飛機(jī)電動(dòng)滑行系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)特性及節(jié)能減排性能分析

唐建軍，郭衛(wèi)東，徐東光，賈玉紅

（1.北京航空航天大學(xué) 大型飛機(jī)高級人才培訓(xùn)班，北京100083； 2.北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京100083；3.中國商飛上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210； 4.北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京100083）

近年來，中國民用航空行業(yè)蓬勃發(fā)展，其背后帶來的負(fù)面影響也在逐漸加劇。其一，大量的燃油消耗導(dǎo)致能源的浪費(fèi)，也關(guān)系到機(jī)場和航空公司的經(jīng)濟(jì)效益；其二，主要包括CO、HC、NOX在內(nèi)的污染物超量排放導(dǎo)致空氣質(zhì)量的日益下降，對環(huán)境造成的破壞不容忽視，不利于綠色航空的發(fā)展。因此，如何進(jìn)一步節(jié)省燃油消耗和減少污染物排放，是多家機(jī)場和航空公司的重點(diǎn)關(guān)注對象。

飛機(jī)在地面滑行時(shí)，利用自身電力系統(tǒng)代替主發(fā)動(dòng)機(jī)（以下簡稱主發(fā)）作為動(dòng)力源，驅(qū)動(dòng)飛機(jī)地面滑行，這種新型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)稱為飛機(jī)電動(dòng)滑行系統(tǒng)（Aircraft Electric Taxiing System，AETS）。其最早可以追溯到2005年，由Borealis公司家族成員WheelTug公司提出在波音767上開發(fā)測試AETS原型機(jī)的想法，此后一些國外巨頭紛紛開展了相關(guān)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)［1］。

在理論研究方面，2011年，Dzikus等［2］研究了電動(dòng)滑行對燃料量的節(jié)省高度依賴于飛機(jī)地面滑行時(shí)間，而飛行距離對整體燃油經(jīng)濟(jì)性的影響較小；同年，Hamiti等［3］研究了利用AETS驅(qū)動(dòng)主起落架機(jī)輪（以下簡稱主輪）運(yùn)轉(zhuǎn)的可行性，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)可能放置的位置進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)AETS適用于高頻次起落的短途客機(jī)；2013年，Dzikus等［4］對于中短途飛機(jī)分別采用電動(dòng)滑行、操作拖曳、單引擎驅(qū)動(dòng)建立了油耗模型；2016年，萬麗麗等［5］在電動(dòng)滑行過程中采用地面網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣５姆椒ǎㄟ^優(yōu)化滑行道路布局減少了油耗和排放；2015年，侯樂毅和朱剛［6］針對A380飛機(jī)建立了AETS動(dòng)力學(xué)模型，該飛機(jī)所需的電動(dòng)滑行功率需求遠(yuǎn)大于輔助動(dòng)力裝置（Auxiliary Power Unit，APU）提供的發(fā)電功率；2018年，張威等［7］對電動(dòng)滑行傳動(dòng)方案及機(jī)輪設(shè)計(jì)做了研究，運(yùn)用MATLAB/Simulink對滑行過程加以仿真分析，電動(dòng)滑行驅(qū)動(dòng)最大滑行速度達(dá)到了37 km/h。

由于AETS是一個(gè)新的概念，國內(nèi)外對其理論研究還較少。目前，理論研究主要集中在電動(dòng)滑行設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)力計(jì)算、能耗污染及發(fā)展前景挑戰(zhàn)等方面，研究相對零散，缺乏系統(tǒng)性。隨著以C919為代表的國產(chǎn)大飛機(jī)的快速發(fā)展，民用航空行業(yè)朝向綠色航空發(fā)展，研究中國自主的AETS至關(guān)重要。本文在前人的基礎(chǔ)上基于A320-200型客機(jī)設(shè)計(jì)AETS，從仿真的角度對其在地面滑行階段的驅(qū)動(dòng)能力、穩(wěn)定性和節(jié)能減排性能進(jìn)行研究，以此綜合分析AETS的可行性和經(jīng)濟(jì)特性。

1 飛機(jī)電動(dòng)滑行系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

在民用航空飛機(jī)地面滑行過程中，推動(dòng)飛機(jī)滑行的是怠速運(yùn)轉(zhuǎn)的主發(fā)，其低速運(yùn)行期間燃油利用率低，污染物排放率高。通過先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)和氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)來減少燃油消耗和污染物排放問題已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)技術(shù)瓶頸，因此，必須采用新的思路和技術(shù)途徑。如果采用AETS代替主發(fā)驅(qū)動(dòng)飛機(jī)地面滑行，進(jìn)而可能在能源消耗、有害氣體排放等方面產(chǎn)生價(jià)值效益。AETS的一般組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

