Інтеграція турбогвинтових та поршневих силових установок для БАС великої дальності
Чому БАС класу MALE з турбогвинтовими та поршневими двигунами створюють проблему інтеграції, з якою ніколи не стикаються електричні дрони, що показують реальні літальні апарати та що саме потрібно випробовувати.
Вибір силової установки для літальних апаратів класу MALE або HALE — це зовсім інша дисципліна, ніж вибір електродвигуна та пропелера. Турбогвинтовий або поршневий двигун на важкому паливі передбачає наявність повітрозабірника, вихлопної системи, системи охолодження та гвинта, достатньо великого для суттєвої взаємодії з планером, на якому він встановлений — і все це на реальних крейсерських швидкостях та висотах, а не в режимі низьких швидкостей та низьких чисел Рейнольдса, в якому працюють невеликі електричні БПЛА.
1. Два реальні двигуни, дві реальні проблеми інтеграції
Два флагманські приклади цього класу ілюструють, наскільки різним може бути поняття «силова установка» навіть у межах одного сімейства літальних апаратів. Оригінальний MQ-1 Predator був оснащений одним Rotax 914F — чотирициліндровим чотиритактним поршневим двигуном із турбонаддувом потужністю близько 115 к.с. , з повітряним охолодженням циліндрів та водяним охолодженням головок, що приводив у рух дволопатевий штовхальний гвинт постійного кроку — апарат здійснював крейсерський політ зі швидкістю приблизно від 84 до 135 миль/год, на висоті близько 25 000 футів, тривалістю понад 24 години поспіль.
Його більший наступник, MQ-9 Reaper , оснащений турбогвинтовим двигуном Honeywell TPE331-10 з цифровою електронною системою керування , який також приводить у рух встановлений ззаду багатолопатевий штовхальний гвинт змінного кроку . За даними General Atomics, апарат працює на висоті до 50 000 футів, має крейсерську істинну повітряну швидкість 240 вузлів і тривалість польоту понад 27 годин.
Для обох апаратів було обрано однакову базову архітектуру — штовхальний гвинт , встановлений у хвостовій частині фюзеляжу, — незважаючи на те, що один працює на бензині з поршневим двигуном, а інший — на авіаційному гасі з турбогвинтовим. Цей архітектурний вибір не є випадковим для програми випробувань в аеродинамічній трубі; він є її центральним елементом.
2. Чому штовхальна схема є окремою проблемою для випробувань
Штовхальний гвинт, встановлений позаду фюзеляжу, не взаємодіє з чистим незбуреним потоком повітря — він захоплює аеродинамічний слід фюзеляжу та, залежно від геометрії, крила і хвостового оперення, що знаходяться перед ним. Цей вхідний потік вже є спотвореним до того, як досягає диска гвинта, а гвинт, у свою чергу, передає власну закрутку потоку та збурення тиску вперед у поле течії хвостового оперення. Стендові випробування лише гвинта або аеродинамічні випробування лише крила не характеризують жодну зі сторін цієї взаємодії — кожне з них має сенс лише за умови вимірювання в присутності іншого.
Це відображає ширший, задокументований висновок у дослідженнях інтеграції гвинта з повітрозабірником та силової установки з планером: наявність гвинта відчутно змінює розподіл повного тиску та вносить викривлення через закрутку потоку, а вплив вхідного та вихлопного потоків на планер з інтегрованою силовою установкою може змінити аеродинамічну якість та момент тангажу — ефекти, які проявляються лише тоді, коли силова установка та планер випробовуються разом, а не окремо.
3. Що насправді мають охоплювати інтеграційні випробування
- Повний планер із репрезентативним гвинтом , а не результати випробувань тяги лише гвинта на стенді, накладені на поляру чистого планера — штовхальна конфігурація безпосередньо означає, що вони не є незалежними.
- Якість вхідного потоку у всьому діапазоні режимів польоту. Повітрозабірник турбогвинтового двигуна повинен забезпечувати прийнятний рівень відновлення тиску та спотворень на вході у двигун під час крейсерського польоту, набору висоти та будь-яких умов з великим кутом атаки, передбачених профілем місії — вимога, яка не має аналогів для електродвигуна.
- Вплив інтеграції вихлопної системи на аеродинамічний опір та момент тангажу , оскільки задокументовано, що вхідний та вихлопний потоки відчутно змінюють обидва параметри, а місії класу MALE базуються на крейсерській ефективності, де невеликі втрати на опір накопичуються протягом понад 24-годинних польотів.
