Сертифікація великих БПЛА з нерухомим крилом на стійкість до обледеніння та всепогодність
Чому захист від обледеніння на літальних апаратах MALE або HALE є повноцінною проблемою сертифікації, а не рішенням для дрібних компонентів, що забезпечує справжня аеродинамічна труба для випробувань на обледеніння та що саме потрібно випробовувати.
Проблема обледеніння на невеликому електричному БПЛА зазвичай вирішується за допомогою підігріву пропелера або трубки Піто — це цільове рішення для невеликого компонента з обмеженим енергоспоживанням. Обледеніння на літальних апаратах класу MALE або HALE — це проблема зовсім іншого рівня: це вимога сертифікації для всього літального апарата, що базується на стандартах і випробовується в тих самих умовах обледеніння, що й пілотовані транспортні літаки, оскільки в такому масштабі апарат літає в тих самих погодних умовах.
1. Стандарт сертифікації такий самий, як і для пілотованих літальних апаратів
Еталонним об'єктом для цього класу випробувань є Icing Research Tunnel (IRT) NASA в Дослідницькому центрі Гленна — одна з найбільших у світі холодильних аеродинамічних труб, призначених для дослідження обледеніння літальних апаратів, і об'єкт, який чітко відтворює стандарт сертифікації FAA щодо обледеніння, викладений у Федеральних авіаційних правилах (FAR), частина 25, додаток C . Її опубліковані характеристики показують, чого насправді вимагає «повномасштабна сертифікація щодо обледеніння»:
- Випробувальна секція 6 футів заввишки × 9 футів завширшки × 20 футів завдовжки
- Швидкість повітря у випробувальній секції від 50 до 350 вузлів
- Загальна температура у випробувальній секції від –25 °C до 5 °C
- Вміст рідкої води від 0,2 до 3,0 г/м³ , з однорідністю хмари в межах ±10%
- Медіанний об'ємний діаметр крапель від 15 до 50 мкм
- Однорідна хмара обледеніння, що покриває 4,5 на 6 футів випробувальної секції
- Імітований потік відібраного від двигуна повітря до 1 фунта/с для випробування теплових протиобліднювальних систем, які використовують гаряче відібране повітря
IRT випробовує повнорозмірні компоненти літальних апаратів, а також масштабні моделі літаків і вертольотів, і список її клієнтів — Boeing, Bell Helicopter, Goodrich, Cessna, Sikorsky, а також Армія, ВМС і ВПС США — свідчить про те, що це інфраструктура сертифікаційного рівня, а не просто дослідницька цікавинка. Більш пізні кампанії NASA з випробувань на обледеніння також розширили калібрувальні роботи для новіших умов великих переохолоджених крапель (SLD) згідно з Додатком O , які тепер вимагають як FAA, так і EASA поряд із початковим діапазоном Додатка C.
2. Чому технологія захисту від обледеніння відрізняється залежно від масштабу
Технології захисту від обледеніння чітко розділяються залежно від масштабу літального апарата, і це відбувається з фізичної причини: доступна потужність. Електротермічний підігрів — типовий підхід для невеликих БПЛА — обмежується силою струму акумулятора, яку може забезпечити невелика електрична платформа, тому він зазвичай застосовується лише для невеликих, критично важливих компонентів, таких як пропелер або приймач повітряного тиску (трубка Піто), а не для всього крила.
Великий літальний апарат класу MALE або HALE, що працює на паливі, має зовсім інший енергетичний бюджет, і це відкриває можливості для теплового захисту від обледеніння з використанням відібраного від двигуна повітря , яке подається до передньої кромки крила через трубку Пікколо — це та сама базова архітектура, яку пілотовані транспортні літаки використовують десятиліттями, і яка позбавляє літальний апарат необхідності нести електрогенераторні потужності, яких вимагала б повністю електрична протиобліднювальна система. Задокументовані приклади в цьому масштабі включають RQ-4 Global Hawk , чия протиобліднювальна система капота двигуна використовує тепло, отримане від гідравлічної системи літака, а не відібране повітря — це нагадування про те, що «тепловий захист» на великих БПЛА може бути спроєктований з використанням більш ніж одного бортового джерела тепла, і правильний вибір залежить від конкретної архітектури систем літального апарата.
3. Що має охоплювати кампанія з випробувань на обледеніння великих БПЛА з нерухомим крилом
- Випробування в реальних умовах сертифікації , а не в довільних холодно-вологих умовах — комбінації вмісту рідкої води, розміру крапель і температури згідно з Додатком C вказані точно, оскільки різні комбінації створюють різні форми льоду та різні аеродинамічні втрати.
- Умови великих переохолоджених крапель згідно з Додатком O поряд із Додатком C , оскільки обледеніння в умовах SLD призводить до наростання льоду далі в хвостовій частині аеродинамічного профілю, ніж класичне обледеніння за Додатком C, у місцях, які системи захисту від льоду, розроблені лише для Додатка C, можуть не охоплювати.
