การทดสอบระบบขับเคลื่อนแบบเทอร์โบพร็อปและลูกสูบสำหรับ UAS

การตัดสินใจเลือกระบบขับเคลื่อนสำหรับอากาศยาน MALE หรือ HALE เป็นศาสตร์ที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิงจากการเลือกมอเตอร์ไฟฟ้าและใบพัด เครื่องยนต์เทอร์โบพร็อปหรือเครื่องยนต์ลูกสูบที่ใช้เชื้อเพลิงหนักจะมาพร้อมกับช่องรับอากาศ ท่อไอเสีย ระบบระบายความร้อน และใบพัดที่มีขนาดใหญ่พอที่จะสร้างปฏิกิริยากับโครงสร้างอากาศยานที่ติดตั้งอยู่อย่างมีนัยสำคัญ — ทั้งหมดนี้เกิดขึ้นที่ความเร็วเดินทางและระดับความสูงจริง ไม่ใช่ในสภาวะความเร็วต่ำและค่าตัวเลขเรย์โนลด์สต่ำแบบที่ UAV ไฟฟ้าขนาดเล็กใช้งาน

1. Two real engines, two real integration problems

ตัวอย่างเรือธงสองรุ่นในคลาสนี้แสดงให้เห็นว่าคำว่า "ระบบขับเคลื่อน" มีความหมายแตกต่างกันได้มากเพียงใดแม้จะอยู่ในตระกูลอากาศยานเดียวกัน MQ-1 Predator รุ่นดั้งเดิมขับเคลื่อนด้วยเครื่องยนต์ Rotax 914F ซึ่งเป็นเครื่องยนต์ลูกสูบ 4 จังหวะ 4 สูบ เทอร์โบชาร์จ ให้กำลังประมาณ 115 hp ระบายความร้อนด้วยอากาศที่กระบอกสูบและระบายความร้อนด้วยน้ำที่ฝาสูบ ขับเคลื่อน ใบพัดแบบผลัก (pusher propeller) ชนิดสองใบพัดความเร็วคงที่ — อากาศยานรุ่นนี้มีความเร็วเดินทางประมาณ 84 ถึง 135 mph ที่ระดับความสูงราว 25,000 ฟุต และบินต่อเนื่องได้นานกว่า 24 ชั่วโมงต่อครั้ง

รุ่นสืบทอดที่มีขนาดใหญ่กว่าอย่าง MQ-9 Reaper ขับเคลื่อนด้วยเครื่องยนต์เทอร์โบพร็อป Honeywell TPE331-10 พร้อมระบบควบคุมเครื่องยนต์อิเล็กทรอนิกส์ดิจิทัล ซึ่งขับเคลื่อน ใบพัดแบบผลักชนิดหลายใบพัดที่ปรับพิทช์ได้และติดตั้งอยู่ด้านท้าย เช่นกัน ข้อมูลจาก General Atomics ระบุว่าอากาศยานรุ่นนี้ปฏิบัติการได้ที่ระดับความสูงถึง 50,000 ฟุต มีความเร็วเดินทาง 240 knots (ความเร็วอากาศจริง) และสามารถบินปฏิบัติภารกิจได้นานกว่า 27 ชั่วโมง

อากาศยานทั้งสองรุ่นเลือกใช้สถาปัตยกรรมพื้นฐานเดียวกัน นั่นคือ ใบพัดแบบผลัก ที่ติดตั้งบริเวณส่วนท้ายของลำตัวเครื่อง — แม้ว่ารุ่นหนึ่งจะใช้น้ำมันเบนซินผ่านเครื่องยนต์ลูกสูบ และอีกรุ่นใช้เชื้อเพลิงเครื่องบินเจ็ตผ่านเครื่องยนต์เทอร์โบพร็อปก็ตาม การเลือกสถาปัตยกรรมดังกล่าวไม่ใช่เรื่องบังเอิญสำหรับโปรแกรมการทดสอบในอุโมงค์ลม แต่ถือเป็นหัวใจสำคัญเลยทีเดียว

