Uzun Menzilli UAS'ler İçin Turboprop ve Pistonlu İtki Entegrasyonu
Turboprop ve piston motorlu MALE sınıfı UAS'lerin elektrikli dronların asla karşılaşmadığı bir entegrasyon problemini neden getirdiği, gerçek hava araçlarının ne gösterdiği ve nelerin test edilmesi gerektiği.
MALE veya HALE sınıfı bir hava aracında itki sistemine karar vermek, bir elektrik motoru ve pervane seçmekten tamamen farklı bir disiplindir. Bir turboprop veya ağır yakıtlı pistonlu motor; bir hava girişi, bir egzoz, bir soğutma sistemi ve üzerine monte edildiği gövdeyle anlamlı bir şekilde etkileşime girecek kadar büyük bir pervane getirir. Üstelik tüm bunlar, küçük bir elektrikli İHA'nın içinde bulunduğu düşük hızlı, düşük Reynolds sayılı rejimde değil, gerçek seyir hızında ve irtifasında gerçekleşir.
1. İki gerçek motor, iki gerçek entegrasyon problemi
Bu sınıfın iki amiral gemisi örneği, aynı hava aracı ailesi içinde bile "itki" kavramının ne kadar farklı anlamlara gelebileceğini göstermektedir. Orijinal MQ-1 Predator , silindirleri hava, silindir kapakları ise su soğutmalı olan ve çift palli, sabit hızlı itici pervaneyi tahrik eden, yaklaşık 115 hp gücünde, turboşarjlı, dört silindirli, dört zamanlı tek bir Rotax 914F pistonlu motor ile güçlendirilmişti. Hava aracı, tek seferde 24 saati aşkın bir süre boyunca yaklaşık 25.000 feet irtifada, kabaca 84 ila 135 mph seyir hızında uçuyordu.
Onun daha büyük halefi olan MQ-9 Reaper , yine arkaya monte edilmiş, çok palli, hatvesi kontrol edilebilir bir itici pervaneyi tahrik eden, Dijital Elektronik Motor Kontrolüne sahip bir Honeywell TPE331-10 turboprop ile güçlendirilmiştir. General Atomics'e göre hava aracı 50.000 feet irtifaya kadar görev yapabilmekte, 240 knots gerçek hava hızında (KTAS) seyredebilmekte ve 27 saatin üzerinde havada kalış süresine sahip olmaktadır.
Biri pistonlu motor aracılığıyla benzinle, diğeri ise turboprop aracılığıyla jet yakıtıyla çalışmasına rağmen, her iki hava aracı da aynı temel mimariyi, yani gövdenin arkasına monte edilmiş bir itici pervane mimarisini seçmiştir. Bu mimari tercih, bir rüzgâr tüneli programı için tesadüfi değildir; aksine programın merkezinde yer alır.
2. İtici (pusher) yerleşimi neden başlı başına bir test problemidir?
Gövdenin arkasına monte edilen bir itici pervane, temiz bir serbest akış havası görmez; gövdenin ve geometriye bağlı olarak önündeki kanat ile kuyruk takımının dümen suyunu (wake) içine çeker. Bu giriş akışı, pervane diskine ulaşmadan önce zaten bozulmuştur ve pervane de kendi girdabını (swirl) ve basınç bozulmasını ileriye, kuyruğun akış alanına doğru besler. Tek başına bir pervane tezgah testi veya tek başına bir kanat aerodinamik testi, bu etkileşimin hiçbir tarafını karakterize etmez; her biri yalnızca diğeri mevcutken ölçüldüğünde bir anlam ifade eder.
Bu durum, pervane-giriş ve gövde-itki entegrasyonu araştırmalarındaki daha geniş ve belgelenmiş bir bulguyu yansıtmaktadır: Pervanenin varlığı, toplam basınç dağılımını ölçülebilir şekilde değiştirir ve girdap bozulmasına neden olur. Ayrıca, itki entegreli bir gövde üzerindeki emme ve egzoz akışı etkileri, taşıma-sürükleme oranını ve yunuslama momentini değiştirebilir. Bu etkiler, itki sistemi ve gövde ayrı ayrı değil, yalnızca birlikte test edildiğinde ortaya çıkar.
3. Entegrasyon testleri gerçekte neleri kapsamalıdır?
- Temiz bir gövde poları üzerine eklenmiş tek başına bir pervane itki standı sonucu değil, temsili bir pervanenin bulunduğu tam gövde — itici konfigürasyonu, bu ikisinin birbirinden bağımsız olmadığı anlamına gelir.
- Uçuş zarfı boyunca giriş akış kalitesi. Bir turbopropun hava girişi; seyir, tırmanma ve görev profilinin içerdiği herhangi bir yüksek hücum açısı koşulunda motor yüzeyine kabul edilebilir basınç geri kazanımı ve bozulma seviyeleri sağlamalıdır. Bu, elektrik motorunda karşılığı olmayan bir gereksinimdir.
