小型无人机动力装置建模与仿真研究

针对小型无人机广泛使用的二冲程活塞式航空发动机螺旋桨动力装置,研究了发动机的速度、高度特性及定距螺旋桨的拉力系数、功率系数及效率随前进比变化等问题,建立了二冲程活塞式发动机螺旋桨动力装置模型。动力装置模型应用于无人机非线性飞行仿真平台中,进一步研究了无人机风门-高度、升降舵-速度保持/控制等问题,结果表明动力装置模型合理可行,满足小型无人机飞行控制仿真的要求。     

无人机螺旋桨性能工程检验方法研究

目前工程上采用地面状态检测转速的方法对无人机螺旋桨性能合格与否进行判断,但实际使用中该方法的效果并不理想。以螺旋桨地面发动机测试台检验转速结果为基础,采用风洞试验方法对同一型号不同批次的螺旋桨在实际飞行状态下的气动特性进行有效测量,同时利用飞行性能仿真方法,对同一无人机匹配参试螺旋桨后的飞行性能变化情况进行比较。结果表明:螺旋桨的效率、推力系数和功率系数等气动性能与地面检测转速值并没有直接关系,即发动机地面台架试验方法在螺旋桨性能检验中应该仅起到参考作用,而非决定性作用。     

一种基于螺旋桨部件特性的螺旋桨建模方法

通过缩比法,利用螺旋桨通用部件特性获得期望研究的螺旋桨部件特性,提出了飞行速度不为零条件下的螺旋桨数学模型建模算法,同时,借鉴缩比后螺旋桨部件特性、螺旋桨定桨叶角工作性能曲线以及螺旋桨空气动力学原理,分析了静拉力状态下的螺旋桨功率系数、拉力系数、桨叶角、螺旋桨静态推力进距比阈值以及螺旋桨几何设计参数的相互作用关系,提出了静拉力状态下的螺旋桨数学模型建模算法。所述算法与Gas Turbine Simulation Program (GSP)软件仿真数据进行了数字仿真对比验证。结果表明:所提出的螺旋桨建模算法具有有效性,在前进状态下,螺旋桨拉力相对误差最大不超过6.6059×10-6，需求功率相对误差最大不超过5.5098×10-6，效率相对误差最大不超过6.6955×10-6。      

基于螺旋桨特性的活塞发动机涡轮废气阀的调节

通过发动机螺旋桨功率特性分析,对巡航状况下增压发动机涡轮废气调节阀的调节规律进行了研究,并且预测飞机的经济运行状态.对飞机在4000m海拔高度以恒定速度180km/h巡航工况进行了研究,调节涡轮废气放气阀开度控制空气盒的目标压力,桨距角的变化随螺旋桨特性曲线进行调节.运行的结果显示,通过变桨距调节和涡轮废气阀调节的共同作用,可实现与增压器匹配的压气机运行在68%~76%的高效率区域.      

中空长航时无人机恒速螺旋桨与发动机匹配研究

中空长航时无人机具有诸多优点,可用于执行多种军事及民用任务,已成为各国的研发热点。为使中 空长航时无人机在各个飞行阶段均具有良好的动力性能和经济性能,提出为航空活塞式发动机匹配恒速螺旋 桨的方法;根据发动机速度特性曲线、耗油率特性曲线选出发动机各经济工况点,在无人机飞行高度-速度包 线内对比分析各螺旋桨在选定发动机经济工况点的效率,并进行全尺寸发动机-螺旋桨风洞试验。结果表明: 本文研究方法适用于为已初步选定的活塞式发动机选配最佳的恒速螺旋桨。     

一种适用于中小型无人机的新型螺旋桨设计

目前,中小型活塞动力无人机所配备的螺旋桨主要是两叶定距螺旋桨,其桨叶布局特征主要体现桨尖和桨根较窄,桨叶中部较宽,但在实际使用中发现,此类螺旋桨匹配无人机后飞行性能表现不佳。针对低速中小型活塞动力无人机,设计一种矩形薄型直桨叶二叶螺旋桨方案。将该螺旋桨方案与其他七种方案进行风洞试验,分别对各方案在零风速和巡航速度下的性能特性进行系统研究。结果表明:与其他方案相比,采用矩形桨叶设计的螺旋桨在静推力、功率、效率、拉力系数、功率系数等关键性指标上均表现出优异特性,尤其是在同样功率输入下,具有最低转速的特性,因此该方案螺旋桨具有优良的装机匹配特性。     

