การทดสอบการรับรองการเกิดน้ำแข็งเกาะสำหรับ UAS ปีกตรึงขนาดใหญ่

ปัญหาการเกิดน้ำแข็งเกาะบน UAV ไฟฟ้าขนาดเล็กมักแก้ไขได้ด้วยการทำความร้อนที่ใบพัดหรือท่อพิทอต (pitot tube) ซึ่งเป็นการแก้ไขเฉพาะจุดสำหรับส่วนประกอบขนาดเล็กที่มีข้อจำกัดด้านพลังงาน แต่ปัญหาการเกิดน้ำแข็งเกาะบนอากาศยานระดับ MALE หรือ HALE นั้นเป็นปัญหาที่แตกต่างออกไปอย่างสิ้นเชิง เนื่องจากเป็นข้อกำหนดการรับรองที่ขับเคลื่อนด้วยมาตรฐานสำหรับอากาศยานทั้งลำ โดยต้องผ่านการทดสอบภายใต้สภาวะการเกิดน้ำแข็งเกาะ (icing envelope) เดียวกับที่ใช้รับรองอากาศยานขนส่งที่มีคนขับ เพราะในขนาดระดับนี้ อากาศยานต้องบินในสภาพอากาศเดียวกัน

1. มาตรฐานการรับรองเป็นมาตรฐานเดียวกับที่ใช้อากาศยานที่มีคนขับ

ศูนย์ทดสอบอ้างอิงสำหรับการทดสอบระดับนี้คือ Icing Research Tunnel (IRT) ของ NASA ที่ Glenn Research Center ซึ่งเป็นหนึ่งในอุโมงค์ลมทำความเย็นขนาดใหญ่ที่สุดในโลกที่สร้างขึ้นเพื่อทดสอบการเกิดน้ำแข็งเกาะบนอากาศยานโดยเฉพาะ และเป็นศูนย์ทดสอบที่ จำลองมาตรฐานการรับรองการเกิดน้ำแข็งเกาะของ FAA ตามกฎระเบียบการบินแห่งชาติ (Federal Aviation Regulation) Part 25, Appendix C อย่างชัดเจน ข้อมูลคุณลักษณะที่เผยแพร่แสดงให้เห็นว่า "การรับรองการเกิดน้ำแข็งเกาะเต็มรูปแบบ" นั้นต้องการอะไรบ้าง:

ส่วนทดสอบขนาด สูง 6 ft × กว้าง 9 ft × ยาว 20 ft
ความเร็วอากาศในส่วนทดสอบ 50 ถึง 350 knots
อุณหภูมิรวมในส่วนทดสอบ –25°C ถึง 5°C
ปริมาณน้ำของเหลว 0.2 ถึง 3.0 g/m³ โดยมีความสม่ำเสมอของเมฆอยู่ที่ ±10%
เส้นผ่านศูนย์กลางปริมาตรมัธยฐานของหยดน้ำ 15 ถึง 50 µm
เมฆน้ำแข็งที่มีความสม่ำเสมอครอบคลุมพื้นที่ 4.5 คูณ 6 ft ของส่วนทดสอบ
การจำลองการไหลของอากาศที่ดึงจากเครื่องยนต์ (bleed-air) สูงสุด 1 lb/s สำหรับการทดสอบระบบป้องกันน้ำแข็งเกาะด้วยความร้อนที่ใช้อากาศร้อนจากเครื่องยนต์

IRT ทำการทดสอบส่วนประกอบอากาศยานขนาดจริงรวมถึงแบบจำลองย่อส่วนของทั้งเครื่องบินและเฮลิคอปเตอร์ และรายชื่อลูกค้าของศูนย์ทดสอบนี้ — Boeing, Bell Helicopter, Goodrich, Cessna, Sikorsky รวมถึงกองทัพบก กองทัพเรือ และกองทัพอากาศสหรัฐฯ — สะท้อนให้เห็นว่านี่คือโครงสร้างพื้นฐานระดับการรับรอง ไม่ใช่เพียงแค่ความสนใจด้านการวิจัย โครงการทดสอบการเกิดน้ำแข็งเกาะของ NASA เมื่อไม่นานมานี้ยังได้ขยายงานการสอบเทียบไปยังสภาวะ Appendix O supercooled large drop (SLD) แบบใหม่ ซึ่งปัจจุบันทั้ง FAA และ EASA กำหนดให้ใช้ควบคู่กับสภาวะ Appendix C เดิม

