چهار پروانه در آزمایش‌ها مورد آزمایش قرار گرفتند که قطر آنها از 8 تا 14 اینچ بود. سه پروانه از چهار ملخ از فیبر کربن (CF) و چهارمی از پلاستیک تقویت شده با الیاف شیشه (GFR) ساخته شده بود.

ویژگی های آنها در جدول 1 خلاصه شده است. برای همه آزمایش ها، کاهش رانش 50٪ به عنوان برش برای پایان دادن به آزمون تعیین شد.

جدول 1: مشخصات پروانه های مورد استفاده تجربی

بخش 1: قطر حجم متوسط ​​(MVD) اندازه قطرات آب

دور اول آزمایش ها به تأثیر اندازه قطرات آب بر تجمع یخ و عملکرد پیشرانه برای سه ملخ CF پرداخت. MVD قطرات آب در 20، 40 یا 60 میکرومتر تنظیم شد در حالی که سایر پارامترها را در RPM = 8000، TAS = 15 m/s، AOS = 0 درجه، SAT = -12 درجه سانتیگراد و LWC = 0.5 گرم در ثانیه ثابت نگه داشت. m3.

برای همه پروانه‌ها در تمام مقادیر MVD، حدود 20 ثانیه طول کشید تا تجمع یخ شروع به تأثیر بر رانش کند، که باعث کاهش آهسته و تدریجی در رانش N شد.

برای Prop1، کاهش در رانش به طور خلاصه یک فلات برای MVD = 20μm و 40μm قبل از از سرگیری کاهش آن تجربه کرد. این اثر در MVD = 60μm برای Prop1 مشاهده نشد، در حالی که “فلات مشابه اما کوتاهتر” برای Prop21 و Prop3 مشاهده شد.

جالب اینجاست که رسیدن Prop1 به 50% رانش (75 – 130 ثانیه) در مقایسه با Prop21 (48 – 64s) و Prop3 (40 – 47s) (شکل 4a) حدود دو برابر بیشتر طول کشید.

شکل 4: افزایش رانش (الف) و کاهش گشتاور (ب) در طول زمان در مقادیر مختلف MVD

تجمع یخ همچنین منجر به افزایش گشتاور و قدرت الکتریکی موتور شد. در 50% رانش، Prop1 به 150% گشتاور (شکل 4b) و 100% توان الکتریکی (شکل 5) نسبت به مقدار در شروع رویداد یخ رسیده بود.

افزایش گشتاور و توان الکتریکی برای Prop21 در 100٪ و 60٪ و برای Prop3 در 40٪ و 25٪ کمتر بود.

شکل 5: افزایش توان الکتریکی با زمان تجمع یخ

محققان فلات های رانش را به ریزش یخ و/یا برگشت یخ به سمت نوک تیغه های پروانه نسبت می دهند. کل جرم یخ و زمان لازم برای رسیدن هر پروانه به 50% رانش برای MVD = 60 میکرومتر در جدول 2 نشان داده شده است.

زمان مورد نیاز با افزایش قطر پروانه کاهش می یابد.

جدول 2: جرم یخ و زمان پاشش پروانه ها برای رسیدن به 50% رانش در MVD = 60 میکرومتر

قسمت 2: محتوای آب مایع (LWC)

این سری از آزمایش ها با هدف بررسی اثر تغییر LWC در منطقه آزمایش بر روی یخ پروانه و عملکرد آن انجام شد. LWC روی 0.2، 0.5 یا 1.0 گرم بر متر مکعب تنظیم شد در حالی که سایر متغیرها در RPM = 8000، TAS = 15 متر بر ثانیه، AOS = 0 درجه، TAS = -12 درجه سانتی گراد و MVD = 20 میکرومتر ثابت نگه داشته شدند.

LWC در مقایسه با MVD اثر مشابه اما برجسته‌تری بر تحمل یخ داشت. با افزایش LWC، زمان لازم برای رسیدن به تراست 50 درصد کاهش یافت.

تفاوت های قابل توجهی در زمان تجمع یخ برای سه مقدار LWC وجود داشت، 20 تا 50 ثانیه طول کشید تا به 50 درصد رانش برای LWC = 0.2 گرم بر متر مکعب، 45 – 130 ثانیه برای 0.5 گرم بر متر مکعب و 120 – 430 ثانیه برای 1.0 گرم بر متر مکعب رسید.

