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。     

无人机增程式电推进系统双模糊能量管理策略仿真

为提高应用于无人机的增程式电推进系统能量利用效率,采用基于双层模糊控制的能量管理策略并使用遗传算法对控制参数进行优化,依据飞行动力学理论在仿真飞行工况中设置不同扰动,检验能量管理策略的抗飞行扰动效果。仿真结果表明:相比于基于多点逻辑门规则和比例积分微分PID（proportion integral differential）的能量管理策略,双模糊能量管理策略可使发动机运行平均燃油消耗率下降3.4%,整体燃油消耗量下降3.8%,电池使用量降低10.6%,发动机平均转速误差下降77.0%,面对突风扰动、复合扰动和连续紊流扰动时转速最大波动量分别降低71.4%、72.6%和46.7%。经过遗传算法优化后的双模糊能量管理策略相比优化前的控制参数,发动机平均转速误差下降6.6%,面对上述3种扰动时转速最大波动量分别降低12.8%、8.3%和39.4%。      

基于模糊逻辑推理的船舶并联气电混合动力系统能量最优分配研究

针对内河船舶工况启停变化频繁导致瞬态动力性较差、动态响应较慢等问题，提出并联气电混合动力系统改进方案，利用模糊逻辑推理方法来提升动力响应性能。以某内河拖船为研究对象进行混合动力系统参数匹配设计，通过对系统关键参数设计切换规则，建立基于逻辑门限的能量管理控制策略；为进一步优化逻辑门限方法主观设定边界阈值不可调节问题，提出基于“模糊逻辑推理+动态协调”能量最优分配策略。通过最优设计相关试验验证管理策略，结果表明：采用基于模糊逻辑推理的能量管理策略能使天然气发动机的平均负荷提升37.86%，平均效率提高2.74%，动态响应时间缩短44.45%。     

燃料电池无人机混合电源动态平衡能量管理策略

飞机电推进的动力系统趋于混合能源形式的发展方向，不同类型的源具有不同的特性，混合能源协调工作的方式可以提高动力系统的性能。本文所研究的飞机电推进系统的能源形式为燃料电池和锂电池所做成的混合能源。针对无人机动力系统工况的特殊性，本文在基于规则的能量管理策略研究基础上，提出了一种基于燃料电池氢气消耗的动态平衡能量管理策略，使燃料电池和辅助电源的能量消耗处于相对平衡的状态，避免了其中一种电源能量先耗尽的情况，可以满足多种工况的变化，提高了混合电源的能量利用率和稳定性，保证了无人机动力系统的可靠性。通过仿真分析结果证明了可行性，最后设计了能量管理系统的硬件并进行了实验验证，通过对实验结果计算分析验证了该能量管理策略的可行性。     

基于自适应神经模糊推理算法的无人机电推进燃料电池供气系统性能优化

本文针对某无人机基于聚合物交换膜燃料电池和锂离子电池的混合动力电推进系统的应用,研究开发了一种基于自适应神经模糊推理系统的电源管理系统控制技术,以控制混合动力电力推进系统,同时优化燃料电池供气系统的性能。本文以所建立的某无人机混合电推进系统数学模型为研究对象,研究了燃料电池电流与燃料电池供气系统压缩机功率之间的关系,建立了燃料电池电流与最佳压缩机功率关系的参考模型。在参考模型的基础上,引入自适应控制器来优化燃料电池供气系统的性能。基于自适应神经模糊推理系统的控制器将压缩机的实际运行功率动态调整到参考模型中定义的最佳值。自适应控制器的在线学习和训练能力用来辨识燃料电池电流的非线性变化,并产生压缩机电机电压的控制信号,以优化燃料电池供气系统的性能。在Matlab 仿真环境中开发了质子交换膜燃料电池和锂离子混合动力电推进系统模型并对所设计的控制器进行了仿真分析,结果表明基于自适应神经模糊推理系统的控制器为燃料电池供气系统压缩机性能优化提供了一种新颖而全面的途径,使燃料电池供气系统获得最大净功率输出。将燃料电池系统的净功率输出与最佳压缩机功率和恒定压缩机功率进行了比较,结果表明优化的压缩机功率配置比恒定的压缩机功率配置节能2.62%。同时,燃料电池自适应神经模糊推理系统控制器优化了燃料电池供气系统的能量利用。     

混合动力系统建模及能量管理策略应用

针对混合动力系统能量管理问题,在Matlab/Simulink 平台下建立1.8 kW 质子膜燃料电池和锂电池部件级模型,基于部 件级模型建立燃料电池/ 蓄电池混合动力系统模型,采用有限状态机方法建立能量管理模块,制定功率需求计划进行仿真。结果表 明：质子膜燃料电池和锂电池部件模型符合实际特性,燃料电池/ 蓄电池混合动力系统模型工作正常,直流总线电压相对稳定,所 用拓扑结构具有保护储能部件的优点,系统实际功率分配符合能量管理策略。验证了燃料电池/ 蓄电池混合动力系统模型用于能 量管理策略的可行性。     

