某無人機爬升過程中燃油溫度變化規律仿真研究

溫占永

(中國航天空氣動力技術研究院 航天彩虹無人機股份有限公司， 北京 100074)

0 引 言

中空長航時無人機一般采用活塞式發動機及螺旋槳作為動力裝置，多采用RON 95車用汽油或100LL航空汽油作為燃料。中空長航時無人機燃油系統一般為開式或半開式油箱通氣系統，其油箱內壓力與外界環境壓力基本一致。在無人機起飛爬升過程中，油箱內的壓力、外界環境溫度隨飛行高度的上升而迅速下降，由于燃油與外界環境存在熱交換，燃油溫度也隨著飛行高度的上升而下降，但由于燃油比熱容較大，燃油降溫速度較慢。燃油溫度是影響其飽和蒸氣壓的重要參數，燃油溫度越高其飽和蒸汽壓越大。當燃油飽和蒸汽壓接近或等于油箱內壓力時，會導致供油泵入口條件惡化，極易發生氣阻，造成發動機供油壓力或供油流量波動，并引起發動機工作不穩定，甚至導致發動機空中停車，嚴重威脅無人機飛行安全。在相同溫度條件下，RON 95車用汽油或100LL航空汽油的飽和蒸氣壓比航空煤油大，采用RON 95車用汽油或100LL航空汽油為燃料的中空長航時無人機在爬升過程中更容易發生氣阻問題。連續爬升能力是衡量無人機性能的重要考核指標，針對連續爬升過程中燃油溫度變化規律開展研究具有非常重要的意義。

康振燁等以燃油箱的壁面溫度作為燃油箱熱模型的邊界條件，通過Matlab/Simulink軟件平臺，搭建了客機燃油箱熱模型，對于有飛行試驗數據的飛機可以有效地利用該模型進行數值仿真；陳悅采用Fluent軟件針對油箱內部的流動換熱過程進行數值模擬，研究了馬赫數、耗油率、入口溫度等參數對油箱燃油溫度的影響；郝毓雅等根據傳熱學原理，建立了油箱內燃油的傳熱學方程，分析了起飛前地面溫度、飛行高度、飛行速度等因素對飛機油箱內燃油溫度的影響。上述研究采用Fluent等商用軟件或者以Matlab/Simulink為平臺僅針對單個油箱內的流動換熱做了數值分析，無法快速完成對整個燃油系統的計算。實際上，在無人機連續爬升過程中，燃油溫度變化過程屬于瞬態過程，受外界環境溫度、各油箱內油量、耗油率等多種動態因素的影響。Flowmaster軟件基于整個燃油系統，具備較為完備的油箱、閥門、管道、泵等多種組件模型，在此基礎上搭建系統仿真模型，可以高效地完成復雜流體系統的流動仿真與熱系統分析，近年來被廣泛應用于加油系統、供輸油系統、冷卻系統、環控系統等的仿真研究。

本文針對某型無人機燃油系統，利用Flowmaster軟件搭建仿真模型并定量研究環境溫度、燃油油量、耗油率、爬升速度等因素對燃油變化規律的影響，以期為該型無人機飛行試驗、通氣增壓系統設計等提供科學依據。

1 燃油系統描述及模型

1.1 燃油系統描述

某型中空長航時無人機燃油系統共5個油箱組成，布局如圖1所示，其中1～4油箱為輸油箱，5油箱是消耗油箱(以下均簡稱油箱)。

圖1 燃油系統布局

5個油箱均為可拆卸式金屬鋁油箱，安裝在機身內部，由于4油箱所在的起落架艙為敞開式布局，且其他油箱艙和4油箱艙連通，故假定各油箱外部的空氣溫度和外界環境溫度一致。1～4油箱分別通過導管與5油箱連通，1～4油箱內的燃油在重力的作用下同時輸送至5油箱。通氣系統為開式通氣系統，各油箱通氣管路在油箱頂部連接，并通過伸出機身外部的通氣總管與外界大氣相通，因此可認為油箱內壓力與外界環境壓力一致。燃油溫度傳感器安裝在5油箱壁上，油泵安裝在供油管路上，將燃油從5油箱吸出增壓后輸送至發動機。燃油系統滿油狀態和半油狀態各油箱油量分布如表1所示，可以看出：半油狀態油量合計為179 L，滿油狀態油量合計為359 L。

表1 各油箱油量分布

1.2 燃油系統仿真模型

利用Flowmaster軟件搭建該燃油系統的仿真模型，如圖2所示，1～4油箱采用3-arm油箱元件，5油箱采用12-arm油箱元件。外界環境壓力通過控件給出，采用流量源模擬發動機耗油。Flowmater軟件在模擬多個串聯油箱的輸油問題時，對較高液位油箱內油量的仿真結果通常不太準確，因此在4個支路上額外增設輔助球閥，根據5油箱內燃油液位高度對4個支路輔助球閥同時開關控制。該設置對1～4油箱向5油箱的輸油及燃油溫度仿真沒有影響。

圖2 燃油系統仿真模型

由于所研究的對象是油箱內燃油溫度仿真，對通氣管路、供輸油管路、油濾、油泵等組件進行簡化，此外忽略管路換熱、氣動加熱、太陽輻射等對燃油溫度的影響。上述簡化可大幅提升模型運行效率，縮短仿真運算時間。

