Conceptos de UAV de larga duración
Posibilidades de la próxima generación de vehículos aéreos no tripulados de gran altitud y larga duración
Sheila L. Jaszlics, presidenta de Pathfinder Systems, Inc., EE. UU.
Dr. Reiner Stemme, presidente, Stemme Flugzeugbau, Alemania
Publicado en 2004.
Abstracto
Los vehículos aéreos no tripulados de gran altitud y larga duración (HALE-UAV) tienen el potencial de proporcionar vigilancia, retransmisión de comunicaciones y otras capacidades militares y civiles a un costo relativamente bajo, sin las limitaciones impuestas por las órbitas de los satélites. La primera generación de estos vehículos, integrados con sensores, sistemas de distribución de información y estaciones terrestres, está en desarrollo bajo el programa estadounidense “Tier II +”. Ha llegado el momento de pensar en el siguiente paso. Una segunda generación de vehículos aéreos no tripulados HALE, construida y operada a un costo significativamente menor que el Nivel II +, está al alcance. Un concepto de propulsión, desarrollado en Europa, puede reducir el peso bruto de despegue de este HALE-UAV de próxima generación en un factor de casi cuatro en comparación con el Nivel II +, al tiempo que conserva su carga útil, alcance y resistencia.
El Tier II + HALE-UAV tiene las siguientes características aproximadas:
Masa de carga útil: 680 kg (1500 lb)
Masa de despegue: 12.000 kg (26.500 lb)
Altitud nominal para la misión de vigilancia: 19.800 m (65.000 pies)
Área de vigilancia: 5.560 km (3.000 millas náuticas) desde el aeródromo de despegue y recuperación
Resistencia en el área de vigilancia a altitud nominal: 24 horas
Propulsión: turbofan
Tier II + está en construcción por Teledyne Ryan Company de San Diego, California. El objetivo del programa es construir diez UAV y dos sistemas terrestres.
La utilidad de una segunda generación de vehículos aéreos no tripulados HALE, construida para una amplia gama de servicios para aplicaciones militares y civiles a principios del siglo XXI, podría igualar o superar la utilidad de los satélites de baja altitud. Algunas de las preguntas importantes relacionadas con esta potencial próxima generación son:
¿Se desarrollarán, construirán y operarán UAVs de desempeño similar a un costo significativamente menor que el de Nivel II +? ¿Pueden ser mucho más ligeros y pequeños?
¿Cuánto del desarrollo Tier II + se puede reutilizar para la próxima generación?
¿La experiencia de Nivel II + proporcionará métodos adecuados para integrar los UAV HALE en el Sistema de Control de Tráfico Aéreo?
La eficiencia de peso de Tier II + se puede mejorar en un factor de casi un 400%.
Hemos concentrado nuestro trabajo en la cuestión de reducir el peso bruto necesario para transportar una carga útil determinada, ya que el menor costo es una consecuencia directa de esto. La clave para una reducción de peso significativa está en tres áreas:
Un concepto de propulsión que es más apropiado para la misión HALE-UAV a una altitud de 20.000 m que la propulsión turbofan utilizada en el diseño Tier II +
Planta de energía de alta eficiencia con bajo consumo de combustible
Aplicación de principios y prácticas de diseño aerodinámico avanzado
Para explorar las posibilidades, Pathfinder Systems y Stemme Flugzeugbau han desarrollado un diseño preliminar, que coincide con la carga útil y el perfil de misión de Nivel II +, con un peso de despegue que es el 27% del vehículo de Nivel II +. Las características de este diseño, el Stemme SX 1500 “Pathfinder Hawk”, son:
Masa de carga útil: 680 kg (1500 lb)
Masa de despegue: 3206 kg (7070 lb)
Altitud nominal de la misión, distancia del área de vigilancia y resistencia en el área de vigilancia a la altitud nominal: idéntica a Tier II +
Altitud máxima: 21.300 m (70.000 pies)
Propulsión: motor alternativo sobrealimentado, sistema patentado de doble hélice.
Las mejoras que se resumen a continuación hicieron posible esta dramática reducción de peso.
Un diseño práctico de alta eficiencia propulsora
El diseño del SX 1500 emplea un sistema de doble hélice patentado. En altitudes troposféricas, se emplea una hélice de pequeño diámetro a baja altitud. Esta hélice es completamente retráctil. Se basa en el sistema de hélice del planeador a motor Stemme S-10 existente (Figura 1).
Fig 1. Hélice plegable retráctil de vástago - Vistas frontal y lateral
Esta hélice retráctil está en servicio en muchos países, certificada de acuerdo con las Regulaciones Conjuntas de Aeronavegabilidad. Es lo suficientemente pequeño como para permitir el despegue y el aterrizaje con una distancia al suelo adecuada. Durante el vuelo a baja altitud, la hélice de gran altitud, que tiene un diámetro de 5,7 m (18,7 pies), está emplumada (Figura 2). Está bloqueado en posición horizontal, desacoplado del eje de transmisión por un sistema de embrague.
Figura 2. Sistema de doble hélice SX 1500
Aproximadamente a 10.500 m de altitud, la gran hélice se acopla a través de un sistema de embrague. Al mismo tiempo, la hélice de baja altitud se desacopla y se retrae. Cuando el SX 1500 desciende a través de 10.500 metros, el proceso se invierte.
