燃料电池无人机能源管理与飞行状态耦合

开展了燃料电池/锂电池（简称燃锂）混合动力无人机的能源管理与飞行状态耦合研究。综合顶层飞行任务规划与底层能源系统管理,以动力系统模型为耦合点联立能源系统与无人机运动方程,建立能源状态与运动状态耦合模型。针对燃锂混合最紧密的爬升过程,以迎角、转速和燃料电池的放电功率作为控制变量,建立了燃料消耗最小的能源管理与航迹规划耦合最优控制问题,研究不同爬升高度对最优控制过程的影响,并与模糊控制能源管理策略进行对比分析。针对大功率短时爬升和小功率长时巡航的典型任务特点,建立了燃锂最优混合问题。研究了最优的锂电池容量和燃料电池功率水平的混合量,以及爬升和巡航两阶段最优功率分配和飞行状态,分析了不同巡航目标高度对最优混合量和飞行状态的影响。结果表明：采用能源与航迹耦合的最优控制策略在给出最优功率流分配的同时,能够很好地兼顾飞行状态控制;对燃锂混合和飞行状态的综合优化可以有效地处理爬升和巡航阶段的能源需求矛盾,在给出最优燃锂混合量和飞行状态的同时,降低整个任务过程的燃料消耗。     

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。     

大尺度飞机螺旋桨风洞动力模拟试验系统设计

以开展某型飞机螺旋桨气动力和气动噪声研究为目的,结合5.5 m×4 m航空声学风洞实际,设计了一套动力模拟试验系统。该系统以300 kW高功率密度永磁电动机为核心,通过配套相应的电源、驱动、控制、支撑等,实现了大尺度螺旋桨的动力模拟,并开展了相关试验验证。结果表明:该系统额定转速和转矩分别高达5 000 r/min和573 $\mathrm{N}?\mathrm{m}$、转速控制精度优于±0.5 r/min,且具有较低的自身噪声级和良好的电磁兼容性能,拉力系数试验重复性精度优于0.000 7等。该系统的建立能有效地满足大尺度飞机螺旋桨相关风洞试验研究的动力模拟需求,进一步拓展了国内低速空气动力学试验模拟能力。      

考虑滑流影响的分布式螺旋桨布局优化设计

相对于传统螺旋桨飞机,前缘分布式螺旋桨飞机的滑流对整个机翼周围的流场特性影响更大.在分布式螺旋桨飞机动力布局设计过程中,应当考虑螺旋桨布局对滑流和机翼绕流的影响,使得机翼在滑流作用下表现出更好的气动特性.首先,基于雷诺平均Navier-Stokes方程,用等效盘代替真实螺旋桨,并采用重叠网格方法进行网格布局,优化过程中...     

船舶并联气电混合动力系统动态特性研究与能量效率分析

针对天然气发动机单独使用动力性能较差、动态响应较慢的缺陷问题,提出新型船舶并联气电混合动力系统解决方案,通过电机快速响应特性来提升船舶动力整体效率;设计相关试验,利用上升时间、峰值时间和超调量三个参数对新型动力系统的动态特性进行定量分析,研究不同工况下能量效率提升程度和最优工作模式.研究表明:可逆电机的加入将船舶混合推...     

局部旋转惯性对转子系统动力特性的影响

提出了基于质心和惯性主轴空间位置的转子旋转惯性描述方法,推导了旋转惯性载荷在不同运动状态下的完整表达式,建立了考虑轮盘质心横向运动和惯性主轴角向运动的连续梁转子模型及运动微分方程。分析表明：高转速下轮盘具有“质心自动定心”与“惯性主轴自动掰正”的趋势,这种旋转惯性将提高转子系统正进动模态频率,并增大转子支点动载荷,盘-轴连接局部角向刚度是决定其影响程度的关键。在此基础上,解释了高转速下转子支点动载荷随转速提高而持续增大的原因,探究了盘-轴连接局部角向刚度对转子系统固有特性和动力学响应的影响规律,为高转速复杂结构转子动力学设计与振动故障排查,提供了理论支撑。     

航天器结构动力模型修正中的缩聚方法

利用试验数据修正航天器结构动力模型时，使用缩聚方法使有限元自由度与试验自由度匹配。在总结Guyan缩聚法、改进缩聚系统法(IRS,Improved Reduction System)和模态缩聚法的基础上，该文独立导出了一种基于IRS的迭代缩聚方法。算例表明，迭代缩聚收敛速度较慢，但分析精度很高。     

柔性机器人避动力奇异方法的研究

对柔性机器人避动力奇异的方法进行了研究,得出当机器人第i阶模态频率与模态激振力某阶频率相等,且模态激振力比较大时,机器人就会出现动力奇异问题的结论;分析了机器人的结构参数和运动参数是影响其固有频率的因素,提出了在不改变机器人预定工作任务的情况下,对已有的机器人可以通过在其柔性臂上附加一质量块以调节机器人的固有频率,从而避免动力奇异问题的发生;同时给出了附加质量块的规划策略,并以一末杆为柔杆的空间三杆机器人为例,验证了所提方法的有效性.该方法也适用于其它一般机械系统.     

基于Kalman滤波的镍氢动力电池SOC估算方法

动力电池的荷电状态(SOC,State-of-Charge)是电动车能量控制的重要参数,针对镍氢动力电池,建立了一种新的状态空间模型.电池模型采用荷电状态和极化状态作为状态向量,考虑持续充放电时电荷累积效应对电池电压的影响,对模型的状态方程进行了优化,增加了电荷累积项,以提高模型在变电流充放电过程中的精度.根据Kalman最优滤波理论,设计了电池荷电状态Kalman滤波递推算法,估算方法考虑了电池电压、电流和电池温度,给出了递推计算公式.根据恒流充电、恒流放电、脉冲充/放电、变电流充/放电实验的实验数据,对模型进行了仿真分析.结果表明,采用Kalman滤波估算方法有利于提高动力电池的荷电状态估算精度,适合应用在混合动力电动车中.      

偏心密封动力特性分析与新型自同心密封研究

密封气流激振引起的转子失稳已成为发展高性能透平机械的瓶颈问题。为了研究偏心率对密封动力特性及转子稳定性的影响规律,揭示转子偏心诱发密封气流激振的机理,采用非定常动网格技术方法,建立了多频椭圆涡动轨迹的密封动力特性求解模型。在此基础上,提出了新型浮动式自同心密封结构,包含密封环浮动式和密封环自适应同心两大理念,分析了新型密封的工作原理以及力学特性。结果表明:密封的等效刚度和等效阻尼随着偏心率的增大而减小。不同涡动频率下,当偏心率增加到0.7时,等效阻尼相比于同心密封下降幅度达到33%~76%。随着偏心率的增大,密封气流力对转子做功增加,降低了转子系统稳定性;随着偏心率的增加,密封流体动压效应增强,密封气流激振力增大,转子系统稳定性降低,偏心转子密封流体动压效应是产生密封气流激振的主要原因;新型浮动式自同心密封的工作原理及动力学特性分析结果表明,新型密封具有自适应同心功能。