- Уся теплова система, а не лише поверхня, що нагрівається — для системи з відбором повітря це означає випробування повітропроводів, розподілу через трубку Пікколо та подачі тепла в умовах імітованого потоку від двигуна, а не просто вимірювання скидання льоду з ізольованої панелі, що нагрівається.
- Аеродинамічні характеристики з прикріпленими реалістичними формами льоду , оскільки сертифікація в кінцевому підсумку стосується льотних якостей літального апарата з льодом, для захисту від якого розроблена система, а не лише того, чи запобігає система утворенню льоду в найкращому випадку.
- Повнорозмірні компоненти там, де цього вимагає сертифікаційна база — задокументована здатність IRT випробовувати повнорозмірні компоненти літальних апаратів існує саме тому, що фізика наростання льоду на деяких компонентах не масштабується коректно на невелику модель.
4. П'ять помилок, які ми спостерігаємо
- Розгляд захисту від обледеніння як електротермічної проблеми на рівні компонентів для будь-якого масштабу літального апарата. Те, що працює для пропелера невеликого БПЛА, не можна екстраполювати на крило MALE/HALE — енергетичний бюджет і сертифікаційна база в них різні.
- Випробування лише за Додатком C і припущення, що це охоплює «обледеніння». Умови великих переохолоджених крапель згідно з Додатком O тепер є окремою, обов'язковою частиною сертифікаційної бази для багатьох програм, і вони викликають обледеніння іншої частини аеродинамічного профілю.
- Валідація джерела тепла без валідації системи подачі. Розподіл через трубку Пікколо та втрати в повітропроводах системи з відбором повітря мають таке ж значення, як і наявне вихідне тепло — система, яка працює на папері, може не забезпечити достатню потужність на кінцівці крила.
- Вимірювання запобігання обледенінню без вимірювання аеродинамічних втрат. Сертифікація — це не просто «чи утворюється лід», це «як літальний апарат літає з формами льоду, проти яких валідована система захисту».
- Припущення, що масштабована модель відтворює все те, що й повнорозмірний компонент. Фізика наростання льоду — це одна зі сфер, де масштабні ефекти найменш передбачувані, саме тому в аеродинамічних трубах сертифікаційного рівня безпосередньо випробовують повнорозмірні компоненти.
5. Що це означає для вашої програми
Повідомте нам вашу сертифікаційну базу та архітектуру захисту від обледеніння , і ми розробимо програму випробувань відповідно до реальних умов Додатка C і Додатка O, за якими ваш літальний апарат має пройти сертифікацію, а не просто загальну перевірку в холодну погоду. Матеріали по темі: наша оглядова стаття про
long-range fixed-wing UAS testing.
Джерела та примітки
- Характеристики об'єкта NASA Icing Research Tunnel (випробувальна секція 6 × 9 × 20 футів, швидкість повітря 50–350 вузлів, загальна температура від –25 °C до 5 °C, вміст рідкої води 0,2–3,0 г/м³ з однорідністю хмари ±10%, медіанний об'ємний діаметр крапель 15–50 мкм, однорідна хмара обледеніння 4,5 на 6 футів, імітований потік відібраного від двигуна повітря до 1 фунта/с, відтворення стандартів сертифікації щодо обледеніння FAA FAR Part 25 Appendix C, випробування повнорозмірних компонентів літальних апаратів і масштабних моделей літаків та вертольотів, а також клієнтська база, що включає Boeing, Bell Helicopter, Goodrich, Cessna, Sikorsky та військові відомства США): NASA Glenn Research Center / NASA Aeronautics Test Program, інформаційний бюлетень "Icing Research Tunnel".
- Розширення калібрувальних робіт IRT для умов великих переохолоджених крапель (SLD) згідно з Додатком O FAA/EASA в більш пізніх кампаніях випробувань NASA задокументовано в наступних публікаціях NASA Glenn щодо досліджень обледеніння на сервері технічних звітів NASA.
- Електротермічний захист від льоду як типовий підхід для невеликих компонентів БПЛА з обмеженим енергоспоживанням, на противагу тепловому захисту від обледеніння з відбором повітря через трубку Пікколо як підходу, що підходить для великих літальних апаратів HALE, які працюють на паливі, а також протиобліднювальна система капота двигуна RQ-4 Global Hawk, що отримує тепло від гідравлічної системи літака: узгоджується з опублікованою літературою щодо систем захисту літальних апаратів від льоду.
- Довідкова інформація про літальний апарат RQ-4B Global Hawk (клас HALE): узгоджується з нашою опублікованою статтею про випробування БПЛА великої дальності з нерухомим крилом (MALE, HALE та VTOL).
- Керівництво з методології випробувань (випробування в повному діапазоні Додатка C і Додатка O, теплова валідація всієї системи, вимірювання аеродинамічних втрат із прикріпленими формами льоду, випробування повнорозмірних компонентів) є інженерною практикою TunnelTech, що безпосередньо відповідає характеристикам об'єктів сертифікаційного рівня, задокументованим вище.