為了設(shè)計(jì)AETS傳動(dòng)方案，需要對飛機(jī)地面滑行時(shí)的受力狀況加以分析。飛機(jī)在地面滑行時(shí)受力情況如圖2所示。圖中：α為滑行道坡角；Nn、Nm分別為前起承力、主起承力；v為滑行速度；h為重心距離地面高度；a為前起落架距重心縱向距離；b為主起落架距重心縱向距離；mg為飛機(jī)重力。

由圖2所示，飛機(jī)電滑行的動(dòng)力學(xué)方程為

式中：Ftr為驅(qū)動(dòng)力；Frr為滾動(dòng)阻力；FD為空氣阻力；Fi為坡道阻力；Fj為加速度阻力［8］。

AETS驅(qū)動(dòng)機(jī)輪的驅(qū)動(dòng)力不能大于機(jī)輪與地面間的附著力，否則會(huì)打滑導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)能力驟降或者無法驅(qū)動(dòng)。輪胎在硬路面上不打滑滾動(dòng)時(shí)，地面給予輪胎前向驅(qū)動(dòng)力的極限值即為輪胎與地面間的附著力Fφ，其與輪胎承受地面支持力FZ成比例，即

圖1 AETS組成結(jié)構(gòu)Fig.1 Composition and structure of AETS

圖2 飛機(jī)滑行受力狀況Fig.2 Stress state of aircraft taxiing

式中：φ為附著力系數(shù)（最大靜摩擦力系數(shù)）［9］。

將A320-200 型飛機(jī)和滑行道等相關(guān)參數(shù)［6，10-11］（詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1）代入式（1）和式（2），計(jì)算出此型號(hào)飛機(jī)所需最小驅(qū)動(dòng)力為15 847 N，其前起落架機(jī)輪（以下簡稱前輪）最大附著力為8 678 N，其主輪最大附著力為80 554 N。所以，對目標(biāo)飛機(jī)只有采用主輪驅(qū)動(dòng)才滿足滑行要求。進(jìn)一步設(shè)計(jì)了利用APU供電、無刷直流電機(jī)（Brush-Less Direct Current Motor，BLDCM）驅(qū)動(dòng)、干式多片型快速電磁離合器與二級齒輪副傳動(dòng)的AETS，其二維傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和三維實(shí)體效果如圖3所示。

表1 A320-200型飛機(jī)和滑行道等相關(guān)參數(shù)［6，10-11］Table 1 Relevant parameters of A320-200 aircraft and taxiway［6，10-11］

圖3 AETS機(jī)械系統(tǒng)Fig.3 Mechanical systems of AETS

2 飛機(jī)電動(dòng)滑行系統(tǒng)建模

基于MATLAB/Simulink搭建AETS仿真模型，此系統(tǒng)可分為驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊、機(jī)械系統(tǒng)模塊和排放性能評估模塊等。基于理論推導(dǎo)先建立各個(gè)模塊數(shù)字化模型，進(jìn)一步利用Simulink元器件庫中各元件對AETS進(jìn)行模塊化搭建。在此基礎(chǔ)上仿真驅(qū)動(dòng)能力、穩(wěn)定性及節(jié)能減排性能。

2.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)模型

系統(tǒng)使用驅(qū)動(dòng)電機(jī)為一款BLDCM。作為直流電機(jī)的一種，BLDCM的基本組成及原理與一般的直流電機(jī)無異。BLDCM 包括電機(jī)本體（轉(zhuǎn)子磁鐵、定子線圈、支撐件等）、霍爾位置傳感器及電子控制線路開關(guān)三大部分。依據(jù)其結(jié)構(gòu)組成、運(yùn)轉(zhuǎn)原理、數(shù)學(xué)模型［12-13］，在Simulink中搭建的BLDCM模型如圖4所示。

采用PID控制器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。比例因子KP、微分因子KD主要影響系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性。合理的KP、KD值可以使系統(tǒng)超調(diào)量小，調(diào)節(jié)時(shí)間短，穩(wěn)定性高，動(dòng)態(tài)性能好。積分因子KI主要影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。合理的KI值可以消除系統(tǒng)靜差，提高系統(tǒng)抗干擾能力。將實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速與控制轉(zhuǎn)速的差值輸入到PID控制器中，通過控制逆變器的供電電壓實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。合理的KP、KD、KI才能使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速相對于控制轉(zhuǎn)速有更好的快速性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)整定方法［14］調(diào)節(jié)，KP=50，KI=1 000，KD=0.2。