2. Why the pusher layout is its own testing problem

ใบพัดแบบผลักที่ติดตั้งอยู่ด้านหลังลำตัวเครื่องจะไม่ได้รับกระแสลมอิสระที่สะอาด — แต่มันจะดูดซับกระแสลมตาม (wake) จากลำตัวเครื่อง และอาจรวมถึงจากปีกและชุดหางที่อยู่ด้านหน้าขึ้นอยู่กับรูปทรงทางเรขาคณิต กระแสลมขาเข้า (inflow) นั้นเกิดการบิดเบือนไปแล้วก่อนที่จะไปถึงระนาบหมุนของใบพัด และในทางกลับกัน ใบพัดก็จะส่งการหมุนวนของกระแสลม (swirl) และความปั่นป่วนของความดันไปข้างหน้าเข้าสู่สนามการไหลของส่วนหาง การทดสอบใบพัดบนแท่นทดสอบเพียงอย่างเดียว หรือการทดสอบอากาศพลศาสตร์ของปีกเพียงอย่างเดียว ไม่สามารถอธิบายลักษณะการทำงานของปฏิกิริยาระหว่างกันนี้ได้เลย — การทดสอบแต่ละส่วนจะมีความหมายก็ต่อเมื่อทำการวัดผลร่วมกันเท่านั้น

สิ่งนี้สะท้อนให้เห็นถึงข้อค้นพบที่มีการบันทึกไว้ในวงกว้างจากงานวิจัยด้านการบูรณาการระหว่างใบพัด-ช่องรับอากาศ และโครงสร้างอากาศยาน-ระบบขับเคลื่อน: การมีอยู่ของใบพัดทำให้การกระจายความดันรวมเปลี่ยนแปลงไปอย่างวัดผลได้และก่อให้เกิดการบิดเบือนจากการหมุนวนของกระแสลม (swirl distortion) นอกจากนี้ ผลกระทบของการไหลที่ช่องรับอากาศและท่อไอเสียบนโครงสร้างอากาศยานที่บูรณาการระบบขับเคลื่อนแล้ว ยังสามารถเปลี่ยนแปลงอัตราส่วนแรงยกต่อแรงต้าน (lift-to-drag ratio) และโมเมนต์การก้มเงย (pitching moment) ได้อีกด้วย — ซึ่งผลกระทบเหล่านี้จะปรากฏขึ้นก็ต่อเมื่อทำการทดสอบระบบขับเคลื่อนและโครงสร้างอากาศยานร่วมกันเท่านั้น ไม่ใช่การทดสอบแยกส่วน

3. What integration testing actually needs to cover

โครงสร้างอากาศยานเต็มรูปแบบพร้อมติดตั้งใบพัดที่เป็นตัวแทนจริง ไม่ใช่การนำผลลัพธ์จากแท่นทดสอบแรงขับของใบพัดเพียงอย่างเดียวมาซ้อนทับบนกราฟโพลาร์ของโครงสร้างอากาศยานเปล่า — โดยเฉพาะอย่างยิ่งในรูปแบบใบพัดแบบผลัก ซึ่งหมายความว่าทั้งสองส่วนนี้ไม่ได้ทำงานเป็นอิสระจากกัน
คุณภาพการไหลที่ช่องรับอากาศตลอดขอบเขตการบิน (flight envelope) ช่องรับอากาศของเครื่องยนต์เทอร์โบพร็อปจะต้องสามารถส่งมอบการฟื้นตัวของความดัน (pressure recovery) และระดับการบิดเบือนที่ยอมรับได้ไปยังหน้าเครื่องยนต์ในขณะบินเดินทาง ไต่ระดับ และในสภาวะมุมปะทะสูงใดๆ ที่รวมอยู่ในรูปแบบภารกิจ — ซึ่งเป็นข้อกำหนดที่ไม่มีในมอเตอร์ไฟฟ้า
ผลกระทบจากการบูรณาการท่อไอเสียต่อแรงต้านและโมเมนต์การก้มเงย เนื่องจากมีข้อมูลบันทึกไว้ว่าการไหลที่ช่องรับอากาศและท่อไอเสียสามารถเปลี่ยนแปลงทั้งสองค่านี้ได้อย่างวัดผลได้ และภารกิจระดับ MALE นั้นให้ความสำคัญกับประสิทธิภาพการบินเดินทาง ซึ่งค่าแรงต้านที่เพิ่มขึ้นเพียงเล็กน้อยจะสะสมทวีคูณตลอดเที่ยวบินที่ยาวนานกว่า 24 ชั่วโมง
การคำนวณแรงต้านจากการระบายความร้อนสำหรับเครื่องยนต์ลูกสูบโดยเฉพาะ — เครื่องยนต์ลูกสูบที่ระบายความร้อนด้วยของเหลวหรืออากาศจะมีแรงต้านจากการไหลเวียนเพื่อระบายความร้อน (cooling-flow drag) ซึ่งมอเตอร์ไฟฟ้าไม่มี และจำเป็นต้องถูกบันทึกไว้ในการทดสอบเดียวกันกับงบประมาณแรงต้าน (drag budget) ส่วนอื่นๆ ของโครงสร้างอากาศยาน
ปฏิกิริยาระหว่างกระแสลมตามของใบพัดกับส่วนหาง เนื่องจากรูปแบบใบพัดแบบผลักจะทำให้ชุดหางอยู่ในหรือใกล้กับกระแสลมขาเข้าและกระแสลมพัดตาม (slipstream) ของใบพัดโดยตรง — ซึ่งเป็นความเชื่อมโยงที่จะเปลี่ยนแปลงไปตามการตั้งค่ากำลังเครื่องยนต์และมุมปะทะ