2. เหตุใดเทคโนโลยีป้องกันน้ำแข็งเกาะจึงแตกต่างกันตามขนาด

เทคโนโลยีป้องกันน้ำแข็งเกาะแบ่งแยกอย่างชัดเจนตามขนาดของอากาศยาน และแบ่งแยกด้วยเหตุผลทางกายภาพ นั่นคือ พลังงานที่มีอยู่ การทำความร้อนด้วยไฟฟ้า (Electrothermal heating) — ซึ่งเป็นแนวทางทั่วไปสำหรับ UAV ขนาดเล็ก — ถูกจำกัดด้วยกระแสไฟจากแบตเตอรี่ที่แพลตฟอร์มไฟฟ้าขนาดเล็กสามารถจ่ายได้ นี่คือเหตุผลที่มักจะจำกัดอยู่เฉพาะส่วนประกอบขนาดเล็กที่มีความสำคัญสูง เช่น ใบพัด หรือท่อพิทอต มากกว่าที่จะใช้กับปีกทั้งปีก

อากาศยานระดับ MALE หรือ HALE ขนาดใหญ่ที่ขับเคลื่อนด้วยเชื้อเพลิงมีงบประมาณพลังงานที่แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิง ซึ่งเปิดโอกาสให้สามารถใช้ ระบบป้องกันน้ำแข็งเกาะด้วยความร้อนโดยใช้อากาศที่ดึงจากเครื่องยนต์ (engine bleed air) ซึ่งส่งผ่านท่อไปยังขอบหน้าปีกผ่านท่อปิคโคโล (piccolo tube) — นี่คือสถาปัตยกรรมพื้นฐานเดียวกับที่อากาศยานขนส่งที่มีคนขับใช้มานานหลายทศวรรษ และเป็นวิธีที่ช่วยให้อากาศยานไม่ต้องแบกรับภาระในการผลิตกระแสไฟฟ้าจำนวนมากอย่างที่ระบบป้องกันน้ำแข็งเกาะแบบไฟฟ้าเต็มรูปแบบต้องการ ตัวอย่างที่มีการบันทึกไว้ในขนาดระดับนี้ ได้แก่ RQ-4 Global Hawk ซึ่งระบบป้องกันน้ำแข็งเกาะที่ฝาครอบเครื่องยนต์ดึงความร้อนที่สกัดจากระบบไฮดรอลิกของอากาศยานแทนที่จะใช้อากาศจากเครื่องยนต์ (bleed air) — สิ่งนี้เป็นเครื่องเตือนใจว่า "การป้องกันด้วยความร้อน" บน UAS ขนาดใหญ่สามารถออกแบบทางวิศวกรรมจากแหล่งความร้อนบนเครื่องได้มากกว่าหนึ่งแหล่ง และตัวเลือกที่เหมาะสมนั้นขึ้นอยู่กับสถาปัตยกรรมระบบเฉพาะของอากาศยานลำนั้นๆ

3. สิ่งที่โครงการทดสอบการเกิดน้ำแข็งเกาะสำหรับอากาศยานปีกตรึงขนาดใหญ่ต้องครอบคลุม

