某型飛機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)仿真研究

韓梅

摘 要：在我國大力倡導(dǎo)綠色能源的趨勢(shì)下，新能源飛機(jī)會(huì)越來越受到關(guān)注并且會(huì)得到大力發(fā)展，這是未來通用航空飛機(jī)發(fā)展的必然選擇，也是未來航天發(fā)展的主要方向。本文以銳翔電動(dòng)飛機(jī)為例，通過AeroSim進(jìn)行模塊搭建與仿真。Aerosim模塊打破了飛機(jī)傳統(tǒng)仿真需用Matalab編程語言的模式，能讓研發(fā)人員更直觀地了解系統(tǒng)運(yùn)行模式，理解其系統(tǒng)運(yùn)行原理。通過這一模塊的仿真也可以為新一代飛機(jī)的更新?lián)Q代提供強(qiáng)有力的平臺(tái)模塊化支撐。將得出的仿真結(jié)果與飛機(jī)實(shí)際試飛結(jié)果進(jìn)行對(duì)比后，可以進(jìn)一步確定模塊搭建的正確與否，從而驗(yàn)證仿真結(jié)果的可信度。

關(guān)鍵詞：新能源飛機(jī);動(dòng)力系統(tǒng)仿真;仿真結(jié)果對(duì)比

引言：新能源電動(dòng)飛機(jī)零排放、低噪聲、幾乎不對(duì)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響，代表著飛機(jī)發(fā)展的重要方向。目前新能源電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)已經(jīng)在超輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)（ULSA）和輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)（LSA）上應(yīng)用，提供諸如飛行員培訓(xùn)、觀光、航空體育競(jìng)技等實(shí)際用途。隨著新能源能量密度等指標(biāo)的逐步提升，電動(dòng)飛機(jī)在今后的通用航空市場(chǎng)、甚至運(yùn)輸航空市場(chǎng)都有巨大的發(fā)展空間。

1新能源電推進(jìn)系統(tǒng)

電推進(jìn)系統(tǒng)由為電動(dòng)飛機(jī)提供推力的電機(jī)及相關(guān)裝置構(gòu)成。電推進(jìn)系統(tǒng)是電動(dòng)飛機(jī)的核心，電動(dòng)飛機(jī)的性能和用途主要取決于其電推進(jìn)系統(tǒng)。民用飛機(jī)要進(jìn)入市場(chǎng)，必須得到民航當(dāng)局的許可，即取得適航證。對(duì)于10座以下或起飛總重不大于5670kg的噴氣式正常、實(shí)用、特技和通勤類飛機(jī)，以及19座以下或起飛總重不大于8618kg的螺旋槳正常、實(shí)用、特技和通勤類飛機(jī)，按CCAR-23部或FAR-23部適航標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和取證。美國聯(lián)邦航空局（FAA）將起飛總重不超過600kg的陸上航空器和起飛總重不超過650kg的水上起降航空器，且最大平飛空速不超過122km/h、失速速度不超過83km/h的單、雙座飛機(jī)歸類于輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)，并把這類飛機(jī)的適航標(biāo)準(zhǔn)制訂下放給了美國試驗(yàn)和材料標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ASTM），因而輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)的適航取證按CCAR-21部或FAR-21部以及適用的ASTM標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。目前，LSA電推進(jìn)裝置的設(shè)計(jì)與制造一般遵照ASTMF2840-11標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

2新能源飛機(jī)動(dòng)建模

2.1模型總體簡介

Aerosim模塊是Matalab中Simulink中的一個(gè)自主開發(fā)模塊，該模塊可以對(duì)六自由度飛行器進(jìn)行不同情況的仿真，在飛行器仿真領(lǐng)域，Simulink軟件中的多個(gè)模塊已經(jīng)普遍適用于航空航天科學(xué)技術(shù)的各種研發(fā)[3]。它可以根據(jù)使用者的不同需求進(jìn)行模塊搭建，從而達(dá)到滿足飛行器所設(shè)定的各種情境，并可以滿足飛行力學(xué)模型、飛行控制系統(tǒng)及不同外界條件的仿真，并能通過仿真達(dá)到預(yù)期結(jié)果的極其實(shí)用的模塊。

2.2動(dòng)力系統(tǒng)電源建模

電池充放電是一個(gè)較為復(fù)雜的非線性過程，電池電量和電動(dòng)機(jī)功率的大小是決定飛機(jī)起飛的主要因素，飛機(jī)飛行時(shí)其質(zhì)量保持不變。

3驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的故障分析

3.1分析驅(qū)動(dòng)電機(jī)故障劃分和故障原因

在實(shí)際生活中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)生故障并不稀奇，總結(jié)來看，大致可以分為以下幾種情況，即運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)溫度過高、能啟動(dòng)卻不能正常使用、無法啟動(dòng)等。在國家標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，依照故障類型，我們可以對(duì)新能源飛機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的故障進(jìn)行適當(dāng)?shù)膭澐郑治雒糠N故障類型發(fā)生的原因。

在致命故障中最為多見的是損壞型故障，不管是定子繞組故障，還是軸承和花鍵磨損故障都是其范圍內(nèi)的，是機(jī)械故障中最主要的表現(xiàn)形式。在致命故障中的電氣故障也很常見，一般故障發(fā)生在電路板、傳感器等關(guān)鍵部位。嚴(yán)重故障中，各種故障類型都比較常見，其中發(fā)生頻率最高的是功能失效型故障和性能衰退型故障，表現(xiàn)是純電動(dòng)飛機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)的性能失調(diào)、衰退及失效。而一旦傳感器、冷風(fēng)機(jī)等部位發(fā)生了故障，一般屬于損壞型的故障的類型，同樣的，冷卻系統(tǒng)的堵塞與滲透型故障也屬于其中的內(nèi)容。