圖4 BLDCM Simulink模型Fig.4 Simulink model of BLDCM

2.2 機(jī)械系統(tǒng)模型

AETS機(jī)械系統(tǒng)包括傳動(dòng)系統(tǒng)和飛機(jī)本體。由式（1）進(jìn)一步推導(dǎo)［8］：

由式（1）～式（7），傳動(dòng)系統(tǒng)輸入輸出的動(dòng)力學(xué)方程為

式中：T為電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩；i為傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比；η為傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞效率；R為主輪半徑；Wg為飛機(jī)自重；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；α為跑道斜角；ρ為飛機(jī)迎風(fēng)空氣密度；CD為空氣阻尼系數(shù)；A為飛機(jī)迎風(fēng)面積；V為飛機(jī)迎風(fēng)速度；λ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)；m為飛機(jī)質(zhì)量；d u/d t為飛機(jī)滑行加速度。

傳動(dòng)系統(tǒng)模塊由離合器與傳動(dòng)齒輪副等組成。利用Simscape里面的齒輪、力矩傳感器、角速度源等組件搭建好的傳動(dòng)系統(tǒng)如圖5所示，相關(guān)數(shù)據(jù)見表2。

Simulink里為用戶提供了飛機(jī)機(jī)身與機(jī)輪等部件。根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)設(shè)置參數(shù)，如飛機(jī)參數(shù)（質(zhì)量、重心位置、機(jī)身橫截面積、輪胎直徑、輪胎滾阻系數(shù)等）、環(huán)境參數(shù)（滑行跑道坡度、滑行風(fēng)速等）（詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1、表3）來計(jì)算仿真時(shí)的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)。搭建飛機(jī)本體系統(tǒng)模型如圖6所示。

2.3 排放性能評估模型

AETS的油耗排放性能評估包括衡量滑行中的油耗量及有害氣體排放量。AETS消耗的電能來源于APU的發(fā)電機(jī)。帶動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)電的APU本質(zhì)為小型的發(fā)動(dòng)機(jī)，其消耗的也是飛機(jī)燃油，燃油的消耗導(dǎo)致AETS工作過程中會(huì)排放有害氣體。所以，對電動(dòng)滑行性能評估本質(zhì)上是建立APU的燃油消耗模型與有害氣體排放模型。A320-200型客機(jī)APU型號(hào)為GTCP36-300，其發(fā)電機(jī)最大功率可達(dá)90 kW，該APU性能參數(shù)如表4所示［15］。表中：PAPU為APU發(fā)電機(jī)輸出功率，kW。

圖5 傳動(dòng)系統(tǒng)Simulink模型Fig.5 Simulink model of transmission system

表2 AETS相關(guān)數(shù)據(jù)Table 2 Related parameters of AETS

表3 北京首都國際機(jī)場相關(guān)參數(shù)Table 3 Related parameters of Beijing Capital International Airport

圖6 飛機(jī)本體Simulink模型Fig.6 Simulink model of aircraft body

表4 GTCP36-300型APU性能參數(shù)［15］Table 4 Performance parameters of GTCP36-300 APU［15］

評估AETS能耗、有害氣體排放性能時(shí)，可利用主發(fā)驅(qū)動(dòng)飛機(jī)滑行作為對比對象。建立主發(fā)能耗、排放數(shù)學(xué)模型。在相同滑行條件下，計(jì)算并對比主發(fā)、APU燃油消耗量和有害氣體排放量，進(jìn)而可以分析出AETS節(jié)能減排的能力。

A320-200型飛機(jī)采用CFM56-5B/4P型發(fā)動(dòng)機(jī)，其性能參數(shù)如表5所示［16］。

表5 CFM 56-5B／4P型發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)［16］Table 5 Performance parameters of CFM 56-5B／4P Engine［16］

基于表5數(shù)據(jù)，可利用最小方差原則建立FBIF關(guān)于推力F的插值擬合關(guān)系，EIFH、EIFC、EIFN關(guān)于FBIF的插值擬合關(guān)系，進(jìn)而插值出相應(yīng)滑行推力下發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率、氣體排放率的近似數(shù)值。擬合出的數(shù)學(xué)函數(shù)如式（9）～式（12）所示，函數(shù)圖像如圖7所示。

