ya takriban 115 hp, silinda zilizopozwa kwa hewa na vichwa vilivyopozwa kwa maji, propela ya kusukuma yenye vile viwili na kasi isiyobadilika, kasi ya kusafiri takriban 84–135 mph kwenye futi 25,000 kwa misheni za zaidi ya saa 24): inaendana na vipimo vya injini vilivyochapishwa na mtengenezaji (Ukurasa wa bidhaa wa Rotax, "914 UL | F") na historia ya programu ya General Atomics MQ-1 Predator.
Mfumo wa kusukuma wa MQ-9A Reaper (turboprop ya Honeywell TPE331-10 yenye Udhibiti wa Injini wa Kielektroniki wa Kidijitali, mwinuko wa juu zaidi futi 50,000, kasi ya kusafiri 240 KTAS, uwezo wa kukaa angani kwa zaidi ya saa 27): General Atomics Aeronautical Systems, "MQ-9A Reaper (Predator B)".
Muundo wa propela ya kusukuma iliyofungwa nyuma kwenye bodi za ndege za Predator na Reaper ni kipengele kilichorekodiwa cha muundo wa familia ya General Atomics Predator/Reaper.
Athari za ujumuishaji wa propela-ingizo (mabadiliko yanayopimika kwenye usambazaji wa shinikizo la jumla na mvurugo wa mzunguko wa mtiririko (swirl) wakati propela inafanya kazi) na athari za ujumuishaji wa kuingiza/kutoa hewa kwenye uwiano wa mnyanyuo na upinzani na nguvu ya kuinua pua ni matokeo yaliyorekodiwa katika machapisho ya handaki la upepo na uigaji (simulation) kuhusu ujumuishaji wa propela-ingizo na bodi ya ndege-mfumo wa kusukuma.
Mwongozo wa mbinu za majaribio (majaribio ya pamoja ya propela na bodi ya ndege, upimaji wa mvurugo wa kuingia, kuzingatia upinzani wa kupoza, majaribio ya mtiririko wa nyuma katika viwango mbalimbali vya nguvu) ni utendaji wa kihandisi wa TunnelTech.

Ujumuishaji wa Mifumo ya Kusukuma ya Turboprop na Piston kwa UAS za Masafa Marefu