La hélice grande tiene una carga de disco de propulsión muy baja, menos de 48 N / m2 (1 libra / pie2). La eficiencia de propulsión de Froude, que es una medida de la eficiencia energética de un proceso de propulsión reactiva (propulsada por hélice o turbofán), es de alrededor del 98% en esta carga de disco a 20.000 m de altitud en un rango de velocidad muy amplio. Por el contrario, la carga del disco propulsor de un motor turboventilador a esta altitud es de 40 a 80 veces mayor. A velocidades de 300 a 400 nudos, esto da como resultado una eficiencia de propulsión de Froude entre el 55% y el 85%. La penalización de peso resultante de esta reducción de la eficiencia es extrema, ya que los mayores requisitos de combustible dan como resultado una aeronave desproporcionadamente más grande.
La eficiencia de Froude para una hélice se incluye en la eficiencia general de la hélice. En un turboventilador, se refleja en el consumo específico de combustible. Se deriva de la ley de Newton: la fuerza propulsora es igual al impulso impartido en una unidad de tiempo. Como consecuencia, un disco propulsor más pequeño impartirá un incremento de velocidad mayor, requiriendo más potencia y un mayor consumo de combustible que uno más grande. El sistema de propulsión SX 1500 resuelve este problema físico fundamental al proporcionar el diámetro de corriente de propulsión óptimo a la altitud de crucero del HALE-UAV de segunda generación.
Una planta de energía de alta eficiencia
La opción para la planta de energía del SX 1500 es un motor de pistón turboalimentado. Combina un excelente consumo específico de combustible con la ventaja de una potencia constante hasta su altitud de diseño.
Se han considerado dos plantas de energía diferentes para el SX-1500:
El diseño básico con el motor de avión de gran altitud Teledyne Continental TSIO-550 Voyager con un sistema de turbocompresor dual
Un diseño alternativo avanzado, que utiliza un motor turbocompuesto diésel completamente nuevo
El TSIO-550 Voyager es un motor de avión de 6 cilindros horizontalmente opuesto, refrigerado por líquido, convencional, bien probado, con un sistema de turbocompresor dual para una altitud de diseño de 78,700 pies (24,000 m). Este motor está planeado para la primera versión del SX 1500 y es compatible con el enfoque de diseño conservador de la aeronave. Permite el desarrollo de un HALE-UAV en un corto período de tiempo.
Una nueva generación de motores diesel sobrealimentados y refrigerados por líquido desarrollada en Europa (por IAV GmbH) es la base para una versión avanzada del SX 1500. La ventaja del motor diesel sobre un motor de gasolina es la eficiencia térmica mejorada. El consumo específico de combustible se reduce a aproximadamente 185-190 g / kWh (0.304-0.312 lbs / BHP / hr) a un peso específico de aproximadamente 2.0 kg / kW (3.29 lbs / BHP). Un sistema de enfriamiento de superficie especial disipará el calor generado a través de la estructura de la aeronave. Esta disposición reduce la resistencia al enfriamiento y utiliza el calor del motor para el control de la temperatura del combustible y los sistemas de la aeronave.
La gran reducción de peso bruto del SX 1500 en comparación con el Tier II + se puede atribuir principalmente al sistema de propulsión.
Consideraciones aerodinámicas
Los diseñadores de aeronaves generalmente comprenden bien las siguientes consideraciones de diseño para lograr una larga resistencia:
La resistencia máxima se logra cuando la cantidad CL3 / CD2 está en su máximo (CL es el coeficiente de sustentación y CD es el coeficiente de arrastre).
La relación de aspecto debe ser lo más alta posible; La carga del tramo debe ser lo más baja posible.
El coeficiente de resistencia del parásito parece tener una importancia secundaria, ya que solo tiene un efecto en la resistencia proporcional a su ¼ de potencia.
Estas reglas comúnmente conocidas deben ser modificadas por muchas consideraciones prácticas. Por ejemplo, el valor del coeficiente de sustentación en el que el máximo de CL3 / CD2 lo que se logra aumenta en proporción con la raíz cuadrada del producto del coeficiente de arrastre del parásito y la relación de aspecto. Con relaciones de aspecto bajas (15 o menos) esto no presenta ningún problema. En relaciones de aspecto superiores a 30, este efecto dará como resultado una degradación grave del rendimiento. A menos que se logre un coeficiente de arrastre de parásitos muy bajo (muy por debajo de 0.01), el coeficiente de sustentación para la mejor resistencia es de alrededor de 3.0 y más. La pérdida aerodinámica sobre el ala comenzará con coeficientes de sustentación inferiores a la mitad de ese valor. El resultado es que el rendimiento del "papel" no se puede lograr en la práctica. Por esta razón, el diseño del SX 1500 tiene una relación de aspecto relativamente baja (22). Al mismo tiempo, se aplica mucho esfuerzo para reducir el coeficiente de arrastre del parásito.
Hacia el futuro
Estamos seguros de que las tecnologías desarrolladas en los Estados Unidos junto con el programa Tier II +, incluido el control de vuelo, las comunicaciones, los sensores, la gestión de datos y las estaciones terrestres, se pueden reutilizar para un HALE-UAV de segunda generación. A través de la cooperación europeo-estadounidense, podemos esperar una plataforma aérea no tripulada práctica que opere a altitudes de 20.000 a 23.000 m. Dicha plataforma debería proporcionar servicios estándar a sus diversas cargas útiles, incluida la energía, las comunicaciones, el control de vuelo y las ventanas ópticas y de radar. Visualizamos un futuro en el que cientos de estas plataformas de segunda generación operarán en los cielos del próximo siglo.