上述APU、主發(fā)的燃油消耗率、HC排放率、CO排放率及NOX排放率均是基于25°標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下測得的標(biāo)準(zhǔn)值。實(shí)際條件下，機(jī)場所處位置不同，機(jī)場滑行道溫度、氣壓、相對濕度等也會(huì)有所差異，會(huì)對燃油量消耗和相關(guān)氣體排放的系數(shù)造成影響。假設(shè)機(jī)場氣壓為P、機(jī)場壓強(qiáng)與標(biāo)準(zhǔn)狀況下海平面壓強(qiáng)之比為δ、機(jī)場溫度與標(biāo)準(zhǔn)狀況下海平面溫度之比為θ、機(jī)場空氣相對濕度為ψ、對應(yīng)條件下機(jī)場水蒸氣飽和氣壓為Pv、飛機(jī)滑行馬赫數(shù)為Ma［17］。為了仿真能耗、排放數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要對能耗、排放系數(shù)進(jìn)行修正。考慮環(huán)境因素后的修正結(jié)果為

在此數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，利用Simulink搭建的APU、主發(fā)性能模型如圖8和圖9所示。

圖7 CFM56-5B/4P型發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)擬合函數(shù)圖像Fig.7 Fitting function images of CFM56-5B/4P engine performance parameters

圖8 目標(biāo)型號(hào)APU性能Simulink模型Fig.8 Simulink model of target APU performance

圖9 目標(biāo)型號(hào)主發(fā)性能Simulink模型Fig.9 Simulink model of target main engine performance

3 飛機(jī)電動(dòng)滑行系統(tǒng)仿真分析

將BLDCM、機(jī)械系統(tǒng)、APU性能、主發(fā)性能模塊與自函數(shù)編寫的模擬輸入模塊按照系統(tǒng)仿真邏輯結(jié)構(gòu)（見圖10）組合搭建AEST總體Simulink仿真系統(tǒng)模型，如圖11所示。

3.1 驅(qū)動(dòng)能力

機(jī)場滑行道的路況大同小異。本文仿真在北京首都國際機(jī)場某滑行道上進(jìn)行，A320-200型客機(jī)滿載時(shí)按照滑行技術(shù)指標(biāo)［6］滑行，忽略空氣阻力，飛機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)至平穩(wěn)滑行的理想情況。利用本文AETS仿真模型，模擬駕駛員操作，輸入不同起步加速度a0、指定滑行速度v，仿真飛機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩和滑行速度的輸出結(jié)果，如圖12所示。

由圖12（a）可知：①飛機(jī)起步加速度不同時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩也會(huì)相應(yīng)變化，但最終都穩(wěn)定在所選電機(jī)額定力矩500 N·m范圍內(nèi)。飛機(jī)從靜止啟動(dòng)瞬間，電機(jī)啟動(dòng)力矩會(huì)有超調(diào)，最大超調(diào)量可達(dá)到520 N·m，略大于所選電機(jī)額定力矩。由于超調(diào)力矩持續(xù)時(shí)間極短，且電機(jī)在使用過程中也允許短時(shí)間超負(fù)荷運(yùn)行，此結(jié)果可接受。②當(dāng)飛機(jī)平穩(wěn)勻速運(yùn)行時(shí)，所需電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩約為209 N·m，略小于由式（8）計(jì)算的飛機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)所需理論電機(jī)力矩220 N·m。以最大起步加速度啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)穩(wěn)定力矩478 N·m也略小于電機(jī)額定力矩。這是由于仿真時(shí)忽略了傳動(dòng)軸承的機(jī)械損失造成的。

由圖12（b）可知：此系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)飛機(jī)地面滑行最大速度可達(dá)4.91 m/s（17.7 km/h），而Wheel-Tug開發(fā)的AETS驅(qū)動(dòng)飛機(jī)滑行速度最大可達(dá)18.5 km/h［7］。可知，在驅(qū)動(dòng)滑行速度上本文系統(tǒng)達(dá)到了與WheelTug開發(fā)系統(tǒng)同等水平程度。

綜合說明，本文系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)能力良好。

3.2 穩(wěn)定性

當(dāng)系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)，在滑行時(shí)間80 s時(shí)給飛機(jī)施加某一波動(dòng)負(fù)載，圖13為電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩、飛機(jī)滑行速度波動(dòng)情況。

圖10 AETS仿真邏輯結(jié)構(gòu)Fig.10 Simulated logic structure of AETS

圖11 AETS Simulink封裝模型Fig.11 Simulink encapsulation model of AETS

圖12 驅(qū)動(dòng)能力仿真Fig.12 Simulation of driving capability

由圖13仿真結(jié)果表明，80 s時(shí)由于突加外部負(fù)載，電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩會(huì)激增，在82 s時(shí)恢復(fù)至原狀態(tài)。飛機(jī)滑行速度幾乎無波動(dòng)。本文系統(tǒng)穩(wěn)定性良好。

