混合动力复合翼飞行器的参数设计方法

本发明属于混合动力复合翼飞行器，具体涉及混合动力复合翼飞行器的参数设计方法。

背景技术：

1、复合翼飞行器是将传统的固定翼和旋翼相结合的一种飞行器，它既具备传统固定翼的在水平飞行时的高速巡航能力，又具备传统旋翼的垂直起降功能，适用于更多的飞行场景。

2、现阶段复合翼飞行器主要采用的是纯电力推进，纯电力推进的飞行器广泛应用于各类短途、轻型任务。然而，在涉及长航时需求的情况下，由于电池的能量密度相对较低，现阶段电力推进系统可能难以实现与传统内燃机动力系统相媲美的飞行距离和续航时间。一般内燃机的热效率在40％左右，为了进一步提高推进系统的整体效率，混合推进系统成为一种主要的解决方案。混合推进系统包括串联式、并联式和混联式三种类型。采用串联式混合推进系统，使得复合翼飞行器的推进系统能够采用分布式布局，从而为飞行器的设计提供更大的灵活性和自由度。

3、对于混合动力复合翼飞行器的设计方法，大多数研究主要针对纯电力推进，但是由于这些方法设计只考虑了单一来源的能源推进系统，而混合动力飞行器的推进系统包括了发动机和电动机，所以这样的设计方法并不适合于混合动力飞行器，并且在现有的混合动力复合翼飞行器的参数设计方法中，没有充分考虑飞行器的垂直爬升性能限制以及分布式推进系统所增加的额外重量，这将导致估算出的飞行器起飞重量偏小，同时也导致旋翼模式下的电机估算功率偏低。因此，需要一种更准确的方法来完成混合动力复合翼飞行器的初步参数设计。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决传统飞机设计方法存在的在概念设计阶段设计的旋翼模式电动机功率偏低和飞行器的总重偏小的问题，而提供了混合动力复合翼飞行器的参数设计方法。

2、为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：

3、混合动力复合翼飞行器的参数设计方法，所述参数包括飞行器起飞质量、推进系统质量、燃油质量、电池质量和翼载荷；其特殊之处在于，所述设计方法包括以下步骤：

4、步骤1，确定固旋翼飞行器的起飞质量目标需求mpayload和设计输入参数；

5、所述设计输入参数包括巡航速度、旋翼模式爬升率、固定翼模式爬升率、升限、失速、升阻比、起飞质量初始值mtom0以及有效载荷；

6、步骤2，建立混合动力复合翼飞行器模型，在固定翼模式下，通过飞行器的巡航约束、爬升约束、升限约束、失速约束和垂直爬升约束确定飞行器的设计边界，绘制各个约束与功重比和翼载荷的关系曲线，并根据所述关系曲线确定发动机、发电机、固定翼模式电动机、旋翼模式电动机的设计边界；

7、步骤3，在步骤2确定的设计边界上，选取同一翼载荷下的发动机、发电机、固定翼模式电动机、旋翼模式电动机的设计点，并根据起飞质量初始值以及所选设计点处的功重比和翼载荷计算得到飞行器的推进系统质量mps，所述推进系统质量不包括发动机质量；

8、在计算推进系统质量过程中，考虑分布式推进系统带来的额外质量，所述额外质量包括电机和调速器的附件质量、供电线质量；

9、步骤4，计算飞行器在飞行中每个阶段的总传输能量，并根据能量使用效率，转换计算得到飞行器的能源总质量，所述能源总质量等于燃油质量mfuel和电池质量mba之和；

10、步骤5，选取飞行器设计边界上的设计点，根据步骤1的飞行器起飞质量初始值mtom0以及步骤3和步骤4过程计算飞行器的能源总质量menergy和推进系统质量mps，以能源总质量menergy、推进系统质量mps以及起飞质量目标需求mpayload作为飞行器起飞质量首次迭代计算的输入参数；设定迭代停止阈值，迭代计算得到当前迭代输出值mtomnew，并根据输出值mtomnew和步骤3和步骤4公式更新飞行器的能源总质量和推进系统质量，将起飞质量目标需求mpayload和更新后的能源总质量和推进系统质量作为下一次迭代计算的输入参数；遍历飞行器设计边界的所有设计点，得到各设计点对应的迭代停止时飞行器起飞质量，从中选取最小起飞质量，作为设计所需的飞行器起飞质量；