مشابه نتایج MVD، رانش برای یک دوره برای هر سه مقدار LWC فلات شد، اگرچه فلات ها برای 0.2 و 0.5 گرم بر متر مکعب در مقایسه با 1.0 گرم بر متر مکعب معنی دارتر بودند. به همین ترتیب، هیچ ریزش یخ برای LWC = 1.0 گرم بر متر مکعب مشاهده نشد، که تا حدی کاهش سریع‌تر را تا 50% رانش را توضیح می‌دهد (شکل 6).

شکل 6: ریزش یخ در LWC = 0.2 گرم بر متر مکعب (سمت چپ) اما نه در LWC = 1.0 گرم بر متر مکعب (راست)

همچنین مشابه نتایج MVD، افزایش گشتاور و توان الکتریکی مشاهده شد که در LWC = 0.5 گرم بر متر مکعب بود. در این سطح LWC، افزایش گشتاور و توان الکتریکی 130% و 80% برای Prop1، 100% و 60% برای Prop21 و 30% و 20% برای Prop3 بود.

به طور کلی، LWC نسبت به MVD تأثیر قابل توجهی بر تحمل یخ زدگی داشت، همانطور که با کاهش زمان لازم برای رسیدن به 50٪ رانش زمانی که LWC = 1.0 گرم بر متر مکعب نشان داده شد (جدول 3).

جدول 3: جرم یخ و زمان پاشش پروانه ها برای رسیدن به 50% رانش در LWC = 1.0 گرم بر متر مکعب

قسمت 3: دمای استاتیک هوا (SAT)

مجموعه سوم از آزمون ها با بررسی سه مقدار SAT 2- درجه سانتی گراد، -5 درجه سانتی گراد و 12- درجه سانتی گراد در حالی که سایر متغیرها را در PM = 8000، TAS = 15 متر بر ثانیه ثابت نگه داشتند، به اثرات SAT بر تحمل یخ پرداختند. ، AOS = 0 درجه، MVD = 20 میکرومتر و LWC = 0.5 گرم بر متر مکعب.

هر سه ملخ سریعترین کاهش رانش را در SAT = -12 درجه سانتیگراد و به دنبال آن SAT = -5 درجه سانتیگراد تجربه کردند. جالب توجه است، در SAT = -2 درجه سانتیگراد، Prop21 و Prop3 هرگز به 50٪ رانش نرسیدند، و حداقل 80٪ رانش اصلی را برای کل آزمایش حفظ کردند.

در SAT = -5 درجه سانتیگراد، Prop1 و Prop21 تحت چندین چرخه ریزش یخ قرار گرفتند، با Prop1 در نهایت به 50% رانش رسید، اما Prop21 هرگز تا آن نقطه کاهش پیدا نکرد. Prop1 تنها پروانه ای بود که در هر سه مقدار SAT به 50% رانش رسید (شکل 7).

شکل 7: افزایش رانش (الف) و کاهش گشتاور (ب) در طول زمان در مقادیر مختلف SAT

تجمع و ریزش یخ نیز بر سطوح ارتعاش تأثیر داشت. ارتعاش توسط پایه آزمایشی بر حسب شتاب گرانشی (g) اندازه گیری شد.

افزایش ارتعاش با افزایش تجمع یخ و به دنبال آن ارتعاش کمتر در هنگام ریختن یخ از پروانه مشاهده شد (شکل 8).

شکل 8: لرزش ناشی از چرخه های ریزش یخ

قسمت 4: سرعت روتور

مجموعه آزمایشات بعدی تحمل یخ را در 9000 دور در دقیقه، 1000 دور در دقیقه بیشتر از تست های قبلی در 8000 دور در دقیقه بررسی کردند. در این آزمایش‌ها LWC و SAT متفاوت بودند، زیرا این متغیرها تأثیر بیشتری بر تحمل نسبت به MVD در آزمایش‌های قبلی داشتند.

به طور کلی، افزایش سرعت چرخش به 9000 RPM برای ایجاد تغییرات قابل توجهی در تجمع یخ و از دست دادن رانش کافی نبود.

این در شکل 9 نشان داده شده است که رانش های نرمال شده در 8000 RPM و 9000 RPM را برای بدترین شرایط یخ زدن SAT = -12 درجه سانتی گراد، MVD = 20 میکرومتر و LWC = 1.0 گرم بر متر مکعب با Prop21 مقایسه می کند.

شکل 9: رانش نرمال شده در طول زمان در 8000 RPM و 9000 RPM برای Prop21

محققان بازرسی بصری تیغه های پروانه را پس از آزمایش انجام دادند و خاطرنشان کردند که ریزش یخ بیشتر در 9000 RPM تحت شرایط خاص وجود دارد. با این حال، این به تفاوت عملکرد قابل توجهی بین این دو شرایط منجر نشد.