4. Five mistakes we see

การทดสอบใบพัดและโครงสร้างอากาศยานแยกเป็นสองแคมเปญ ในรูปแบบใบพัดแบบผลัก กระแสลมขาเข้าของใบพัดมาจากกระแสลมตามของโครงสร้างอากาศยาน และการไหลที่ส่วนหางของโครงสร้างอากาศยานก็ถูกกำหนดรูปร่างโดยใบพัด — การทดสอบเพียงอย่างใดอย่างหนึ่งไม่สามารถจับภาพความเชื่อมโยงนี้ได้
การข้ามการวัดการบิดเบือนที่ช่องรับอากาศเพราะ "ผู้ผลิตเครื่องยนต์ระบุสเปกไว้แล้ว" ข้อมูลจำเพาะของผู้ผลิตตั้งสมมติฐานว่ากระแสลมขาเข้านั้นสะอาดและไม่มีการบิดเบือน การบิดเบือนที่เกิดขึ้นเมื่อติดตั้งบนโครงสร้างอากาศยานเป็นผลกระทบจากการติดตั้งที่เอกสารข้อมูลจำเพาะของเครื่องยนต์ไม่สามารถคาดการณ์ได้
การมองว่าแรงต้านจากการระบายความร้อนเป็นเรื่องที่ค่อยคิดทีหลังในการบูรณาการเครื่องยนต์ สำหรับเครื่องยนต์ลูกสูบ การไหลเวียนเพื่อระบายความร้อนถือเป็นส่วนหนึ่งของงบประมาณแรงต้านของอากาศยานตั้งแต่วันแรก ไม่ใช่ค่าปรับแก้ที่จะนำมาใช้หลังจากเสร็จสิ้นการทดสอบอากาศพลศาสตร์แล้ว
การทึกทักเอาเองว่าระบบขับเคลื่อนแบบเทอร์โบพร็อปและลูกสูบใช้แผนการทดสอบร่วมกันได้ ข้อกำหนดด้านการฟื้นตัวของความดันที่ช่องรับอากาศของเครื่องยนต์เทอร์โบพร็อป และข้อกำหนดด้านการไหลของอากาศเพื่อระบายความร้อนของเครื่องยนต์ลูกสูบ เป็นปัญหาทางกายภาพที่แตกต่างกันและต้องการเครื่องมือวัด (instrumentation) ที่แตกต่างกัน
ไม่ทำการทดสอบครอบคลุมทุกการตั้งค่ากำลังเครื่องยนต์ ปฏิกิริยาระหว่างกระแสลมพัดตามของใบพัดกับส่วนหางจะเปลี่ยนแปลงไปตามแรงขับ ดังนั้นการทดสอบที่การตั้งค่ากำลังเพียงระดับเดียวจะทำให้พลาดการสังเกตว่าความเชื่อมโยงดังกล่าวเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรตลอดรูปแบบภารกิจจริง — กำลังเครื่องยนต์ขณะไต่ระดับ บินเดินทาง และบินวนรอ ไม่ใช่จุดทดสอบที่สามารถใช้แทนกันได้

