串联混电飞机方案设计方法及能源管理策略

针对串联混电飞机，首先在给定任务需求的飞行剖面内，结合动力学特性对整机的飞行性能进行分析，将总体设计参数与各飞行段的功率能耗需求相关联，进而开展各部分组件和全机的设计选型；然后对串联混电系统中的计算逻辑和各条工作路径进行梳理和总结，讨论分析能源管理策略对方案设计的潜在影响。基于搭建的设计系统，首先针对Dornier Do 228NG飞机构型，从3个设计方面，将该方法与国外两个团队各自开发的设计方法进行对比分析，结果表明，对设计点评估的相对误差均在1.5%以内，对传统动力方案设计的各项相对误差在6%以内，而串联混电方案设计中最大起飞质量的相对误差在4%以内，验证了本文方法的可行性和有效性。其次，分析讨论了4种能源管理策略的特点和优劣势，并基于一款国外现有的串联混电飞机Panthera Hybrid，研究了不同策略下的动力系统工作特征和各项设计参数差异。其中，Light策略下的飞机起飞总质量最小，收益来源主要是起飞阶段的最大需求功率由燃油和电池动力系统同时承担，直接优化了动力系统的总质量。     

分布式电推进飞机动力系统评估优化方法

以电推进飞机的动力系统作为研究对象,开展了以下研究工作：采用电力系统潮流计算方法,分析了采用高压直流供电体制的分布式电推进飞机电气系统,模拟了其在稳定运行状态与断路故障状态下的能量流动关系,同时分析了直流电压等级对电气系统的影响。搭建了完整的分布式电推进飞机动力系统仿真模型,依据基于时间和基于高度的飞行剖面,对比分析了纯电推进与涡轮电推进架构在推进功率、推进效率与航程3个评价指标上的优劣。建立了动力系统典型部件的参数化模型,并使用符号规划算法对建立的参数化模型进行了优化计算,比较了传统涡轮推进与涡轮电推进架构下动力系统质量与燃油消耗率间的优化权衡关系。研究结果为分布式电推进飞机混合动力系统的设计提供了有价值的正向设计方法。     

电动垂直起降飞行器的技术现状与发展

电池、电机技术的进步和分布式电推进系统的应用极大促进了电动垂直起降飞行器的发展。本文概述了不同电动垂直起降飞行器构型优缺点及适用场景,并从性能、经济性等方面对电动垂直起降飞行器与常规燃油飞行器进行了全面对比。在噪声特性方面,电动垂直起降飞行器旋翼间、旋翼-机翼等干扰噪声更为突出,而低桨尖速度、大实度的电推进旋翼系统极大降低了全机噪声水平（噪声降低约15 dB）。在能源方面,锂离子电池是当前和未来电动垂直起降飞行器的主要能源;先进的电池材料体系、电池-机体结构一体化设计及优良的电池管理系统是未来提升全机能量密度和能源安全的有效方式。电动垂直起降飞行器冗余操纵特点增加了飞控系统设计难度,但同时也能够提高全机安全性;故障重构与协同控制是飞控系统设计面临的新课题。电动垂直起降飞行器不仅构型种类丰富且具有高压电动力、电推进、电传飞控、电作动等新颖设计特征,当前缺少试飞数据的情况下,基于系统的工程方法是开展其安全性设计的主要方法。     

三轴式无人旋翼飞行器及自适应飞行控制系统设计

设计了一种操控简便的三轴式无人旋翼飞行器,由三组共轴双旋翼组成,各旋翼由直流电机直接驱动,只需调节各电机转速就能控制旋翼飞行器运动姿态和轨迹。为使三轴式无人旋翼飞行器飞行控制系统设计得到有效验证,研究了旋翼飞行器的飞行动力学非线性建模,运用叶素动量理论建立了共轴双旋翼变转速旋翼载荷计算方法,分析了旋翼入流分布对共轴双旋翼气动载荷模型的影响,通过试验验证了共轴双旋翼气动载荷计算模型的正确性。由于旋翼飞行器飞行动力学模型的非线性及未建模动力学的影响,难于建立非常精确的数学模型,给飞行控制系统设计带来了挑战。本文根据旋翼飞行器飞行动力学非线性模型推导出了旋转动力学模型逆和平移动力学模型逆控制器,利用神经网络在线自适应修正模型逆误差,采用线性PD或PI控制器调节指令跟踪误差,应用由向心回转和垂直上升组合的机动科目进行了仿真验证,给出了具有外界阵风干扰模拟的仿真结果,表明所设计的飞行控制系统具有自适应性和鲁棒性,能实现精确的轨迹跟踪控制。     

