Thử nghiệm hệ thống động lực Turboprop và Piston cho UAS

Quyết định lựa chọn hệ thống động lực cho máy bay MALE hoặc HALE là một phạm trù hoàn toàn khác so với việc chọn động cơ điện và cánh quạt. Một động cơ turboprop hoặc động cơ piston dùng nhiên liệu nặng đi kèm với cửa hút gió, ống xả, hệ thống làm mát và một cánh quạt đủ lớn để tương tác đáng kể với khung máy bay mà nó được gắn lên — tất cả đều ở tốc độ bay hành trình và độ cao thực tế, chứ không phải ở chế độ tốc độ thấp, số Reynolds thấp như của một UAV chạy điện cỡ nhỏ.

1. Hai động cơ thực tế, hai bài toán tích hợp thực tế

Hai ví dụ tiêu biểu của phân khúc này minh họa cho việc "hệ thống động lực" có thể mang ý nghĩa khác biệt như thế nào ngay cả trong cùng một dòng máy bay. Chiếc MQ-1 Predator nguyên bản được trang bị một động cơ Rotax 914F, động cơ piston 4 thì, 4 xi-lanh tăng áp với công suất khoảng 115 hp , làm mát bằng không khí ở xi-lanh và làm mát bằng nước ở đầu quy-lát, dẫn động một cánh quạt đẩy hai lá có tốc độ không đổi — máy bay bay hành trình ở tốc độ khoảng 84 đến 135 mph, ở độ cao khoảng 25.000 feet, trong hơn 24 giờ liên tục.

Phiên bản kế nhiệm lớn hơn của nó, chiếc MQ-9 Reaper , được trang bị động cơ turboprop Honeywell TPE331-10 với Hệ thống điều khiển động cơ điện tử kỹ thuật số , cũng dẫn động một cánh quạt đẩy nhiều lá, có thể điều chỉnh bước cánh, gắn ở phía sau . Theo General Atomics, máy bay hoạt động ở độ cao lên tới 50.000 feet, bay hành trình ở tốc độ không khí thực là 240 knot và có thời gian bay liên tục hơn 27 giờ.

Cả hai máy bay đều chọn cùng một kiến trúc cơ bản — một cánh quạt đẩy gắn ở phía sau thân máy bay — mặc dù một chiếc chạy bằng xăng qua động cơ piston và chiếc kia chạy bằng nhiên liệu phản lực qua động cơ turboprop. Lựa chọn kiến trúc đó không phải là ngẫu nhiên đối với một chương trình thử nghiệm hầm gió; nó là yếu tố trọng tâm.

2. Tại sao cấu hình cánh quạt đẩy lại là một bài toán thử nghiệm riêng biệt

Một cánh quạt đẩy gắn phía sau thân máy bay không tiếp xúc với luồng không khí tự do sạch — nó hút vào luồng khí nhiễu động từ thân máy bay và, tùy thuộc vào hình học, từ cánh và cụm đuôi phía trước nó. Luồng khí đi vào đó đã bị biến dạng trước khi chạm tới đĩa cánh quạt, và đến lượt mình, cánh quạt lại đẩy thành phần xoáy và nhiễu loạn áp suất của chính nó vào trường dòng chảy của đuôi máy bay. Một thử nghiệm trên băng thử chỉ dành riêng cho cánh quạt, hoặc một thử nghiệm khí động học chỉ dành riêng cho cánh máy bay, đều không thể hiện được bất kỳ khía cạnh nào của sự tương tác đó — mỗi thử nghiệm chỉ có ý nghĩa khi được đo lường với sự hiện diện của thành phần còn lại.

Điều này phản ánh một phát hiện rộng hơn đã được ghi nhận trong nghiên cứu tích hợp cửa hút - cánh quạt và hệ thống động lực - khung máy bay: sự hiện diện của cánh quạt làm thay đổi đáng kể sự phân bố áp suất tổng và gây ra biến dạng xoáy, đồng thời các hiệu ứng dòng chảy ở cửa hút và ống xả trên một khung máy bay tích hợp hệ thống động lực có thể làm thay đổi tỷ lệ lực nâng trên lực cản và mô-men chúc ngóc — những hiệu ứng chỉ xuất hiện khi hệ thống động lực và khung máy bay được thử nghiệm cùng nhau, chứ không phải riêng biệt.

3. Thử nghiệm tích hợp thực sự cần bao gồm những gì

Toàn bộ khung máy bay với sự hiện diện của cánh quạt đại diện , chứ không phải là kết quả đo lực đẩy của riêng cánh quạt được gộp vào đường cực khí động của một khung máy bay sạch — cấu hình cánh quạt đẩy đặc biệt có nghĩa là hai yếu tố này không độc lập với nhau.
Chất lượng dòng chảy ở cửa hút trên toàn bộ đường bao bay. Cửa hút gió của động cơ turboprop phải cung cấp mức phục hồi áp suất và mức độ biến dạng có thể chấp nhận được tới bề mặt động cơ khi bay hành trình, leo cao và bất kỳ điều kiện góc tấn lớn nào mà hồ sơ nhiệm vụ bao gồm — một yêu cầu không hề có trên động cơ điện.
Hiệu ứng tích hợp ống xả lên lực cản và mô-men chúc ngóc , vì dòng chảy ở cửa hút và ống xả đã được chứng minh là làm thay đổi đáng kể cả hai yếu tố này, và một nhiệm vụ cấp MALE phụ thuộc vào hiệu suất bay hành trình, nơi những tổn thất nhỏ về lực cản sẽ cộng dồn trong các chuyến bay kéo dài hơn 24 giờ.
Tính toán lực cản làm mát dành riêng cho động cơ piston — một động cơ piston làm mát bằng chất lỏng hoặc không khí sẽ tạo ra lực cản dòng làm mát mà động cơ điện hoàn toàn không có, và nó phải được ghi nhận trong cùng một thử nghiệm với phần còn lại của tổng lực cản khung máy bay.
Tương tác giữa luồng khí xả cánh quạt với đuôi máy bay , vì cấu hình cánh quạt đẩy đặt cụm đuôi trực tiếp vào, hoặc gần với, luồng khí đi vào và luồng khí trượt của cánh quạt — một sự liên kết thay đổi theo mức công suất và góc tấn.