- Egzoz entegrasyonunun sürükleme ve yunuslama momenti üzerindeki etkileri. Emme ve egzoz akışının her ikisini de ölçülebilir şekilde değiştirdiği belgelenmiştir ve MALE sınıfı bir görev, küçük sürükleme cezalarının 24 saati aşan uçuşlar boyunca katlanarak arttığı seyir verimliliği üzerinden pazarlanır.
- Özellikle pistonlu bir güç grubu için soğutma sürüklemesinin hesaba katılması — sıvı veya hava soğutmalı bir pistonlu motor, bir elektrik motorunun kesinlikle üretmediği bir soğutma akışı sürüklemesine sahiptir ve bunun, gövde sürükleme bütçesinin geri kalanıyla aynı testte yakalanması gerekir.
- Pervane dümen suyunun kuyruk ile etkileşimi. İtici yerleşimi, kuyruk takımını doğrudan pervanenin giriş akışına ve kayma akımına (slipstream) veya yakınına yerleştirir; bu, güç ayarı ve hücum açısı ile değişen bir eşleşmedir.
4. Karşılaştığımız beş hata
- Pervane ve gövdenin iki ayrı kampanya olarak test edilmesi. İtici bir konfigürasyonda, pervanenin giriş akışı gövdenin dümen suyundan gelir ve gövdenin kuyruk akışı pervane tarafından şekillendirilir — tek başına hiçbir test bu eşleşmeyi yakalayamaz.
- "Motor üreticisi bunu belirtiyor" diyerek giriş bozulması ölçümünün atlanması. Üretici spesifikasyonları temiz, bozulmamış bir giriş akışı varsayar; gövdeye monte edilmiş bozulma, motor spesifikasyon sayfasının öngöremeyeceği bir kurulum etkisidir.
- Soğutma sürüklemesinin motor entegrasyonunda sonradan akla gelen bir detay olarak ele alınması. Pistonlu bir güç grubu için soğutma akışı, aerodinamik test yapıldıktan sonra uygulanan bir düzeltme değil, ilk günden itibaren hava aracının sürükleme bütçesinin bir parçasıdır.
- Turboprop ve pistonlu itki sistemlerinin aynı test planını paylaştığının varsayılması. Bir turbopropun giriş basıncı geri kazanım gereksinimi ile bir pistonlu motorun soğutma hava debisi gereksinimi, farklı enstrümantasyon ihtiyaçları olan farklı fiziksel problemlerdir.
- Farklı güç ayarlarında test yapılmaması. Pervane kayma akımının kuyruk ile etkileşimi itki ile değişir, bu nedenle tek bir güç ayarında yapılan test, bu eşleşmenin gerçek görev profili boyunca nasıl değiştiğini gözden kaçırır — tırmanma, seyir ve havada bekleme gücü birbirinin yerine geçebilecek test noktaları değildir.
5. Bu durum programınız için ne anlama geliyor?
Bize motor tipinizi, pervane konfigürasyonunuzu ve görev güç profilinizi söyleyin , biz de temiz bir gövde polarına cıvatalanmış ayrı tezgah testleri olarak değil; giriş, egzoz, soğutma ve kayma akımı etkilerini birlikte yakalayan bir gövde-itki entegrasyon testini kapsamlandıralım. İlgili okuma:
long-range fixed-wing UAS testinghakkındaki ana makalemiz.
Kaynaklar ve notlar
- MQ-1 Predator itki sistemi (yaklaşık 115 hp gücünde Rotax 914F turboşarjlı dört silindirli pistonlu motor, hava soğutmalı silindirler ve su soğutmalı silindir kapakları, çift palli sabit hızlı itici pervane, 24 saati aşan görevler için yaklaşık 25.000 ft irtifada kabaca 84–135 mph seyir hızı): üreticinin yayınladığı motor spesifikasyonları (Rotax, "914 UL | F" ürün sayfası) ve General Atomics MQ-1 Predator program geçmişi ile tutarlıdır.
- MQ-9A Reaper itki sistemi (Dijital Elektronik Motor Kontrolüne sahip Honeywell TPE331-10 turboprop, maksimum 50.000 ft irtifa, 240 KTAS seyir hızı, 27 saatin üzerinde havada kalış süresi): General Atomics Aeronautical Systems, "MQ-9A Reaper (Predator B)".
- Hem Predator hem de Reaper gövdelerindeki arkaya monte edilmiş itici pervane konfigürasyonu, General Atomics Predator/Reaper ailesi tasarımının belgelenmiş bir özelliğidir.
- Pervane-giriş entegrasyon etkileri (pervane aktifken toplam basınç dağılımında ve girdap bozulmasında meydana gelen ölçülebilir değişiklikler) ile emme/egzoz entegrasyonunun taşıma-sürükleme oranı ve yunuslama momenti üzerindeki etkileri, yayınlanmış pervane-giriş ve gövde-itki entegrasyonu rüzgâr tüneli ve simülasyon literatüründe belgelenmiş bulgulardır.
- Test metodolojisi rehberliği (birleşik pervane-gövde testi, giriş bozulması ölçümü, soğutma sürüklemesi hesabı, çoklu güç ayarlı kayma akımı testi) TunnelTech mühendislik uygulamasıdır.