11、步骤6，根据步骤5选取的最小起飞质量对应的设计点的参数信息，计算获得飞行器推进系统质量mps、燃油质量mfuel、电池质量mba和翼载荷

12、进一步地，所述步骤2具体包括以下步骤：

13、步骤2.1，根据复合翼飞行器的巡航约束公式，绘制功重比和翼载荷坐标下的巡航约束曲线；

14、所述复合翼飞行器的巡航约束公式为

15、式中，t为推力，w为飞行器起飞重量，s为机翼面积，cd,min为飞行器的最小阻力系数，cd,min的估计值为0.028～0.035；k为诱导阻力常数，v为飞行器速度，ηprop为螺旋桨效率，q为动压，ρ为空气密度，标准取值为1.225；

16、步骤2.2，根据固定翼模式下的爬升约束公式，绘制功重比和翼载荷坐标下的爬升约束曲线；

17、所述固定翼模式下的爬升约束公式为

18、式中，v1为飞行器的爬升率，为最佳爬升率；

19、步骤2.3，根据复合翼飞行器的失速约束公式，绘制功重比和翼载荷坐标下的失速曲线；

20、所述复合翼飞行器的失速约束公式为

21、式中，vs为失速速度，clmax为最大升力系数；

22、步骤2.4，根据升限约束公式绘制功重比和翼载荷坐标下的升限约束曲线，其中vl为最大爬升率，取值为vl＝0.508m/s；

23、步骤2.5，根据垂直爬升约束公式绘制功重比和翼载荷坐标下飞行器的垂直爬升约束曲线；

24、其中，sw为飞行器面积与机翼面积的比率，取1.35；fm为旋翼因子，取值范围为0.6～0.7；vi为轴向爬升速度；

25、步骤2.6，根据步骤2.1-步骤2.5绘制的巡航约束曲线、爬升约束曲线、失速约束曲线、升限约束曲线和垂直爬升约束曲线，确定发动机、发电机、固定翼模式电动机和旋翼模式电动机的设计边界；确定各设计边界的规则为：

26、由于飞行器采用的是串联式的混合系统，发动机和发电机的功率只需满足巡航功率，则取发动机和发电机的设计边界于巡航约束曲线上；由于固定翼模式电动机需提供爬升功率，则取固定翼模式电动机的设计边界于爬升约束曲线上；基于旋翼模式电动机需提供垂直爬升功率，则取旋翼模式电动机的设计边界于垂直爬升约束曲线上；并且固定翼模式电动机功率大于发动机或发电机的功率。

27、进一步地，所述步骤3具体包括以下步骤：

28、步骤3.1，在同一翼载荷位置处选取各设计上发动机、发电机、固定翼模式电动机和旋翼模式电动机的设计点，计算该设计点处发动机、发电机、旋翼模式电机和固旋翼模式电机的功率，并计算电机总功率；

29、发动机功率pice＝k1*w；发电机功率pgen＝k1*w；

30、旋翼模式电机功率prmot＝k2*w；固旋翼模式电机功率pfmot＝k3*w；

31、电机总功率pmot＝prmot+pfmot；

32、其中，k1，k2，k3分别为所选取的设计点对应的功重比的值；

33、步骤3.2，计算获得螺旋桨质量、电机质量、发电机质量和电动调速器质量，

34、所述螺旋桨质量计算公式为：

35、

36、所述电机质量计算公式为：

37、所述发电机质量计算公式为：mge＝0.385*(pgen+0.44)；

38、所述电动调速器质量计算公式为：

39、其中，km为校正系数，取值0.6；nprop为螺旋桨的数量，nb为叶片数量；为电机功率系数，取值0.2；为电子调速器功率系数，取值0.05；

40、步骤3.3，计算分布式推进系统带来的额外质量，包括电机和调速器的附件质量、供电线质量；电机和调速器的附件质量取为0.3*mmotor；

41、分布式分布式推进系统带来的额外质量mex＝0.3*mmotor+ρpl*spl*lpl，其中，ρpl、lpl、spl分别为供电线材料密度、供电线长度和供电线横截面积；

42、步骤3.4，计算不包括发动机的推进系统质量mps，

43、mps＝mprop+mmotor+mge+mesc+mex。

44、进一步地，所述步骤4，具体包括以下步骤：

45、步骤4.1，根据飞行器执行任务的能量需求，计算飞行中各阶段的总传输能量；所述能量需求来自于空气动力阻力、加速度和高度变化势能；

46、飞行器的总传输能量计算公式为：其中l/d为飞行器的升阻比，t为巡航时间,m为飞行器起飞质量；

47、步骤4.2，计算燃油质量；

48、由于设计的发动机功率是以巡航功率为标准，则认为在巡航过程中发动机的功率不变，因此燃油质量其中ηge、ηmot、ηprop、ηesc分别为发电机效率、电机效率、旋翼效率、电调效率，取值分别是0.9、0.925、0.80、0.95，sfc为燃油消耗率，t为巡航时间；