قسمت 5: زاویه لغزش کناری

مجموعه پنجم آزمایش ها با هدف اندازه گیری تحمل یخ پروانه برای یک پهپاد در پرواز رو به جلو، شبیه سازی شده با کج کردن پروانه به زاویه لغزش جانبی (AOS) 30 درجه نسبت به جریان هوای تونل باد.

سرعت چرخش 8000 RPM و MVD روی 20 میکرومتر تنظیم شد. LWC بین 0.2، 0.5 و 1.0 g/m3 و SAT بین -2، -5 و -12 درجه سانتیگراد متغیر بود.

مطالعه بیشتر: آزمایش نیروی محرکه با تونل باد در دانشگاه اتاوا

در ابتدای رویداد یخ‌زنی، آنها افزایش رانش دینامیکی را مشاهده کردند، که آن را به کاهش سرعت هوای مؤثر مشاهده شده توسط پروانه در 30 درجه نسبت می‌دهند، که 13 متر بر ثانیه به جای 15 متر بر ثانیه است.

در غیر این صورت، زاویه 30 درجه تفاوت قابل توجهی در تحمل یخ Prop21 ایجاد نکرد، که دوباره در بدترین شرایط یخ‌زنی آزمایش شد (SAT = -12 درجه سانتی‌گراد، MVD = 20 میکرومتر و LWC = 1.0 گرم بر متر مکعب). شکل 10).

شکل 10: رانش نرمال شده در طول زمان در 0 درجه و 30 درجه AOS برای Prop21

قسمت 6: مواد تیغه

تست نهایی تحمل یخ متفاوت تیغه های GFR را در مقایسه با تیغه های CF مورد بررسی قرار داد. پروانه GFR (Prop22) در شرایطی مشابه با CF با همان قطر آزمایش شد (Prop21)، نگه داشتن AOS در 0 درجه و RPM در 8000، در حالی که LWC بین 0.2، 0.5 و 1.0 گرم بر متر مکعب و SAT بود. بین -2، -5 و -12 درجه سانتیگراد متغیر است.

دو تفاوت عمده برای پروانه GFR مشاهده شد، اولی کاهش سریع تر رانش در مقایسه با Prop21 برای LWC = 0.2 گرم بر متر مکعب است.

تفاوت دوم این بود که Prop22 قبل از ریزش یخ در SAT = 2 درجه سانتیگراد کاهش حدود 25٪ را تجربه کرد (شکل 11)، شرایطی که تاثیری بر رانش Prop21 نداشت.

در نتیجه، افزایش متناظری در گشتاور و قدرت الکتریکی وجود داشت که برای Prop21 نیز مشاهده نشد. در غیر این صورت، تحمل یخ پروانه GFR بسیار شبیه به پروانه CF در شرایط مشابه بود.

شکل 11: رانش، گشتاور و توان در مقابل زمان تجمع یخ برای Prop22

نتیجه گیری

این مطالعه یک کار عالی برای توصیف تحمل یخ پروانه های پهپاد کوچک در RPM بالا انجام داده است. نتایج چندین نکته کاربردی را ارائه می دهد که اپراتورهای هواپیماهای بدون سرنشین می توانند از آنها استفاده کنند.

اولاً، پروانه‌های بزرگ‌تر زمان کمتری داشتند تا با انباشته شدن یخ روی تیغه‌ها، تا 50% رانش کاهش پیدا کنند، که نشان می‌دهد قطر پروانه در تحمل یخ نقش دارد. علاوه بر این، تیغه‌های GFR نسبت به تیغه‌های CF نسبت به یخ‌زدگی تحمل کمتری داشتند و نیروی رانش را راحت‌تر از دست می‌دادند.

این مطالعه همچنین نشان داد که اگر معیارهای عملکرد به خوبی درک نشده باشند، می توانند گمراه کننده باشند. در طی چندین آزمایش، کاهش رانش به دلیل ریزش یخ از پروانه ها یک فلات را تجربه کرد.

این اثر می تواند اپراتور هواپیمای بدون سرنشین را به این باور برساند که برخورد یخ به اوج خود رسیده است، با این حال، این فلات ها بلافاصله با کاهش شدید رانش دنبال شدند.

این آزمایش‌ها تأیید کرد که یخ‌زدگی پروانه معمولاً بدون مداخله بدتر می‌شود تا بهتر، بنابراین اپراتورهای پهپاد باید با معانی پشت تغییرات عملکرد بسیار آشنا باشند.

محققان NRC مشتاقانه منتظر انجام آزمایش‌های بیشتری با ملخ‌های بزرگتر هستند تا به این پایگاه دانش بیفزایند