分布式电推进飞机电力系统研究综述

继飞机二次能源逐步统一为电能形成多电/全电飞机之后,电推进技术成为飞机动力系统电气化的重要发展方向,有望进一步提高飞机动力系统能量转换效率、降低燃油消耗和排放,代表了航空电气化的高级阶段。飞机电力系统及相关技术是支撑电推进技术发展的重要基础。系统总结了电推进飞机的类型与发展现状,论述了飞机混合动力系统及分布式电推进系统的基本概念、特点与意义。阐述了航空电推进系统的基本结构,比较了适用于分布式电推进系统的电力系统架构,系统分析了实现电推进技术所需的高效高功率密度电机、高效大容量功率变换器和综合热管理等关键技术。小型纯电动飞机正在逐步迈向实用化,而分布式混合电推进技术是中大型飞机电气化的重要方向,仍然需要航空机电和动力系统等交叉融合与创新发展。     

翼身融合运输机分布式电推进系统设计及油耗评估

针对翼身融合运输机开展了分布式电推进系统的总体设计与油耗评估。通过数值计算完成了70t载质量翼身融合飞机的气动设计与优化。在巡航马赫数为0.80和10km高度的设计点,最大升阻比达到了24。通过求解积分边界层方程组,完成了电推进系统的总体设计。电推进系统包含10个推进风扇,风扇直径为1.45m，压比为1.35，巡航功率为2.94MW。建立了考虑燃烧过程的发动机一维性能模型,对发动机油耗进行了评估,获得了不同发动机循环参数下燃油消耗。建模结果表明,基于翼身融合布局和分布式电推进技术,可使运输机的油耗较C-17节省近50%。      

小型电动无人机动力系统设计和优化

小型电动无人机由于使用维护方便,可靠性高,噪声小,无污染等特点,具有较高的应用价值。然而电池的能量密度远低于燃油,动力系统在起飞重量中占较大比重,在初始设计中就需要准确估算动力系统重量和性能,以保证续航性能。通过建立动力系统中电池、无刷电机和调速器、螺旋桨三个部分的数学描述,提出动力系统的性能估算和设计方法,以及优化准则。实验表明,方法具有一定精度,可以为无人机的初步设计和动力系统选择提供依据。     

基于不确定性的旋翼转速优化直升机参数设计

为了提高旋翼转速优化直升机总体参数设计质量,基于不确定性多学科设计优化方法,对旋翼转速优化直升机的参数设计进行了研究。首先对最优旋翼转速的不确定性进行分析与建模,同时也考虑了直升机加工制造、材料老化引起的不确定性因素,对比发现最优旋翼转速是旋翼转速优化直升机设计中的主要不确定性因素;然后在协同优化框架下,分别建立了直升机飞行性能、直升机重量、飞行稳定性与变转速涡轴发动机性能计算模型;最后以续航性能为系统学科,悬停性能、飞行稳定性分别作为子学科,进行多学科的不确定性优化设计,得到了3种不确定性优化设计方案。通过对比分析可以发现：第2种方案为旋翼转速优化直升机的最佳参数设计方案,该方案满足悬停需用功率低于350 kW,飞行稳定性指数小于0.8等约束条件的概率不低于95.46%,并且直升机的最大航时期望值也较大。     

电动固旋翼无人机动力系统建模与优化设计

为解决电动固定翼四旋翼复合布局无人机(eHAV)动力系统设计选择缺乏相应理论方法的问题,提出了一套动力系统的建模和优化设计方法。通过推质比计算提出了动力系统需求,利用螺旋桨和旋翼理论建立了螺旋桨的设计和性能计算模型,通过统计分析和1阶电动机模型建立了无刷直流电动机的计算模型,通过电动机与电池电压、电流之间的关系建立了电池选择方法,在经过电压修正的放电特性经验公式基础上建立了无人机航时计算方法。根据动力系统匹配方法,建立了动力系统优化设计流程。对某电动固旋翼无人机动力系统进行了优化设计和选择,结果表明:所建螺旋桨和旋翼模型计算结果与CFD结果的误差在10%以内,电池放电模型与试验数据的拟合度在0.97以上,飞行测试结果表明所提方法选择的动力系统使得无人机航时测试值与设计值误差小于4%,证明了该方法有较高的准确性和可行性。      