การทดสอบภายใต้สภาวะการรับรองจริง ไม่ใช่เพียงแค่สภาวะที่หนาวเย็นและเปียกชื้นแบบสุ่ม — ปริมาณน้ำของเหลว ขนาดหยดน้ำ และการผสมผสานของอุณหภูมิตาม Appendix C ถูกกำหนดไว้อย่างแม่นยำ เนื่องจากส่วนผสมที่แตกต่างกันจะทำให้เกิดรูปร่างของน้ำแข็งที่แตกต่างกัน และส่งผลเสียต่อสมรรถนะทางอากาศพลศาสตร์ที่แตกต่างกัน
สภาวะ Appendix O supercooled large drop ควบคู่ไปกับ Appendix C เนื่องจากการเกิดน้ำแข็งเกาะแบบ SLD จะทำให้เกิดการสะสมของน้ำแข็งที่บริเวณด้านหลังของแอร์ฟอยล์มากกว่าการเกิดน้ำแข็งเกาะแบบ Appendix C ทั่วไป ซึ่งเป็นตำแหน่งที่ระบบป้องกันน้ำแข็งเกาะที่ออกแบบมาสำหรับ Appendix C เพียงอย่างเดียวอาจครอบคลุมไม่ถึง
ระบบความร้อนทั้งหมด ไม่ใช่แค่พื้นผิวที่ได้รับความร้อน — สำหรับระบบที่ใช้อากาศจากเครื่องยนต์ (bleed-air) นั่นหมายถึงการทดสอบระบบท่อ การกระจายลมของท่อปิคโคโล และการส่งผ่านความร้อนภายใต้การจำลองการไหลของเครื่องยนต์ ไม่ใช่แค่การวัดการหลุดร่อนของน้ำแข็งจากแผงทำความร้อนแบบแยกส่วน
สมรรถนะทางอากาศพลศาสตร์เมื่อมีรูปร่างน้ำแข็งที่สมจริงเกาะอยู่ เนื่องจากการรับรองนั้นท้ายที่สุดแล้วเป็นเรื่องของคุณภาพการบินของอากาศยานเมื่อมีน้ำแข็งเกาะตามที่ระบบป้องกันได้รับการออกแบบมา — ไม่ใช่แค่ว่าระบบป้องกันสามารถป้องกันการก่อตัวของน้ำแข็งในกรณีที่ดีที่สุดได้หรือไม่
ส่วนประกอบขนาดจริงในทุกจุดที่เกณฑ์การรับรองกำหนด — ขีดความสามารถที่ได้รับการบันทึกไว้ของ IRT ในการทดสอบส่วนประกอบอากาศยานขนาดจริงนั้นมีอยู่ก็เพราะฟิสิกส์การสะสมของน้ำแข็งบนส่วนประกอบบางชิ้นไม่สามารถย่อส่วนลงเป็นแบบจำลองขนาดเล็กได้อย่างสมบูรณ์

4. ข้อผิดพลาด 5 ประการที่เราพบเห็น

การปฏิบัติต่อการป้องกันน้ำแข็งเกาะเสมือนเป็นปัญหาการทำความร้อนด้วยไฟฟ้าระดับส่วนประกอบในอากาศยานทุกขนาด สิ่งที่ใช้ได้ผลกับใบพัดของ UAV ขนาดเล็กไม่สามารถนำมาอนุมานใช้กับปีกของ MALE/HALE ได้ — ทั้งงบประมาณพลังงานและเกณฑ์การรับรองนั้นแตกต่างกัน
การทดสอบเฉพาะ Appendix C และทึกทักเอาว่าครอบคลุม "การเกิดน้ำแข็งเกาะ" ทั้งหมดแล้ว ปัจจุบันสภาวะ Appendix O supercooled large drop เป็นส่วนที่แยกออกมาและเป็นข้อกำหนดที่จำเป็นของเกณฑ์การรับรองสำหรับหลายโครงการ และมันทำให้เกิดน้ำแข็งเกาะในส่วนที่แตกต่างออกไปของแอร์ฟอยล์
การตรวจสอบความถูกต้องของแหล่งความร้อนโดยไม่ตรวจสอบระบบการส่งผ่าน การกระจายลมของท่อปิคโคโลในระบบ bleed-air และการสูญเสียในระบบท่อมีความสำคัญพอๆ กับความร้อนดิบที่มีอยู่ — ระบบที่ทำงานได้ดีบนหน้ากระดาษอาจส่งผ่านความร้อนได้ไม่เพียงพอที่ปลายปีก
การวัดผลการป้องกันน้ำแข็งเกาะโดยไม่วัดผลเสียทางอากาศพลศาสตร์ การรับรองไม่ใช่แค่ "น้ำแข็งก่อตัวหรือไม่" — แต่มันคือ "อากาศยานบินได้อย่างไรเมื่อมีรูปร่างน้ำแข็งเกาะตามที่ระบบป้องกันได้รับการตรวจสอบความถูกต้องไว้"
การทึกทักเอาว่าแบบจำลองย่อส่วนสามารถครอบคลุมทุกสิ่งที่ส่วนประกอบขนาดจริงทำได้ ฟิสิกส์การสะสมของน้ำแข็งเป็นหนึ่งในด้านที่ผลกระทบจากการย่อส่วนมีความคลาดเคลื่อนสูงมาก ซึ่งนี่คือเหตุผลที่อุโมงค์ลมทดสอบการเกิดน้ำแข็งเกาะระดับการรับรองต้องทดสอบกับส่วนประกอบขนาดจริงโดยตรง

