某型飛機動力系統仿真研究

韓梅

摘 要：在我國大力倡導綠色能源的趨勢下，新能源飛機會越來越受到關注并且會得到大力發展，這是未來通用航空飛機發展的必然選擇，也是未來航天發展的主要方向。本文以銳翔電動飛機為例，通過AeroSim進行模塊搭建與仿真。Aerosim模塊打破了飛機傳統仿真需用Matalab編程語言的模式，能讓研發人員更直觀地了解系統運行模式，理解其系統運行原理。通過這一模塊的仿真也可以為新一代飛機的更新換代提供強有力的平臺模塊化支撐。將得出的仿真結果與飛機實際試飛結果進行對比后，可以進一步確定模塊搭建的正確與否，從而驗證仿真結果的可信度。

關鍵詞：新能源飛機;動力系統仿真;仿真結果對比

引言：新能源電動飛機零排放、低噪聲、幾乎不對環境產生負面影響，代表著飛機發展的重要方向。目前新能源電動飛機技術已經在超輕型運動飛機（ULSA）和輕型運動飛機（LSA）上應用，提供諸如飛行員培訓、觀光、航空體育競技等實際用途。隨著新能源能量密度等指標的逐步提升，電動飛機在今后的通用航空市場、甚至運輸航空市場都有巨大的發展空間。

1新能源電推進系統

電推進系統由為電動飛機提供推力的電機及相關裝置構成。電推進系統是電動飛機的核心，電動飛機的性能和用途主要取決于其電推進系統。民用飛機要進入市場，必須得到民航當局的許可，即取得適航證。對于10座以下或起飛總重不大于5670kg的噴氣式正常、實用、特技和通勤類飛機，以及19座以下或起飛總重不大于8618kg的螺旋槳正常、實用、特技和通勤類飛機，按CCAR-23部或FAR-23部適航標準設計和取證。美國聯邦航空局（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、雙座飛機歸類于輕型運動飛機，并把這類飛機的適航標準制訂下放給了美國試驗和材料標準協會（ASTM），因而輕型運動飛機的適航取證按CCAR-21部或FAR-21部以及適用的ASTM標準執行。目前，LSA電推進裝置的設計與制造一般遵照ASTMF2840-11標準進行。

2新能源飛機動建模

2.1模型總體簡介

Aerosim模塊是Matalab中Simulink中的一個自主開發模塊，該模塊可以對六自由度飛行器進行不同情況的仿真，在飛行器仿真領域，Simulink軟件中的多個模塊已經普遍適用于航空航天科學技術的各種研發[3]。它可以根據使用者的不同需求進行模塊搭建，從而達到滿足飛行器所設定的各種情境，并可以滿足飛行力學模型、飛行控制系統及不同外界條件的仿真，并能通過仿真達到預期結果的極其實用的模塊。

2.2動力系統電源建模

電池充放電是一個較為復雜的非線性過程，電池電量和電動機功率的大小是決定飛機起飛的主要因素，飛機飛行時其質量保持不變。

3驅動系統的故障分析

3.1分析驅動電機故障劃分和故障原因

在實際生活中，驅動電機發生故障并不稀奇，總結來看，大致可以分為以下幾種情況，即運轉時溫度過高、能啟動卻不能正常使用、無法啟動等。在國家標準范圍內，依照故障類型，我們可以對新能源飛機的驅動電機的故障進行適當的劃分，分析每種故障類型發生的原因。

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的，是機械故障中最主要的表現形式。在致命故障中的電氣故障也很常見，一般故障發生在電路板、傳感器等關鍵部位。嚴重故障中，各種故障類型都比較常見，其中發生頻率最高的是功能失效型故障和性能衰退型故障，表現是純電動飛機的動力系統的性能失調、衰退及失效。而一旦傳感器、冷風機等部位發生了故障，一般屬于損壞型的故障的類型，同樣的，冷卻系統的堵塞與滲透型故障也屬于其中的內容。

一般故障中，最常見的要數電氣類的故障了，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等也屬于一般故障的范疇當中。輕微故障，顧名思義，就是一些故障的發生并不是非常緊要的，不會影響新能源飛機的各項性能的發揮，例如某行飛機在長期的使用過程中，造成的機身外部某些零部件的丟失或者松動，或者磨損和銹化。

3.2分析電機控制器故障類型

對驅動電機控制器的故障進行劃分，主要包含：CAN通信故障、傳感器故障、連接線故障等。

4新能源飛機動力系統仿真

4.1飛行狀態仿真

某型號飛機的電動機通過上文中所搭建的電動機模塊可以仿真得出電動機分別處于3個不同功率下的氣動參數，可以得出從起飛滑跑到巡航這一階段電動機輸出轉矩的大小。進一步可對比得出不同功率下的耗電量，能讓飛行員飛行時切換不同模式提供更多可參考數據，也能更直觀看出電動機在3種不同功率達到最大輸出轉矩所需時間大致相同。飛機飛行性能仿真流程：給出準備時間2min，準備結束后開始地面滑跑，滑跑后飛機進行爬升，爬升高度設置為1000m，然后飛機開始巡航40～50min左右，巡航結束后飛機下降到達降落高度后開始著陸，全部仿真過程外部環境設置為合理風速下，這一過程仿真結果和實際結果對比。當仿真飛行在400s左右時，仿真曲線與實際曲線幾乎重合，隨后在巡航時段內有分離情況出現并在最后著陸時大致重合。

4.2經濟性仿真對比

通過以上仿真可以得出飛行里程與耗電量的關系，為了進一步驗證所仿真飛機飛行時所花費費用，利用以上結果計算可得出飛機飛行時所需的花費，并與同等型號CTLS飛機進行經濟性對比，可得出結論：銳翔飛機每次充電90min即可充滿，飛行45～60min電量耗盡最多可以飛行180km，CTLS飛機為燃油飛機，滿油狀態下可飛行1300km。得出飛行相同里程新能源飛機花費明顯低于傳統飛機，燃油飛機飛行相同里程花費甚至為新能源飛機的數十倍，但由于新能源飛機電池電量有限，導致航程較短，決定了它不適合飛行中遠途航線，所以在短途飛行培訓、觀光或者進行山地救援等特殊情況下優先選擇新能源飛機更經濟實惠，也會把對環境造成的危害降到最低。

結語：利用AeroSim模塊建立了飛機動力系統仿真模塊，并對標準大氣環境下飛機飛行處于不同模式時的各種速度、可飛行時間、續航里程能量消耗率，以及與同等型號飛機進行經濟性對比分析等進行多方面比對，從而驗證了各個子系統及控制策略的準確性、有效性，結果表明此模型具有較高的精度與可行性，實現了構建與所描述一體化的仿真模型，也為電動飛機及無人機仿真搭建了良好平臺，為新能源飛機性能仿真能更方便快捷提供了理論基礎，也為飛機整機仿真以及更深度研發縮短研發周期提供了有力的保障。

參考文獻：

[1]黃俊，楊鳳田.新能源電動飛機發展與挑戰[J].航空學報，2016，37（1），57-68.

[2]楊新，王小虎，申功璋，等.飛機六自由度模型及仿真研究[J].系統仿真學報，2000（3）：210-213.

[3]陶思鈺.基于Mauab/Simulink平臺的民用多電飛機儲能系統建模仿真[C]//第六屆民用飛機航電國際論壇論文集.2017：7.