- Врахування опору охолодження спеціально для поршневої силової установки — поршневий двигун з рідинним або повітряним охолодженням має аеродинамічний опір потоку охолодження, який електродвигун просто не створює, і він має бути зафіксований у тому ж випробуванні, що й решта бюджету опору планера.
- Взаємодія аеродинамічного сліду гвинта з хвостовим оперенням , оскільки штовхальна схема розміщує оперення безпосередньо в або поблизу вхідного потоку та супутнього струменя гвинта — зв'язок, який змінюється залежно від режиму потужності та кута атаки.
4. П'ять помилок, які ми спостерігаємо
- Випробування гвинта та планера як двох окремих кампаній. У штовхальній конфігурації вхідний потік гвинта формується з аеродинамічного сліду планера, а потік навколо хвостового оперення планера формується гвинтом — жодне з випробувань окремо не фіксує цей взаємозв'язок.
- Пропуск вимірювання спотворень на вході через те, що «це вказано в специфікаціях виробника двигуна». Специфікації виробника передбачають чистий, неспотворений вхідний потік; спотворення, спричинені встановленням на планер, є ефектом інтеграції, який технічний паспорт двигуна не може передбачити.
- Ставлення до опору охолодження як до другорядного питання інтеграції двигуна. Для поршневої силової установки потік охолодження є частиною бюджету опору літального апарата з першого дня, а не поправкою, що застосовується після завершення аеродинамічних випробувань.
- Припущення, що турбогвинтові та поршневі силові установки мають спільний план випробувань. Вимоги до відновлення тиску на вході турбогвинтового двигуна та вимоги до потоку охолоджувального повітря поршневого двигуна — це різні фізичні проблеми з різними потребами у вимірювальній апаратурі.
- Відсутність випробувань на різних режимах потужності. Взаємодія супутнього струменя гвинта з хвостовим оперенням змінюється залежно від тяги, тому випробування на одному режимі потужності не враховує, як цей зв'язок змінюється в реальному профілі місії — потужність під час набору висоти, крейсерського польоту та баражування не є взаємозамінними контрольними точками.
5. Що це означає для вашої програми
Повідомте нам тип вашого двигуна, конфігурацію гвинта та профіль потужності місії , і ми розробимо програму інтеграційних випробувань планера та силової установки, яка фіксує ефекти повітрозабірника, вихлопу, охолодження та супутнього струменя разом, а не як окремі стендові випробування, «прикручені» до поляри чистого планера. Пов'язані матеріали: наша головна стаття про
long-range fixed-wing UAS testing.
Джерела та примітки
- Силова установка MQ-1 Predator (чотирициліндровий поршневий двигун Rotax 914F з турбонаддувом потужністю близько 115 к.с., циліндри з повітряним охолодженням та головки з водяним охолодженням, дволопатевий штовхальний гвинт постійного кроку, крейсерська швидкість приблизно 84–135 миль/год на висоті близько 25 000 футів для місій тривалістю понад 24 години): відповідає опублікованим специфікаціям двигуна від виробника (сторінка продукту Rotax, "914 UL | F") та історії програми General Atomics MQ-1 Predator.
- Силова установка MQ-9A Reaper (турбогвинтовий двигун Honeywell TPE331-10 з цифровою електронною системою керування, максимальна висота 50 000 футів, крейсерська швидкість 240 вузлів істинної повітряної швидкості (KTAS), тривалість польоту понад 27 годин): General Atomics Aeronautical Systems, "MQ-9A Reaper (Predator B)".
- Конфігурація зі штовхальним гвинтом, встановленим ззаду, на планерах Predator та Reaper є задокументованою особливістю конструкції сімейства General Atomics Predator/Reaper.
- Ефекти інтеграції гвинта та повітрозабірника (вимірювані зміни в розподілі повного тиску та викривлення через закрутку потоку при працюючому гвинті), а також ефекти інтеграції вхідного/вихлопного потоків на аеродинамічну якість та момент тангажу є задокументованими висновками в опублікованій літературі з випробувань в аеродинамічних трубах та моделювання інтеграції гвинта-повітрозабірника і планера-силової установки.
- Настанови щодо методології випробувань (комбіновані випробування гвинта та планера, вимірювання спотворень на вході, врахування опору охолодження, випробування супутнього струменя на різних режимах потужності) є інженерною практикою TunnelTech.