5. สิ่งนี้มีความหมายอย่างไรต่อโครงการของคุณ

บอกเกณฑ์การรับรองและสถาปัตยกรรมการป้องกันน้ำแข็งเกาะของคุณให้เราทราบ แล้วเราจะกำหนดขอบเขตโครงการทดสอบตามสภาวะ Appendix C และ Appendix O จริงที่อากาศยานของคุณต้องได้รับการรับรอง — ไม่ใช่แค่การตรวจสอบสภาพอากาศหนาวเย็นแบบทั่วไป บทความที่เกี่ยวข้อง: บทความหลักของเราเกี่ยวกับ

long-range fixed-wing UAS testing

แหล่งที่มาและหมายเหตุ

ข้อมูลคุณลักษณะของศูนย์ทดสอบ NASA Icing Research Tunnel (ส่วนทดสอบ 6 ft × 9 ft × 20 ft, ความเร็วอากาศ 50–350 knots, อุณหภูมิรวม –25°C ถึง 5°C, ปริมาณน้ำของเหลว 0.2–3.0 g/m³ โดยมีความสม่ำเสมอของเมฆ ±10%, หยดน้ำ MVD 15–50 µm, เมฆน้ำแข็งสม่ำเสมอขนาด 4.5 คูณ 6 ft, การจำลองการไหลของอากาศจากเครื่องยนต์สูงสุด 1 lb/s, การจำลองมาตรฐานการรับรองการเกิดน้ำแข็งเกาะ FAA FAR Part 25 Appendix C, การทดสอบส่วนประกอบอากาศยานขนาดจริงและแบบจำลองย่อส่วนของเครื่องบินและเฮลิคอปเตอร์, และฐานลูกค้าซึ่งรวมถึง Boeing, Bell Helicopter, Goodrich, Cessna, Sikorsky และหน่วยงานทหารของสหรัฐฯ): NASA Glenn Research Center / NASA Aeronautics Test Program, เอกสารข้อมูล "Icing Research Tunnel"
การขยายงานสอบเทียบของ IRT ไปยังสภาวะ FAA/EASA Appendix O supercooled large drop (SLD) ในโครงการทดสอบของ NASA เมื่อไม่นานมานี้ ได้รับการบันทึกไว้ในสิ่งพิมพ์วิจัยด้านการเกิดน้ำแข็งเกาะของ NASA Glenn ในเวลาต่อมาบน NASA Technical Reports Server
การป้องกันน้ำแข็งเกาะด้วยไฟฟ้า (Electrothermal) เป็นแนวทางทั่วไปสำหรับส่วนประกอบ UAV ขนาดเล็กที่มีข้อจำกัดด้านพลังงาน เมื่อเทียบกับการป้องกันน้ำแข็งเกาะด้วยความร้อนจากอากาศเครื่องยนต์ (bleed-air) ผ่านท่อปิคโคโล ซึ่งเป็นแนวทางที่เหมาะสำหรับอากาศยาน HALE ขนาดใหญ่ที่ขับเคลื่อนด้วยเชื้อเพลิง และระบบป้องกันน้ำแข็งเกาะที่ฝาครอบเครื่องยนต์ของ RQ-4 Global Hawk ที่ดึงความร้อนจากระบบไฮดรอลิกของอากาศยาน: สอดคล้องกับเอกสารอ้างอิงเกี่ยวกับระบบป้องกันน้ำแข็งเกาะของอากาศยานที่มีการตีพิมพ์
ข้อมูลพื้นฐานของอากาศยานสำหรับ RQ-4B Global Hawk (ระดับ HALE): สอดคล้องกับบทความที่เราเผยแพร่เกี่ยวกับการทดสอบ UAS ปีกตรึงระยะไกล (MALE, HALE และ VTOL)
คำแนะนำด้านระเบียบวิธีทดสอบ (การทดสอบสภาวะ Appendix C และ Appendix O แบบเต็มรูปแบบ, การตรวจสอบความถูกต้องของระบบความร้อนทั้งระบบ, การวัดผลเสียทางอากาศพลศาสตร์เมื่อมีรูปร่างน้ำแข็งเกาะ, การทดสอบส่วนประกอบขนาดจริง) เป็นแนวทางปฏิบัติด้านวิศวกรรมของ TunnelTech ซึ่งตอบสนองโดยตรงต่อคุณลักษณะของศูนย์ทดสอบระดับการรับรองที่บันทึกไว้ข้างต้น

การรับรองการเกิดน้ำแข็งเกาะและการบินในทุกสภาพอากาศสำหรับ UAS ปีกตรึงขนาดใหญ่