一般故障中，最常見的要數(shù)電氣類的故障了，例如，接觸器件損壞、傳感器燒毀，甚至是元器件的松脫型故障和連接元器件的松動(dòng)等也屬于一般故障的范疇當(dāng)中。輕微故障，顧名思義，就是一些故障的發(fā)生并不是非常緊要的，不會(huì)影響新能源飛機(jī)的各項(xiàng)性能的發(fā)揮，例如某行飛機(jī)在長期的使用過程中，造成的機(jī)身外部某些零部件的丟失或者松動(dòng)，或者磨損和銹化。

3.2分析電機(jī)控制器故障類型

對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器的故障進(jìn)行劃分，主要包含：CAN通信故障、傳感器故障、連接線故障等。

4新能源飛機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)仿真

4.1飛行狀態(tài)仿真

某型號(hào)飛機(jī)的電動(dòng)機(jī)通過上文中所搭建的電動(dòng)機(jī)模塊可以仿真得出電動(dòng)機(jī)分別處于3個(gè)不同功率下的氣動(dòng)參數(shù)，可以得出從起飛滑跑到巡航這一階段電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的大小。進(jìn)一步可對(duì)比得出不同功率下的耗電量，能讓飛行員飛行時(shí)切換不同模式提供更多可參考數(shù)據(jù)，也能更直觀看出電動(dòng)機(jī)在3種不同功率達(dá)到最大輸出轉(zhuǎn)矩所需時(shí)間大致相同。飛機(jī)飛行性能仿真流程：給出準(zhǔn)備時(shí)間2min，準(zhǔn)備結(jié)束后開始地面滑跑，滑跑后飛機(jī)進(jìn)行爬升，爬升高度設(shè)置為1000m，然后飛機(jī)開始巡航40～50min左右，巡航結(jié)束后飛機(jī)下降到達(dá)降落高度后開始著陸，全部仿真過程外部環(huán)境設(shè)置為合理風(fēng)速下，這一過程仿真結(jié)果和實(shí)際結(jié)果對(duì)比。當(dāng)仿真飛行在400s左右時(shí)，仿真曲線與實(shí)際曲線幾乎重合，隨后在巡航時(shí)段內(nèi)有分離情況出現(xiàn)并在最后著陸時(shí)大致重合。

4.2經(jīng)濟(jì)性仿真對(duì)比

通過以上仿真可以得出飛行里程與耗電量的關(guān)系，為了進(jìn)一步驗(yàn)證所仿真飛機(jī)飛行時(shí)所花費(fèi)費(fèi)用，利用以上結(jié)果計(jì)算可得出飛機(jī)飛行時(shí)所需的花費(fèi)，并與同等型號(hào)CTLS飛機(jī)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)比，可得出結(jié)論：銳翔飛機(jī)每次充電90min即可充滿，飛行45～60min電量耗盡最多可以飛行180km，CTLS飛機(jī)為燃油飛機(jī)，滿油狀態(tài)下可飛行1300km。得出飛行相同里程新能源飛機(jī)花費(fèi)明顯低于傳統(tǒng)飛機(jī)，燃油飛機(jī)飛行相同里程花費(fèi)甚至為新能源飛機(jī)的數(shù)十倍，但由于新能源飛機(jī)電池電量有限，導(dǎo)致航程較短，決定了它不適合飛行中遠(yuǎn)途航線，所以在短途飛行培訓(xùn)、觀光或者進(jìn)行山地救援等特殊情況下優(yōu)先選擇新能源飛機(jī)更經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，也會(huì)把對(duì)環(huán)境造成的危害降到最低。

結(jié)語：利用AeroSim模塊建立了飛機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)仿真模塊，并對(duì)標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境下飛機(jī)飛行處于不同模式時(shí)的各種速度、可飛行時(shí)間、續(xù)航里程能量消耗率，以及與同等型號(hào)飛機(jī)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析等進(jìn)行多方面比對(duì)，從而驗(yàn)證了各個(gè)子系統(tǒng)及控制策略的準(zhǔn)確性、有效性，結(jié)果表明此模型具有較高的精度與可行性，實(shí)現(xiàn)了構(gòu)建與所描述一體化的仿真模型，也為電動(dòng)飛機(jī)及無人機(jī)仿真搭建了良好平臺(tái)，為新能源飛機(jī)性能仿真能更方便快捷提供了理論基礎(chǔ)，也為飛機(jī)整機(jī)仿真以及更深度研發(fā)縮短研發(fā)周期提供了有力的保障。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃俊，楊鳳田.新能源電動(dòng)飛機(jī)發(fā)展與挑戰(zhàn)[J].航空學(xué)報(bào)，2016，37（1），57-68.

[2]楊新，王小虎，申功璋，等.飛機(jī)六自由度模型及仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2000（3）：210-213.

[3]陶思鈺.基于Mauab/Simulink平臺(tái)的民用多電飛機(jī)儲(chǔ)能系統(tǒng)建模仿真[C]//第六屆民用飛機(jī)航電國際論壇論文集.2017：7.