5. What this means for your programme

เพียงบอกประเภทเครื่องยนต์ รูปแบบใบพัด และรูปแบบการใช้กำลังในภารกิจของคุณให้เราทราบ แล้วเราจะกำหนดขอบเขตการทดสอบการบูรณาการระหว่างโครงสร้างอากาศยานและระบบขับเคลื่อนที่ครอบคลุมผลกระทบของช่องรับอากาศ ท่อไอเสีย การระบายความร้อน และกระแสลมพัดตามไปพร้อมๆ กัน — ไม่ใช่การทดสอบบนแท่นแยกต่างหากแล้วนำมาผูกรวมกับกราฟโพลาร์ของโครงสร้างอากาศยานเปล่า บทความที่เกี่ยวข้อง: บทความหลักของเราเกี่ยวกับ

long-range fixed-wing UAS testing

Sources and notes

ระบบขับเคลื่อนของ MQ-1 Predator (เครื่องยนต์ลูกสูบ 4 สูบ เทอร์โบชาร์จ Rotax 914F ให้กำลังประมาณ 115 hp ระบายความร้อนด้วยอากาศที่กระบอกสูบและระบายความร้อนด้วยน้ำที่ฝาสูบ ใบพัดแบบผลักชนิดสองใบพัดความเร็วคงที่ ความเร็วเดินทางประมาณ 84–135 mph ที่ระดับความสูงราว 25,000 ฟุต สำหรับภารกิจที่ยาวนานกว่า 24 ชั่วโมง): สอดคล้องกับข้อมูลจำเพาะของเครื่องยนต์ที่เผยแพร่โดยผู้ผลิต (Rotax, "914 UL | F" product page) และประวัติโปรแกรม MQ-1 Predator ของ General Atomics
ระบบขับเคลื่อนของ MQ-9A Reaper (เครื่องยนต์เทอร์โบพร็อป Honeywell TPE331-10 พร้อมระบบควบคุมเครื่องยนต์อิเล็กทรอนิกส์ดิจิทัล ระดับความสูงสูงสุด 50,000 ฟุต ความเร็วเดินทาง 240 KTAS บินต่อเนื่องได้นานกว่า 27 ชั่วโมง): General Atomics Aeronautical Systems, "MQ-9A Reaper (Predator B)"
รูปแบบใบพัดแบบผลักที่ติดตั้งด้านท้ายบนโครงสร้างอากาศยานของทั้ง Predator และ Reaper เป็นคุณสมบัติที่มีการบันทึกไว้ในการออกแบบตระกูล Predator/Reaper ของ General Atomics
ผลกระทบจากการบูรณาการระหว่างใบพัดและช่องรับอากาศ (การเปลี่ยนแปลงที่วัดผลได้ต่อการกระจายความดันรวมและการบิดเบือนจากการหมุนวนของกระแสลมเมื่อใบพัดทำงาน) และผลกระทบจากการบูรณาการช่องรับอากาศ/ท่อไอเสียต่ออัตราส่วนแรงยกต่อแรงต้านและโมเมนต์การก้มเงย เป็นข้อค้นพบที่มีการบันทึกไว้ในเอกสารเผยแพร่เกี่ยวกับการทดสอบในอุโมงค์ลมและการจำลองการบูรณาการระหว่างใบพัด-ช่องรับอากาศ และโครงสร้างอากาศยาน-ระบบขับเคลื่อน
คำแนะนำด้านระเบียบวิธีทดสอบ (การทดสอบใบพัดร่วมกับโครงสร้างอากาศยาน การวัดการบิดเบือนที่ช่องรับอากาศ การคำนวณแรงต้านจากการระบายความร้อน การทดสอบกระแสลมพัดตามที่การตั้งค่ากำลังหลายระดับ) เป็นแนวทางปฏิบัติด้านวิศวกรรมของ TunnelTech

การบูรณาการระบบขับเคลื่อนแบบเทอร์โบพร็อปและลูกสูบสำหรับ UAS ระยะไกล