基于部件特性的螺旋桨数学模型通用建模算法

为了有效地建立螺旋桨数学模型和涡桨发动机数学模型,以及为涡桨发动机控制规律设计奠定基础,借鉴压气机部件特性缩比方法,提出了一种适用于螺旋桨部件特性的修正缩比方程;基于螺旋桨静态特性,提出了静拉力状态下的螺旋桨建模优化算法;针对螺旋桨低速前进状态下和高速前进状态下的不同工作特点,提出了两种不同的螺旋桨建模算法,以实现全飞行包线内的螺旋桨数学建模。通过与GSP (Gas turbine Simulation Program)软件仿真数据对比验证,其结果表明,基于所提出的算法建立的螺旋桨数学模型输出拉力、功率和效率的最大相对误差分别不超过3×10-6,3×10-6和6×10-5,同时,验证了算法有效性和通用性。     

基于Fourier分析的螺旋桨特性研究

根据函数逼近论的相关理论,对现有的变距螺旋桨特性曲线进行Fourier分析,在此基础上得到了一种计算螺旋桨桨叶角和效率的经验公式。通过计算结果和读图结果的比较,证实了该算法具有较高的逼近精度。它不仅为我国发展螺旋桨的全权数字式电子控制系统（FADEC）提供理论支持,而且为传统的机械液压离心式控制系统控制发动机的状态提供较精确的数据,特别是分层设色等值线图的应用,使结果的直观性得以增强,更方便飞行员把握总体趋势,提高工作效率。     

螺旋桨-自由涡轮涡桨发动机稳态/过渡态数值模拟

为实现对涡桨推进系统整体推进性能的数学模型模拟，以螺旋桨/桨扇作为受飞行外流条件影响的推进系统内流部件之一，引入其特性图，用跟随流量方法解决螺旋桨-自由涡轮转子与涡桨发动机燃气发生器的流量平衡、功率平衡，发展了螺旋桨-自由涡轮涡桨发动机内流特性部件法数学模型，实现了对该类涡桨系统稳态/过渡态的数值模拟。对某8MW三轴桨扇发动机的台架转速特性和飞行任务剖面特性的数值模拟结果表明:该数学模型可以较为准确模拟出包含桨叶变动桨距角、攻角等在内的外流螺旋桨/桨扇部件工作点详细参数，和高度、速度、涡轮前温度同时变化的多条件、多变量涡桨发动机的稳态/过渡态推力、推力耗油率等特性.      

平流层飞艇动力推进系统的分析与设计

针对平流层飞艇螺旋桨与直流无刷(DC)电动机匹配问题,建立了直流无刷电动机模型和螺旋桨模型;结合匹配设计和直流无刷电动机转速控制,在Simulink中设计了螺旋桨与直流无刷电动机控制系统仿真模型,研究飞艇在0~10m/s巡航速度下动力推进系统控制响应问题;采用图形用户界面(GUI)编写螺旋桨与直流无刷电动机匹配界面,开发了一种螺旋桨与直流无刷电动机匹配软件;得到了飞艇在0~10m/s巡航速度下,螺旋桨工作转速为535~1071r/min,动力推进系统工作效率为0.558~0.593时推进系统匹配设计的工作曲线,为高空螺旋桨与电动机的匹配设计提供了参考依据.      

基于数学模型的单级和双级涡轮增压活塞螺旋桨推进系统飞行特性比较

研究了单级涡轮增压活塞螺旋桨推进系统(STS)的部件法数学模型,给出了STS的联合工作方程组,给出了STS的调节方式,计算了STS的高度 速度特性.从总体及各部件的高度 速度特性方面比较了STS和双级涡轮增压活塞螺旋桨推进系统(DTS).研究表明:选择的STS调节方式可满足其设计目标,相比于DTS实际功率保持高度为12.5km,STS的实际功率保持高度可达到5.5km；在选用相同的螺旋桨和发动机的前提下,STS和DTS中各部件特性的变化规律基本一致,但STS的推进效率、单位推力耗油率、推进系统总效率在高度 速度特性图中的变化范围大大窄于DTS的.      

