航空二冲程活塞发动机与定距螺旋桨的匹配研究

以长航时无人机的工作特点为基础,结合二冲程发动机的功率输出特性和定距螺旋桨的功率吸收特性,以及发动机的外特性曲线和螺旋桨的推进特性曲线,得出了在地面飞行状态下二冲程活塞发动机匹配定距螺旋桨所采用的方法,并通过为某型二冲程发动机匹配最优定距螺旋桨的试验,证明了该方法可以应用于在地面及低空状态下,为已知发动机匹配合适的定距螺旋桨.      

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。     

高空长航时无人机螺旋桨后掠桨叶气动研究

由于螺旋桨高速性能欠佳,飞行速度在偏离设计点时气动效率下降很快,以螺旋桨为推进系统的高空长航时无人机难以满足快速爬升和快速机动的设计要求。针对这一问题,将桨叶后掠设计方法应用于高空长航时无人机螺旋桨上,在无后掠桨叶的基础上,分别设计了后掠角为10°、20°、30°、40°、50°五个后掠桨叶。基于周期性边界条件和多重参考系方法求解三维N-S方程,对不同后掠桨叶的气动性能进行了计算。根据计算结果,分析了无后掠螺旋桨气动性能下降的原因和后掠对桨叶气动性能的影响。研究结果表明:高空长航时无人机螺旋桨气动性能下降的原因是定桨距螺旋桨桨叶迎角随飞行速度提高而减小以及桨尖压缩效应的影响;后掠桨叶能提供更大的拉力但也需要更大的功率,当后掠角度处在30°和50°之间时,螺旋桨高速性能最好;后掠桨叶螺旋桨的气动性能受迎角变化、桨尖三维效应、桨尖激波强度、激波-附面层干扰综合影响。     

活塞发动机与无人机性能匹配分析

活塞发动机由于其自身的性能和价格优势广泛用作无人机的动力,本文介绍了在无人机概念设计阶段如何进行活塞发动机的选择及相应的螺旋桨的选配,用到的都是经验公式及经验曲线,简单实用。文章还统计了一些使用螺旋桨发动机的无人机及一些活塞发动机的主要技术参数。     

多螺旋桨太阳能无人机横航向操稳特性研究

首先分析了大型高空长航时太阳能无人机由于超大展弦比和高效多螺旋桨带来的航向阻尼增量和航向操纵导数,接着分析了由此带来的横航向动态特性变化,并结合多螺旋桨的操纵特性,提出了多桨航向控制方法,最后进行了仿真验证.结果表明,分布式多桨布局对提高该类无人机的横航向稳定性有较大作用,以多桨的转速变化量最小为目标的最优化航向控制分配方法对超长航时飞行很有利.     

某螺旋桨长航时无人机气动力改进设计与分析

针对螺旋桨长航时无人机的使用设计要求,从现有单段翼型出发进行了高升力两段翼型设计。结合某型螺旋桨长航时无人机,对采用两段翼型机翼的翼身组合体数模进行了气动力特性分析。计算结果表明,所设计的两段机翼可以产生比单段机翼更大的可用升力和更高的续航因子,说明该设计思想是可行的。     

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。     

太阳能无人机高效螺旋桨气动设计

太阳能无人机“超高空、超长航时”的设计方向给螺旋桨的气动设计带来了极大挑战。本文根据某太阳能无人机总体方案,使用多点多目标优化方法改进设计了桨叶翼型,合理布置叶宽分布与桨距,设计出低雷诺数工作环境下的高效螺旋桨,并且在全包线范围内保持较高的气动效率。利用叶素理论对该设计方案进行了性能评估,结果显示在巡航状态下,该螺旋桨的工作效率达到85%以上,各项指标满足设计要求。     

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。     

高空长航时飞翼无人机用涡扇发动机关键技术

自无人机诞生并应用于实战以来,无人机技术得到了迅猛的发展。随着各领域高科技技术的进步,战场环境趋于复杂,作战任务向高危对抗战场拓展,高空长航时飞翼无人机成为各国研究的热点。本文论述了高空长航时飞翼无人机对涡扇发动机的要求,结合航空发动机基本原理分析了关键设计参数对涡扇发动机性能的影响,总结了高空长航时飞翼无人机用涡扇发动机面临的关键问题及研究进展,对于高空长航时飞翼无人机用涡扇发动机的选型及适应性改进设计具有重要的参考价值。     

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.      

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.      

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.      

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。      

压燃式航空活塞发动机转矩与空燃比的控制

通过对压燃式航空活塞发动机的空燃比进行需求分析,采用发动机转矩需求的逆向倒推法,从螺旋桨的转矩需求倒推至发动机总转矩需求,建立转矩需求的主控通道和前导通道的控制模式,前导通道是利用微分控制的超前特性,加快转矩控制的动态响应能力。由相关转矩需求和进气量估算模块计算后,建立了最优空燃比控制的计算方程,实时计算得到对应的每循环总喷油量。在模拟保持飞机从零海拔起飞至1 890 m的发动机最大转矩输出条件下,列举了定海拔恒转速变转矩工况和定海拔发动机外特性工况的实验分析。实验结果表明：采用最优控制理论建立的空燃比控制,既保障了过量空气系数处于合理范围1.3～3.5之内,发动机的工作效果又能达到预期目标。     

涡桨发动机发螺一体化起飞推力优化控制

针对涡桨发动机对起飞阶段的快速响应需求,提出一种发螺一体化控制架构,通过油门杆综合燃油回路和桨距回路,提高系统动态响应。根据螺旋桨特性,设计起飞阶段推力优化控制策略,通过空速调度最大有效起飞功率,从而提升起飞阶段推力响应。仿真结果表明:这种发螺一体化起飞推力优化控制策略使得涡桨发动机起飞加速段推力平均增加2.59%,发动机加速到起飞响应时间小于2.5 s,有效提升了涡桨飞机的快速响应。      

Efficiency optimized fuel supply strategy of aircraft engine based on air-fuel ratio control

Accurate fuel injection control of aircraft engine can optimize the energy efficiency of UAV power system while meeting the propeller speed requirement. Traditional injection control method such as open-loop calibration causes instability of fuel supply which brings the risk of power loss of UAV. Considering that the closed-loop control of AFR can ensure a stable fuel feeding, this paper proposes an AFR control based fuel supply strategy in order to improve the efficiency of fuel-powered UAV while obtaining the required engine speed. According to the optimum fuel injection results, we implement fuzzy-PID method to control the set AFR in different situations. Through simulation and experiment studies, the results indicate that, to begin with, the calibrated mathematical model of the aircraft engine is effective. Next, this fuel supply strategy based on AFR control can normally realize the engine speed regulation, and the applied control algorithm can eliminate the overshoot of AFR throughout all the working progress. What is more,the fuel supply strategy can averagely shorten the response time of the engine speed by about two seconds. In addition, compared with the open-loop calibration, in this work the power efficiency is improved by 9% to 33%. Last but not the least, the endurance can be improved by 30 min with a normal engine speed. This paper can be a reference for the optimization of UAV aircraft engine.