Industrial PhD on Propeller Icing on Unmanned Aerial Vehicles

Anvendelse- og utvikling av ubemannede fly (UAV) er i en radikal vekst over hele verden. Dette har ført til at stadig flere UAVer flyr i krevende vær, som for eksempel i forhold med fare for ising. Atmosfærisk ising oppstår når et fly passerer gjennom skyer med superkjølte dråper i væskeform og temperatur under frysepunktet. Målet for dette prosjektet er å vurdere farene knyttet til tilvekst av is på flyets propell under isingsfohold, og utvikle et system som forhindrer at isen bygger seg opp på propellen. Numeriske simuleringer knyttet til påbygging av is vil gi modeller som kalkulerer formen på iskrystallene samt dypere kunnskap om hvordan isen bygges opp. Data fra modellene for ulike isformasjoner blir deretter brukt som basis for å analysere tap i ytelse for propellen. For å validere de numeriske simuleringene, vil det i tillegg bli utført forsøk i spesielle vind-tuneller med kontrollerte isingsbetingelser (IWT = Icing wind tunnel). De ovenfor nevnte metodene muliggjør analyser av parameterne som påvirker tilvekst av is på propellen. Disse parameterne omfatter blant annet ulike meteorologiske betingelser og propellstørrelse og effekt. De første analysene i dette prosjektet støtter tidligere funn som viser at påbygging av is på propellen har stor innvirkning på propellens ytelse. For å sikre tygg drift av UAV i isingsfohold er man derfor avhengig av et integrert isbeskyttelsesystem. Et slikt system er under utvikling av UBIQ Aerospace og vil ved hjelp av elektrotermisk oppvarming av propellbladene beskytte disse mot tilvekst av is.

Unmanned aerial vehicles (UAVs) is an emerging technology with a large variety of commercial and military applications. In-flight icing occurs during flight in supercooled clouds or freezing precipitation and is a potential hazard to all aircraft. Icing on UAVs imposes a major limitation on the operational envelope. The purpose of this project is to generate knowledge about atmospheric icing on UAV propellers. This work follows research activities conducted at the Norwegian University of Science and Technology (NTNU) and UBIQ Aerospace. The existing knowledge base has focussed on icing of the airframe (wings and airfoils), whereas the current project will focus on propellers and rotors. This research project will address three key research questions: * How does ice accumulate on a UAV propeller? * How does the ice affect the aerodynamics and the thrust generation? * How to design ice protection systems specifically for UAV propellers? To answer these research questions numerical and experimental methods will be used. The overall strategy will be to establish a simulation-chain that is able to simulate the icing physics using commercially available simulation tools and to validate it with experimental results. A computational fluid dynamics (CFD) code for icing simulation called ANSYS FENSAP-ICE will be used for the numerical methods. This tool has been developed for manned aviation purposes but has recently been applied successfully for UAVs as well. The tool is capable of simulating ice accretion, aerodynamic performance degradation, and ice protection systems. The numerical simulations will be accompanied by experimental tests in icing wind tunnels. Such facilities are able to recreate icing conditions under laboratory conditions. The experimental results will be used to validate the numerical simulations.