3.3 節(jié)能減排性能

依據(jù)北京首都國際機(jī)場滑行道平均長度、滑行技術(shù)指標(biāo)要求，設(shè)置滑行距離1 500 m，滑行時(shí)間不超過10 min。在相同條件下，對比仿真計(jì)算2種驅(qū)動(dòng)方式的燃油消耗量、CO、HC及NOX排放總量，并計(jì)算利用AETS代替主發(fā)驅(qū)動(dòng)飛機(jī)滑行節(jié)省的燃油消耗率和有害氣體減排率，以此研究本文系統(tǒng)節(jié)能減排的能力。圖14顯示出2種不同驅(qū)動(dòng)滑行方式過程中的燃油消耗量和相關(guān)氣體排放量對比結(jié)果。

圖14 兩種驅(qū)動(dòng)方式燃油消耗、氣體排放對比Fig.14 Comparison of fuel consumption and gas emission between two driving modes

為了突出對比利用AETS代替主發(fā)所帶來的效益，計(jì)算其燃油消耗節(jié)省率ηF、有害氣體減排率（CO、HC、NOX減排率分別為ηC、ηH、ηN），如圖15所示。

圖15 AETS相對于主發(fā)燃油消耗節(jié)省率、有害氣體減排率Fig.15 Fuel saving rate and harmful gas emission reduction rate of AETS relative to main engine

由圖15所示，利用AETS代替主發(fā)驅(qū)動(dòng)目標(biāo)飛機(jī)在地面滑行階段，能有效節(jié)約燃油消耗和相關(guān)污染氣體的排放。其中，ηF可達(dá)75%以上，ηC可達(dá)86%以上，ηH可達(dá)94%以上，ηN可達(dá)67%以上。在空中航行階段，所設(shè)計(jì)的AETS加裝在目標(biāo)飛機(jī)上，估算為飛機(jī)增重200 kg左右［15］。目標(biāo)飛機(jī)最大起飛質(zhì)量77 000 kg，增重比0.26%。增重200 kg會(huì)為A320-200飛機(jī)航行1 000 n mile（1 n mile=1.852 km）增耗大約11.7 kg的燃油［2］。由圖15所示，在地面滑行階段，利用AETS代替主發(fā)驅(qū)動(dòng)滑行10 min時(shí)節(jié)省消耗的燃油大約70 kg。所以，利用AETS代替主發(fā)驅(qū)動(dòng)飛機(jī)滑行在民用航空行業(yè)的綠色發(fā)展方面有巨大收益。

4 結(jié) 論

隨著國人環(huán)保意識(shí)的日益增強(qiáng)，利用低速運(yùn)轉(zhuǎn)主發(fā)驅(qū)動(dòng)飛機(jī)地面滑行不利于綠色航空的發(fā)展，電動(dòng)滑行或許是解決途徑之一。本文利用MATLAB/Simulink對基于A320-200飛機(jī)的電動(dòng)滑行系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究，從仿真的角度初步驗(yàn)證了電滑行技術(shù)的可行性和優(yōu)異性。

1）仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)電滑行方案穩(wěn)定性、驅(qū)動(dòng)特性良好。AETS驅(qū)動(dòng)目標(biāo)飛機(jī)在北京首都國際機(jī)場某滑行道上進(jìn)行地面滑行時(shí)，A320-200型客機(jī)APU發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)飛機(jī)滑行最大速度可達(dá)17.7 km/h，雖小于現(xiàn)階段主發(fā)驅(qū)動(dòng)滑行平均速度30 km/h，但是大于拖車拖拉飛機(jī)于地面滑行平均速度15 km/h［6，18］。基本滿足實(shí)際滑行要求。針對目標(biāo)飛機(jī)，若想提高AETS驅(qū)動(dòng)滑行最大速度，必須改裝或加裝APU，將其發(fā)電機(jī)功率提高至180 kW 左右。

2）基于一定測試滑行長度，利用AETS取代主發(fā)驅(qū)動(dòng)飛機(jī)滑行。可節(jié)省75%以上的燃油消耗、減少86%以上的CO排放、94%以上的HC排放、67%以上的NOX排放。節(jié)能減排性能表現(xiàn)優(yōu)異。

本文的工作可以為未來中國電滑行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定的參考和借鑒。