复合式旋翼飞行器多目标控制分配策略

针对复合式旋翼飞行器操纵冗余多模式切换控制问题，提出一种基于赋权多目标混合优化的控制分配策略。该策略根据复合式旋翼飞行器过渡模式舵面操纵特性，建立飞行器带约束过渡过程控制分配模型；设计混合多目标优化性能指标评价函数，有效处理操纵量控制受限、交叉强耦合及非线性特性，并减少舵面耗能；采用改进的粒子群优化算法动态更新操纵量及控制通道的权系数矩阵，提高控制面操纵效率，加快优化搜索速度，快速求解过渡过程多目标控制分配变量。该策略实现复合式旋翼飞行器模式切换过渡过程实时有效地操纵量控制分配，保证飞行器快速准确跟踪控制指令的能力。同时，通过多目标控制分配策略，飞行控制系统不需要增加额外的模式切换控制器，降低系统设计难度，提高安全性。     

垂直发射巡弋飞行器总体设计方法研究

垂直发射巡弋飞行器采用由固体火箭发动机与涡喷发动机组合而成的动力系统,飞行器与动力系统一体化设计更为复杂。本文提出双质量迭代算法,通过装药质量与燃油质量的迭代计算实现垂直发射巡弋飞行器总体参数初步设计,对飞行器与动力系统的一体化设计问题进行研究,基于典型任务剖面分析了关键设计参数对于飞行器总体性能的影响规律。结果表明,飞发集成引起的涡喷发动机推力损失系数和固体火箭发动机推重比均会对飞行器总体性能产生重要影响,当推力损失系数在0.2以下时,该系数每提高0.05,起飞质量增大约3%,涡喷发动机的最大推力指标提高约5%。在总体方案设计时应尽可能降低涡喷发动机推力损失系数,并将固体火箭发动机推重比控制在4～8的范围内。     

液化天然气船舶动力系统加速性能优化策略研究

目的 针对船舶天然气发动机匹配定距桨直接推进加速速率慢动态性能差的缺陷，提出了一种系统级优化方案，设计并联型式气电混合动力系统，通过轴带电机辅助推进优化系统的加速性能。方法 建立船舶气电混合动力系统仿真模型，根据试验数据对LNG发动机的加速性能进行数据标定保证模型动态精度，以仿真手段分别验证混合动力系统使用变频器动态切换策略和变频器超前控制策略的加速优化效果。结果 综合考虑实际工程控制难度和加速过程优化效果，变频器动态切换策略优于变频器超前控制策略。结论 气电混合动力系统PTI模式使用变频器切换控制策略可达到较好的加速性能，在降低主机机械负荷和热力负荷的同时船舶快速性最大提升16%。PTO模式加速时轴带发电机负载转移至船舶辅机，稳定一段时间后切换至电动模式助推，加速性能可达到PTI模式加速水平。     

可跳飞自转旋翼飞行器推/升力系统参数优化

对自转旋翼飞行器推/升力系统参数进行了特性分析和多目标优化设计,解决了具有跳飞性能的现代旋翼机总体方案和系统设计难题.采用叶素理论和动态入流理论,以数值积分的方法建立推力和升力计算模型;在能量转换关系和自转旋翼气动特性的基础上,建立了旋翼机跳飞性能计算模型,分析了参数对跳飞过程的影响,并以算例验证了计算模型有效可靠.基于六西格玛和改进的遗传算法,对推/升力系统参数分层地进行了多目标优化,优化结果表明本文方法正确合理,优化后的系统参数提高了飞行器总体性能.      

多旋翼飞行器的可控度分析

基于George Klein等提出的可控度近似计算方法,对多旋翼的可控度数值进行求解以用于判断飞行器系统控制的难易程度。首先观察了分析变距四旋翼在一个舵机损坏和一个电机停转2种故障状态以及正常飞行状态的可控度变化。随后分别对变距和定桨距的四、六、八旋翼进行可控度比对分析,研究发现系统可控性的程度与旋翼的数量呈正相关。最后将可控度的概念运用于2种油电混合六旋翼飞行器,与常规电动定桨距六旋翼作对照,研究表明采用合适的构型能显著提高可控度。     