4. Năm sai lầm chúng tôi thường thấy

Thử nghiệm cánh quạt và khung máy bay như hai chiến dịch riêng biệt. Trên cấu hình cánh quạt đẩy, luồng khí đi vào cánh quạt xuất phát từ luồng khí nhiễu động của khung máy bay và dòng chảy ở đuôi khung máy bay được định hình bởi cánh quạt — không một thử nghiệm đơn lẻ nào nắm bắt được sự liên kết này.
Bỏ qua việc đo lường biến dạng ở cửa hút vì "nhà sản xuất động cơ đã có thông số." Các thông số kỹ thuật của nhà sản xuất giả định một luồng khí đi vào sạch, không bị biến dạng; biến dạng khi lắp đặt trên khung máy bay là một hiệu ứng lắp đặt mà bảng thông số kỹ thuật của động cơ không thể dự đoán được.
Coi lực cản làm mát là vấn đề phụ trong tích hợp động cơ. Đối với động cơ piston, dòng làm mát là một phần của tổng lực cản máy bay ngay từ ngày đầu tiên, chứ không phải là một hiệu chỉnh được áp dụng sau khi thử nghiệm khí động học hoàn tất.
Giả định rằng hệ thống động lực turboprop và piston dùng chung một kế hoạch thử nghiệm. Yêu cầu phục hồi áp suất cửa hút của động cơ turboprop và yêu cầu lưu lượng gió làm mát của động cơ piston là những bài toán vật lý khác nhau với các nhu cầu về thiết bị đo lường khác nhau.
Không thử nghiệm qua các mức công suất khác nhau. Sự tương tác của luồng khí trượt cánh quạt với đuôi máy bay thay đổi theo lực đẩy, do đó một thử nghiệm ở một mức công suất duy nhất sẽ bỏ lỡ cách sự liên kết đó thay đổi trong suốt hồ sơ nhiệm vụ thực tế — công suất khi leo cao, bay hành trình và bay chờ không phải là các điểm thử nghiệm có thể hoán đổi cho nhau.

5. Điều này có ý nghĩa gì đối với chương trình của bạn

Hãy cho chúng tôi biết loại động cơ, cấu hình cánh quạt và hồ sơ công suất nhiệm vụ của bạn , và chúng tôi sẽ lên phạm vi cho một thử nghiệm tích hợp hệ thống động lực - khung máy bay nhằm nắm bắt đồng thời các hiệu ứng ở cửa hút, ống xả, làm mát và luồng khí trượt — chứ không phải là các thử nghiệm trên băng thử riêng biệt được gộp vào đường cực khí động của một khung máy bay sạch. Bài viết liên quan: bài viết tổng hợp của chúng tôi về

long-range fixed-wing UAS testing

Nguồn và ghi chú

Hệ thống động lực của MQ-1 Predator (động cơ piston 4 xi-lanh tăng áp Rotax 914F công suất khoảng 115 hp, xi-lanh làm mát bằng không khí với đầu quy-lát làm mát bằng nước, cánh quạt đẩy hai lá có tốc độ không đổi, tốc độ bay hành trình khoảng 84–135 mph ở độ cao xấp xỉ 25.000 ft cho các nhiệm vụ kéo dài hơn 24 giờ): nhất quán với các thông số kỹ thuật động cơ được công bố của nhà sản xuất (Trang sản phẩm Rotax, "914 UL | F") và lịch sử chương trình MQ-1 Predator của General Atomics.
Hệ thống động lực của MQ-9A Reaper (động cơ turboprop Honeywell TPE331-10 với Hệ thống điều khiển động cơ điện tử kỹ thuật số, độ cao tối đa 50.000 ft, tốc độ bay hành trình 240 KTAS, thời gian bay liên tục hơn 27 giờ): General Atomics Aeronautical Systems, "MQ-9A Reaper (Predator B)".
Cấu hình cánh quạt đẩy gắn phía sau trên cả khung máy bay Predator và Reaper là một đặc điểm đã được ghi nhận trong thiết kế dòng Predator/Reaper của General Atomics.
Các hiệu ứng tích hợp cửa hút - cánh quạt (những thay đổi có thể đo lường được đối với sự phân bố áp suất tổng và biến dạng xoáy khi cánh quạt hoạt động) và các hiệu ứng tích hợp cửa hút/ống xả lên tỷ lệ lực nâng trên lực cản và mô-men chúc ngóc là những phát hiện đã được ghi nhận trong các tài liệu mô phỏng và thử nghiệm hầm gió về tích hợp cửa hút - cánh quạt và hệ thống động lực - khung máy bay đã được công bố.
Hướng dẫn phương pháp thử nghiệm (thử nghiệm kết hợp cánh quạt - khung máy bay, đo lường biến dạng cửa hút, tính toán lực cản làm mát, thử nghiệm luồng khí trượt ở nhiều mức công suất) là thực tiễn kỹ thuật của TunnelTech.

Tích hợp hệ thống động lực Turboprop và Piston cho UAS tầm xa