49、步骤4.3，根据公式计算获得电池质量mba，其中e*为电池密度，取值为200wh/kg；ηba为电池效率，pice为发动机功率；ddq是深度放电包含系数，取值范围为0.2～0.25；

50、步骤4.4，计算得到飞行器的能源总质量menergy＝mfuel+mba。

51、进一步地，所述步骤5具体包括以下步骤：

52、步骤5.1，在步骤2确定的发动机、发电机、固定翼模式电动机和旋翼模式电动机的设计边界上选取设计点，先根据步骤1中起飞质量初始值mtom0以及步骤3和步骤4计算公式，得到能源总质量menergy和推进系统质量mps；以能源总质量menergy、推进系统质量mps以及起飞质量目标需求mpayload作为飞行器起飞质量首次迭代计算的输入参数；

53、步骤5.2，根据飞行器起飞质量首次迭代计算输入参数以及飞行器起飞质量迭代公式对起飞质量进行迭代计算，得到输出值mtomnew，将当前迭代输出值mtomnew带入步骤3和步骤4更新计算能源总质量menergy和推进系统质量mps，并将起飞质量目标需求mpayload以及更新后的能源总质量menergy和推进系统质量mps作为下一次迭代的输入参数，直至本次迭代输出值mtomnew(n)与上次迭代输出值mtomnew(n-1)满足|mtomnew(n)-mtomnew(n-1)|＜ε时，则停止迭代，其中所述ε为设定的停止阈值，n为迭代次数，n＞1；

54、所述飞行器起飞质量迭代公式中mfps为飞行器质量系数，取值范围为0.45～0.55；

55、步骤5.3，按照步骤5.1-步骤5.2，遍历飞行器设计边界上的所有设计点，获得各设计点对应的迭代停止时飞行器起飞质量输出值，从中选取最小起飞质量，作为设计所需的飞行器起飞质量。

56、本发明的优点是：

57、本发明提供了混合动力复合翼飞行器的参数设计方法，根据概念设计阶段飞行器的设计输入参数和飞行器约束计算公式，确定发动机、发电机、固定翼模式电动机和旋翼模式电动机的设计边界，在确定设计边界过程中，考虑了复合翼飞行器的垂直爬升约束；在通过设计边界上选取设计点计算推进系统质量过程中，考虑了分布式推进系统带来的额外质量，所述额外质量包括电机和调速器的附件质量、供电线质量，使得设计得到的飞行器质量参数结果准确，符合飞行器飞行实际，避免了未充分考虑飞行器的垂直爬升性能限制以及分布式推进系统所增加的额外重量导致飞行器起飞重量计算结果偏小、旋翼模式下的电机估算功率偏低的问题。

技术特征：

1.混合动力复合翼飞行器的参数设计方法，所述参数包括飞行器起飞质量、推进系统质量、燃油质量、电池质量和翼载荷；其特征在于，所述设计方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述参数设计方法，其特征在于，所述步骤2包括以下步骤：

3.根据权利要求1或2所述参数设计方法，其特征在于，所述步骤3，具体包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述参数设计方法，其特征在于，所述步骤4，具体包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述参数设计方法，其特征在于，所述步骤5，具体包括以下步骤：

技术总结
本发明提供了混合动力复合翼飞行器的参数设计方法，首先确定固旋翼飞行器起飞质量目标需求和设计输入参数；然后根据在固定翼模式下，通过飞行器巡航约束、爬升约束、升限约束、失速约束和垂直爬升约束确定飞行器设计边界，绘制各个约束与功重比和翼载荷的关系曲线，根据关系曲线确定发动机、发电机、固定翼模式电动机、旋翼模式电动机的设计边界；在设计边界上选取设计点，考虑分布式推进系统的额外质量，计算推进系统质量；遍历飞行器设计边界所有设计点，迭代解算各设计点对应的起飞质量，从中选取最小值作为设计所需飞行器起飞质量，计算飞行器的推进系统、燃油和电池的质量及翼载荷。本发明方法估算结果准确，符合飞行器实际。

技术研发人员：穆凌霞,张振华,王斑,冯楠,薛向宏
受保护的技术使用者：西安理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23