直接氨SOFC-GT混合动力系统性能及航空应用

建立了基于直接氨燃料的固体氧化物燃料电池-燃气轮机（SOFC-GT）混合动力系统仿真模型,开发了一种架构优化的高功率-质量比的高效发电系统,并研究了燃料利用率和系统燃料分配对系统功率分配、各子部件质量以及其?损失等性能的影响。基于所建立的模型分析了压气机压比、燃料摩尔流量、空气摩尔流量等输入参数对系统性能的影响,在最优性能条件下对系统进行功率-质量比分析。仿真结果表明该系统的净发电效率为56.85%,?效率为50.71%,净发电量为213 kW,功率-质量比为0.730 3 kW/kg,达到美国能源部太平洋西北国家实验室（PNNL）为SOFC-GT混合动力系统应用于航空航天领域制定的标准。在此基础上,讨论了该系统在商用飞机主动力和辅助动力上的应用,表明SOFC-GT混合动力系统在航空领域具有良好的应用前景。     

固旋翼垂直起降混电飞行器推进系统设计

油电混电技术通过对二次能源系统的优化,不但可以提高能源的利用效率,还具有电推进独有的尺寸独立性优势,可以将多个螺旋桨分布式布局而无显著的效率和重量变化,在通用航空技术发展中具有极大的潜力和优势。基于固旋翼飞行器的顶层设计要求以及初始最大起飞重量的估计值,通过性能约束构造混电系统设计区间,先后得到固定翼模式动力系统和旋翼模式动力系统的初始设计参数,结合具体的飞行任务计算出电池和燃油的重量。经过多次迭代计算,并对每一次迭代获得的推进系统参数进行能量运行检验,最终确定推进系统的设计参数,包括混电系统及其各分系统重量、电池和燃油重量等。此外,在推进系统设计区间内,以功率混合度为调节变量,分析了最小化飞行器最大飞行重量(MTOM)和最小燃油消耗2种优化目标的设计差别,为不同应用场景的混电飞行器设计提供依据。最后通过对比分析,验证了设计方法的有效性。     

基于绿色能源的分布式混合电推进系统性能分析

基于绿色能源的电推进飞行器是是航空运输业实现碳中和的重要技术途径。本文旨在利用理论分析和数值计算的手段,研究基于绿色能源的分布式混合电推进系统的性能,重点关注锂电池和固体氧化物燃料电池(SOFC)在航程和载荷方面的影响。本研究构建了一个包含多种能源形式的混合电推进系统架构,并基于能量流建立了功率传递模型,推导出综合考虑部件特征参数、能量分配参数、飞行气动参数的电推进系统航程方程和载荷方程。研究结果显示,在航程方面,锂电池的能量分配系数和能量密度对飞机航程有显著影响,特别是在能量密度阈值之上,增加锂电池的能量分配系数对提升航程有正收益。此外,SOFC的能量分配系数和效率的增加也提高了飞机航程,特别是在其高值区域。在载荷方面,上述锂电池和SOFC参数对飞机零燃料质量(MZF)和有效载荷具有重要影响,尤其在高能量密度、高效率和高能量分配系数的情况下飞机的载荷性能改善最佳。参数敏感性分析揭示了升阻比、边界层吸入(BLI)风扇效率、锂电池荷电状态(α_soc)和氢燃料剩余状态(α_soh)对航程的显著影响,其中在以往研究中较少出现的α_soc     

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。     

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。     

导弹复合控制系统的模糊逻辑控制分配

针对空空导弹复合控制系统中的控制分配问题,提出了一种模糊逻辑控制分配算法。采用动态面控制方法设计了复合控制量的控制律。在设计过程中,利用扩张状态观测器估计汇总不确定项,并采用光滑二阶滑模控制算法设计了控制律,达到了提高鲁棒性和削弱抖振现象的目的。应用模糊逻辑控制分配算法将复合控制量分解为直接力控制指令和舵偏角控制指令。为了检验所设计的复合控制系统的控制效果,对采用基于模糊逻辑控制分配算法的复合控制系统和传统的气动力控制系统进行了对比仿真实验。仿真结果表明,所设计的复合控制系统具有更好的控制效果。     

并联混合动力齿轮传动涡扇发动机建模与性能分析

为对比探究未来大推力航空混合动力系统与传统航空发动机的优劣,本文依托某概念型齿轮传动涡扇(Geared turbofan,GTF)发动机,设计了一个并联航空油-电混合动力系统(hybrid GTF,hGTF),在Matlab /Simulink数字仿真软件中建立相匹配的电动力模型以及氮氧化物NOx排放和噪声预测等性能参数计算模型,并在稳态和飞行任务剖面下初步分析了电动力系统的引入对原基线GTF发动机的性能改变状况。稳态仿真结果表明,大推力等级的并联油-电混合动力系统中,至少需要兆瓦级的电动力系统进行匹配;当电动力系统处于电动模式时,可能会带来低压压气机喘振的隐患;当电动力系统处于再生模式时,电能源相当于经过了电能到机械能再到电能的二次效率损失,不建议采用。飞行任务剖面动态仿真结果表明,相比于传统GTF发动机,hGTF推进系统的燃油消耗率最高下降15%,总燃油消耗节省8.3%, NOx总排放量减少18.8%,各部件起飞噪声总声压级减少1.5~3.3dB。分析结果表明采用并联混合动力系统具有显著提升省油、减排效果的能力,同时也具有一定的降噪潜力。     

