用于垂直起降飞机的串联混合动力系统航时最优设计方法技术方案

本发明专利技术提出一种用于垂直起降飞机的串联混合动力系统航时最优设计方法，该设计方法填补了电动垂直起降飞行器最优航时的动力系统设计方法的空白，建立了混合动力电力推进系统模型，在此基础上，提出了以起飞重量和巡航速比为变量的电动垂直起降飞行器的航时的表达式，给出了求解电动垂直起降飞行器最优航时的流程及最优航时对应的混合动力系统设计步骤；明确了电池和发电系统的替换关系，以临界巡航时间的形式给出了在电动垂直起降飞行器中发电系统优于电池的条件；该优化设计方法可确定电动垂直起降飞行器最优航时的起飞重量和巡航速度设计指标，给出混合动力系统与纯电池系统的替换关系和替换判断条件，对电动垂直起降飞行器设计具有指导意义。飞行器设计具有指导意义。飞行器设计具有指导意义。

【技术实现步骤摘要】
用于垂直起降飞机的串联混合动力系统航时最优设计方法


[0001]本专利技术涉及垂直起降飞行器动力系统领域，特别涉及一种用于垂直起降飞机的串联混合动力系统航时最优设计方法。

技术介绍

[0002]垂直起降(VTOL)飞行器是一种综合了旋翼飞机和固定翼飞机优点的飞行器。它具有垂直起降能力和高巡航效率优点。其动力系统的设计受到起降和巡航需求功率差异大的挑战。由于这种巨大的功率需求差距，传统的发动机在悬停飞行阶段和巡航飞行阶段的工作点距离非常远，效率很低。此外，发动机的灵活性有限。它不能适用于大多数垂直起降飞机多个螺旋桨或旁路风扇的布局。而电力推进具有效率高、布局灵活、更加环保等优点，是目前垂直起降飞机动力系统的首选。电动力垂直起降飞行器概念具有巨大潜力。
[0003]电池是电动垂直起降飞行器最可行的能源之一，但目前的电池技术不足以使其在垂直起降飞行器中得到成熟应用，因此，一种合理且有前景的方案是使用混合动力系统。混合动力系统结合了燃料的高比能量和电池的高比功率的优点。特别地，串联混合动力系统可以有效地将动力分配到机身的不同位置，其燃油中的化学本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.用于垂直起降飞机的串联混合动力系统航时最优设计方法，其特征在于，针对确定的电动垂直起降飞行器气动外形和尺寸，优化目标为最长航时，包含以下步骤：步骤(1)：基于简化和假设条件，建立电动垂直起降飞行器功率需求模型、动力系统效率和重量模型；步骤(2)：选取起飞重量和巡航速度比作为设计变量，基于步骤(1)中的功率需求模型和动力系统效率重量模型得到纯电池电动垂直起降飞行器的航时表达式；步骤(3)：计算纯电动力电动垂直起降飞行器的最远航时及其对应的起飞重量和巡航速度比；步骤(4)：根据步骤(1)建立功率需求模型、混合动力系统效率和重量模型计算临界巡航时间t
*
，若步骤(3)得到的纯电动力垂直起降飞行器的最长航时小于上述临界时间t
*
，则进行纯电动力系统设计，转入步骤(5)；若步骤(3)得到的纯电动力电动垂直起降飞行器的最远航时大于此临界时间t
*
，则将部分电池替换为发电系统，进行串联混合动力系统设计，转入步骤(6)；步骤(5)：进行纯电动力系统设计，根据步骤(3)得到的起飞重量和巡航速度比确定动力系统的设计结果，设计结果包括电机重量、电池重量、巡航飞行速度；步骤(6)：进行串联混合动力系统设计，根据步骤(3)得到的起飞重量和巡航速度比确定动力系统的设计结果，设计结果包括电机重量、电池重量、燃油重量、发动机
‑
发电机重量、巡航飞行速度；所述串联混合动力系统包含发动机、燃油、发电机、电动机、电池部件，其中发动机、燃油、发电机组成发电系统；串联混合动力系统实质为发电系统和电池两种产生电能的系统进行功率混合输出，纯电动力系统仅由电池进行功率输出，这里将纯电动力系统归为特殊的串联混合动力系统；上述权利要求所述步骤(1)中的简化条件为：
①
整个飞行剖面只包含垂直起飞、水平定速巡航、垂直降落三个阶段，由垂直起飞时间、垂直降落时间、巡航飞行速度、巡航飞行时间来定义飞行任务剖面；
②
不考虑飞行过程中飞行器的重量变化和由垂直飞行阶段到水平飞行阶段的过渡状态；所述步骤(1)中的假设条件为：
①
动力系统的可用功率等于飞行过程的所需功率；
②
发动机、发电机、电动机、电池的可用功率与重量关系由比功率给出，燃油、电池的可用能量与重量关系由比能量给出；
③
发动机、发电机、电动机、电池的能量转换效率为单点效率；步骤(1)中所述电动垂直起降飞行器功率需求模型为：悬停飞行阶段电动机驱动螺旋桨工作的功率为：其中，T是所有螺旋桨产生的净推力，η
prop
‑
h
是悬停飞行中的螺旋桨效率，ρ是空气密度，A
t
是所有螺旋桨盘的总面积；悬停阶段消耗的总能量由下式给出
其中t
h
为垂直飞行阶段时间；巡航飞行阶段电动机驱动螺旋桨工作的功率为：其中，C
L
是升力系数，V是巡航空速，ρ是大气密度，S
ref
是飞行器的参考面积，η
prop
‑
c
是巡航过程的螺旋桨效率，C
d0
是飞行器的零升阻力系数，k＝1/πARe是升致阻力系数，其中AR是展弦比，e是展向效率；巡航阶段消耗的总能量由下式给出其中，t
c
是平飞阶段的持续时间；步骤(1)中所述混合动力系统的效率模型为：由电池到螺旋桨的效率为(不包括螺旋桨效率)：η
b
‑
p
＝η
batt
η
EM
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式(5)发电系统中能量从燃料到螺旋桨的总转换效率为：η
f
‑
p
＝η
ICE
η
GE
η
EM
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式(6)步骤(1)中所述混合动力系统重量模型为：将飞行器的起飞重量分为动力系统重量和空机重量：W
to
＝W
pro
+W
eo
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式(7)其中，W
eo
是空机重量，包括有效载荷重量、结构重量、航空电子设备重量和螺旋桨重量；纯电动力系统中W
pro
由电机和电池组成，即W
pro
＝W
EM
+W
batt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式(8)在串联混合动力系统中，将部分电池替换为发电系统，即包含发动机
‑
发电机、燃油、电机和电池重量：W
pro
＝W
EM
+W
HEG
+W
fuel
+W
batt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式(9)其中，W
EM
是电动机重量，W
HEG
是发动机
‑
发电机重量，W
fuel
是燃料重量...

【专利技术属性】
技术研发人员：王向阳，钮蕙丛，杨佳利，朱纪洪，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：