应用保护映射理论的高超声速飞行器自适应控制律设计

针对高超声速飞行器包线范围广、参数变化大的控制需求,应用保护映射理论提出一种高超声速飞行器的自适应控制律设计方法。首先建立整个飞行包线内的线性变参数(LPV)模型,在参数变化边界点设计一个初始的控制结构和参数,然后基于保护映射理论分析初始控制结构使闭环系统稳定的参数范围,通过迭代自动获取整个包线内满足性能指标的控制参数,进而通过多项式拟合设计出高超声速飞行器自适应控制律。所提出的方法能够根据初始控制结构自动寻找一系列满足性能要求的控制器参数,并确定这些控制参数满足闭环系统稳定的设计范围。仿真结果表明,所设计的自适应控制律能够确保高超声速飞行器大包线的设计要求,实现闭环系统的鲁棒稳定。     

轻型直升机分布式电驱动反扭矩系统构型方案的综合评估技术研究

面向直升机电动化技术发展需求，综合考虑直升机尾旋翼系统设计中的总体、气动、结构、动力学、新型能源动力系统等要求，从尾桨飞行性能、使用安全性、维修保障性等方面建立了能够全面综合评估尾桨构型方案的评估方法，用以指导未来电动化直升机的尾旋翼系统设计。本文以国产某轻型直升机尾旋翼系统为设计基准，在满足抗侧风能力与原准样机相当的基础上，针对单涵道变转速、双涵道变转速、三涵道变转速三种电驱动反扭矩系统构型方案，从操纵功效、系统重量、安全性、可靠性等方面综合对比评估了各构型方案的优劣，研究结果表明，三涵道变转速方案相较于其他两种方案综合性能最优，可优先发展并应用于未来轻型直升机电驱动尾旋翼系统。     

一种减小再入飞行器侧向气动非线性的布局优化方法

为改善升力式再入飞行器在跨声速段出现的侧向气动特性非线性问题,发展了一种基于Kriging代理模型的自适应迭代气动布局优化方法。设计了一种常规升力式再入飞行器布局,计算了该布局在跨声速段的侧向气动力,分析了可能影响侧向气动特性的机翼布局参数。根据气动布局优化流程,计算了气动布局样本气动特性,建立了布局参数到侧向力矩系数导数的代理模型,完成了以减小飞行器侧向非线性为目标的布局优化设计。优化布局的气动特性计算结果表明,所发展的方法是可行和有效的。该项研究为再入飞行器减小侧向气动非线性提供了新的布局设计途径,有利于降低控制系统设计难度,保障飞行安全。     

基于模糊逻辑的飞机电推进系统能量管理策略研究

为了提升飞机电推进动力系统的关键性能,需要设计和优化内部能量管理控制策略并实现功率合理分配。本文基于MATLAB/Simulink平台,建立了电推进动力系统仿真模型,并在能量管理系统模块中提出了基于模糊逻辑的能量管理策略（EMS）,其用于动力系统内部的功率分配和控制。针对从滑跑直到巡航稳定点的飞行任务段,对电推进动力系统进行了时段级仿真实验,研究了氢气消耗量等量化指标的表现。在此基础之上,基于遗传算法的优化方法,对模糊控制系统的隶属度函数参数进行了寻优。计算结果表明,在本文基于模糊逻辑的EMS作用下电推进动力系统的氢气消耗量减少9.27%,而且氢燃料电池功率波动剧烈程度减少25.11%;优化后,主指标氢气消耗量进一步减少6.5%,同时次要指标的变化被约束。     

飞机快速机动过程中进气道/发动机一体化计算分析

基于进气道/发动机推进系统一体化动态数值模拟计算系统,对飞机快速俯仰机动飞行过程中的性能进行了计算分析研究,获取了飞机快速俯仰过程中的推进系统气动性能的变化特征,数值计算结果表明:快速变化的外部扰动会诱发发动机内部热力循环参数和性能更大的动态波动;在机动飞行的同时,增大燃油量,发动机推力下降程度得以减缓,发动机的单位燃油消耗率上升.      

倾转四旋翼飞行器垂直飞行状态气动特性

综合采用基于滑移网格技术的计算流体力学(CFD)方法与悬停状态气动干扰试验方法,对倾转四旋翼(QTR)飞行器垂直飞行状态的流场进行模拟与试验,研究飞行器垂直飞行状态气动特性以及部分参数对气动特性的影响.结果表明:倾转四旋翼飞行器在垂直飞行状态,前后旋翼之间干扰不明显,但旋翼与机翼的干扰明显;旋翼旋向对旋翼与机翼的干扰不...