电机-变距螺旋桨动力系统功率优化控制

电动螺旋桨无人机应用越来越普及,但普遍续航时间较短,提高电动力系统效率、降低功率消耗是提高航时的主要措施。电机-变距螺旋桨动力系统（以下简称变距电动力系统）可同时改变转速、桨距两个量,存在桨距和转速的最佳组合,使系统功率最小。相比电机-定距螺旋桨动力系统,其在耗能方面具有特殊优势,但如何达到最小功率点,目前研究较少。针对上述问题,为提高计算效率,便于控制研究工作的开展,首先基于改进天牛须算法的BP神经网络训练得到变距电动力系统的神经网络代理模型。接着提出了一种变距电动力系统功率优化控制策略：在一定入流速度、拉力需求下,基于自适应扩展卡尔曼滤波-牛顿法实时优化桨距,并在一定桨距下利用模糊PID控制系统转速以达目标拉力,实现目标拉力需求下的最小功率控制。仿真验证结果表明,提出的功率优化控制策略鲁棒性更强、优化速度更快、收敛效果更好。     

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。     

航空用燃料电池及混合电推进系统发展综述

随着世界范围内碳减排需求的日益增长及长航时飞机的发展需要,高效率的燃料电池航空电推进系统逐渐受到重视,氢能航空的理念被人们所熟知。可使用碳氢燃料的高温燃料电池还可与燃气涡轮组成混合动力系统,发电效率进一步提高至70%。本文首先回顾了燃料电池及燃料电池涡轮混合系统在航空能源、动力系统方向应用概况;接着,概述了几种突破现有涡轮发动机技术瓶颈的新概念混合电推进系统,如发电与推进一体化燃料电池涡轮混合动力系统和无涡轮燃料电池混合推进系统;基于此,本文分析了限制燃料电池混合系统实际应用的关键技术难题,主要体现在混合动力系统功重比较低、大分子碳氢燃料重整技术未突破两方面。     

新一代RLV再入弹道模糊控制研究

基于阻力与能量的关系,优化并设计了再入参考弹道。利用模糊控制技术,在线推导了轨道控制器的各项参数。仿真结果表明,基于阻力与能量关系剖面设计的再入轨道满足各项约束,成功地导引飞行器到达TAEM终端,而模糊PD控制器则能排除干扰,实时跟踪参考弹道。     

电推进在静止轨道空间碎片减缓中的应用

研究了电推进在静止轨道空间碎片减缓中应用的可行性和效果。通过分析电推进中离子推进的技术特点、发展和应用,阐明了用电推进将静止轨道卫星在寿命末期移高到“垃圾轨道”是可行的。提出了电推进采用沿飞行方向的常值推力,以多次双脉冲变轨方式工作的方案,并通过仿真计算,得出了该方案中推力大小、工作时间、特征速度、燃料消耗量等参数的确定方法和量化性指标,验证了电推进应用在空间碎片减缓中的作用和效果。探讨了电推进以脉冲方式工作的工程实现方案．     

螺旋桨/机翼耦合下的目标螺旋桨滑流设计

针对分布式电推进(DEP)构型等具有多螺旋桨特征的飞行器,发展了通过优化螺旋桨滑流来达到提高机翼升阻比的方法。提出了一种可以获得目标诱导速度分布的螺旋桨设计方法,基于面元法发展了一套可以快速计算螺旋桨机翼干扰的气动程序Prop-wing,基于Kriging代理模型建立了一套高效的优化方法获得最优的螺旋桨诱导速度分布提高机翼升阻比。优化结果显示当拉力保持相同时,螺旋桨桨毂附近的轴向诱导速度越大,下游机翼的升阻比越大。在不对螺旋桨功率进行限制时,优化后的螺旋桨使得下游的翼段阻力相比较安装最小能量损失设计的螺旋桨的翼段减少了1875%,而翼段升阻比提升达到了2563%,当优化螺旋桨功率被限制后,翼段升阻比提升为962%。虽然升阻比的提升需要付出螺旋桨效率下降的代价,但是研究还是给分布式动力滑流的利用提供了一种思路。      

基于Monte Carlo仿真的舰船热力系统RMS指标论证研究

作为舰船重要的一级大型复杂系统,蒸汽动力系统的RMS指标在研制论证时就应提出明确的要求,并进行科学严谨论证。文中从指标论证的意义出发,建立符合蒸汽动力系统特点的RMS论证指标体系,并开发了基于Monte Carlo数字仿真模型的指标论证软件,形成了一套舰船蒸汽动力系统RMS指标论证方法。