关于螺旋桨桨叶有利迎角的探讨

通过桨叶的性质角与迎角关系的数学模型,对桨叶有利迎角进行了分析研究。当桨叶迎角和桨叶性质角变化时,桨叶极线图和桨叶总空气动力向拉力轴靠近或离开,由此找出桨叶的最有利状态。通过分析得出,桨叶迎角接近桨叶临界迎角时最有利。最后通过桨叶极线图和桨叶总空气动力方向变化的模型实验验证了此结论的正确性。     

双级涡轮增压活塞发动机螺旋桨推进系统部件法数学模型与飞行特性分析

对适用于高度为10~20km的中速、低速多用途飞行器的双级涡轮增压活塞发动机螺旋桨推进系统的特性计算方法进行了研究.引用涡轮发动机的部件法,建立基于各部件特性的代数数学模型,推进系统各部件工作点则由Newton法求解系统联合工作方程组得到.给出了方程组中的活塞发动机功率保持工作条件及增压器与活塞发动机联合工作条件,分析了推进系统功率保持工况和减功率工况的调节规律,及其对涡轮增压器工作线的影响.分析了推进系统总体及各部件的高度-速度特性.研究表明:该特性计算方法收敛快,一个工况点一般迭代5~6次即可;两个燃气旁通阀的调节规律不但可以满足推进系统的设计目标,同时还可对增压器工作点进行有效的优化调节;该特性计算方法可直接推广到更复杂的多级涡轮增压系统中.      

多发螺旋桨飞机动力失速动态特性理论计算方法研究

本文针对多发螺旋桨飞机的特点,推导出用于分析多发螺旋桨飞机动力失速动态特性的计算方程,并用此方程研究了此类飞机带动力的失速动态特性,计算结果与飞行结论相符。 文中提出的理论计算方法,较全面地考虑了螺旋桨飞机所特有的动力效应,因此较准确地反应了多发螺旋桨飞机的动力失速特性。所以,它除了能分析多发螺旋桨飞机的动力失速外,对于研究飞机动力失速的全数字实时仿真和研究失速/尾旋飞行模拟器也有一定的参考价值。     

基于滑移网格的螺旋桨滑流影响研究

基于滑移网格技术,通过采用准定常N—S方法,分析研究螺旋桨滑流对全机气动特性的干扰影响。以某带四台螺旋桨发动机的巡航构型为例,对比研究滑移交界面的影响,确立准确的滑移交界面建立方式,进而重点对某带后缘襟翼的螺旋桨飞机的流场特性进行计算分析,研究螺旋桨滑流对全机流场和气动性能的影响。数值计算表明：提出的用于研究螺旋桨滑流影响效应的滑移网格方法,是螺旋桨飞机设计评估的一种有效数值模拟手段,可简化动静网格的数据交换,具有一定的工程实用价值。     

模型自由飞试验中的螺旋桨动力模拟方法研究

开展螺旋桨飞机模型自由飞失速试验需要准确地模拟螺旋桨动力状态。通过对模型自由飞失速试验 动力相似准则和螺旋桨动力模拟相似准则的分析,推导出螺旋桨飞机模型自由飞失速试验中所需要遵循的相 似准则关系;以此开展某四发螺旋桨飞机模型自由飞试验,通过控制螺旋桨转速、设计桨叶角,满足拉力系数和 前进比相等,模拟全尺寸飞机螺旋桨动力特性,获得的失速特性与飞机风洞实验结果一致。结果表明:该方法 能够准确模拟飞机失速过程的螺旋桨动力状态,可为飞机失速试飞提供重要的数据支撑,并为国内后续螺旋桨 类飞机模型自由飞试验失速试飞研究提供理论和试验方法。     

中低空太阳能无人机高效螺旋桨设计方法

目前对于常规螺旋桨和高空螺旋桨的设计较多,而对中低空太阳能无人机螺旋桨的研究很少,因此提出一种针对中低空太阳能无人机的高效率螺旋桨设计方法。根据太阳能无人机的飞行跨度曲线,选取爬升和主要巡航高度为设计点,首先基于Betz 最小能量损失的设计准则和片条理论及其逆向推导,计算各设计点下的弦长与桨距角分布;然后根据飞行跨度曲线对各设计点的计算结果进行权值分配,得到最终的设计弦长与桨距角分布;最后基于CFD 数值模拟技术,在验证算法的基础上对设计的螺旋桨进行仿真计算。结果表明：与使用常规螺旋桨相比较,在允许功率范围下,本文设计的螺旋桨效率在整个任务周期的飞行包线内均有明显提升,满足设计要求。