2 邊界條件及仿真結果對比

仿真邊界條件按照實際飛行試驗數據給出，飛行高度、環境壓力隨時間的變化如圖3所示，以起飛時刻作為第0 s，之后歷時3 804 s分階段爬升至7 000 m。起飛時外界環境溫度為23 ℃，在爬升過程中外界環境溫度隨時間的變化如圖4所示。仿真介質為RON95車用汽油，1～3油箱的初始油量均為34.8 L、4油箱、5油箱的初始油量分別為54.2和20 L。各油箱內的初始燃油溫度均為15 ℃，耗油率設為0.5 L/min。各油箱與外界大氣環境的對流換熱系數設為30 W/(m·K)，仿真時間設為3 804 s，仿真時間步長設為0.2 s，選用compressible transient模型進行仿真運算。

圖3 飛行高度、環境壓力隨時間的變化

圖4 環境溫度隨時間的變化

各油箱油量隨時間變化的仿真結果如圖5所示，可以看出：1～4油箱內油量隨著飛行時間緩慢下降，5油箱則一直處于滿油狀態，油量仿真結果正確地反映了各油箱真實的燃油消耗狀態；4油箱內油量消耗速率大于1～3油箱，這是因為1～4油箱內的燃油在重力的作用下同時輸送至5油箱，故1～4油箱內燃油的液面基本一致，而4油箱內的油量大于1～3油箱內的油量，所以在同樣的時間內4油箱內燃油消耗量比1～3油箱內燃油消耗量要多。

圖5 各油箱油量隨時間的變化

由于某無人機燃油系統只在2、4油箱內安裝了油量傳感器，且實際油量測量數據受飛行姿態影響較大，故飛行試驗油箱油量變化數據無法用來和仿真結果對比。某無人機燃油系統在5油箱內安裝了燃油溫度傳感器，且燃油傳感器測量溫度經處理后精確到個位數，故實測燃油溫度隨時間的變化曲線為折線，如圖6所示。為了便于與仿真結果對比，對實測結果進行多項式曲線擬合，可知在整個飛行過程中5油箱燃油溫度仿真結果與實測結果擬合數據誤差不超過1 ℃。

圖6 5#油箱燃油溫度隨時間的變化

從圖5～圖6可以看出：所搭建的燃油系統仿真模型正確地反映了各油箱的燃油消耗及5油箱內燃油溫度的變化規律，具有較高的可信度，故可基于此仿真模型開展進一步的仿真研究。

3 各參數對燃油溫度影響研究

3.1 環境溫度對燃油溫度變化的影響

為了研究環境溫度對燃油溫度變化的影響，設置仿真初始條件如表2所示，無人機從第0 s時刻開始連續爬升2 000 s。起飛前環境溫度分別設置為-5、15、35 ℃，起飛后環境溫度按每升高1 km下降6.5 ℃的規律下降，結合爬升速度可得出外界環境溫度隨時間變化的關系，如式(1)所示。

表2 仿真初始邊界條件(環境溫度影響)

(1)

t

V

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t

在連續爬升2 000 s后，無人機飛行至5 000 m高空，此時外界環境溫度比起飛時下降了32.5 ℃。5油箱燃油溫度隨時間的變化如圖7所示。

圖7 5#油箱燃油溫度隨時間的變化(環境溫度影響)

從圖7可以看出：在某型無人機常見的飛行環境溫度范圍內，外界環境溫度對燃油溫度具有明顯的影響，在起飛前外界環境溫度與燃油溫度相等的情況下，2 000 s時5油箱內燃油溫度下降8.5 ℃；當起飛前外界環境溫度比燃油溫度低20 ℃時，當起飛后2 000 s時燃油溫度下降18.1 ℃；在起飛前外界環境溫度比燃油溫度高20 ℃時，燃油溫度則隨著飛機的爬升先升高后降低，在1 086 s時燃油溫度上升至18.1 ℃，而后在2 000 s時下降至16.1 ℃。

3.2 油量對燃油溫度變化的影響

為了研究油量對燃油溫度變化的影響，設置仿真初始條件如表3所示，無人機從第0 s時刻開始連續爬升2 000 s，外界環境溫度隨時間變化的關系如式(1)所示。

在該仿真條件下，5油箱燃油溫度隨時間的變化如圖8所示，可以看出：在半油狀態和滿油狀態下，燃油溫度均隨飛行時間的增加而降低，且燃油溫度的下降幅度隨著飛行時間的增加而增大，這是因為隨著飛行時間的增加，燃油溫度與外界環境溫度的溫差越來越大；在半油狀態和滿油狀態下，飛行2 000 s后，燃油溫度分別下降8.5、7.7 ℃，在半油狀態下燃油溫度下降稍快，但總體上燃油油量對某型燃油系統的燃油溫度影響不大。

表3 仿真初始邊界條件(油量影響)

圖8 5#油箱燃油溫度隨時間的變化(油量影響)

3.3 耗油率對燃油溫度變化的影響

為了研究耗油率對燃油溫度變化的影響，設置仿真初始條件如表4所示，無人機從第0 s時刻開始連續爬升2 000 s，外界環境溫度隨時間變化的關系如式(1)所示。

在該仿真條件下，5油箱燃油溫度隨時間的變化如圖9所示，可以看出：在某型無人機最大耗油率范圍內(0.5 L/min)，耗油率對燃油溫度的變化速度基本上沒有影響，無人機連續爬升2 000 s時，燃油溫度下降約8.4 ℃。

表4 仿真初始邊界條件(耗油率影響)

圖9 5#油箱燃油溫度隨時間的變化(耗油率影響)

3.4 爬升速度對燃油溫度變化的影響

為了研究爬升速度對燃油溫度變化的影響，設置仿真初始條件如表5所示，無人機從第0 s時刻開始連續爬升2 000 s，外界環境溫度隨時間變化的關系如式(1)所示。

在該仿真條件下，5油箱燃油溫度隨時間的變化如圖10所示，可以看出：燃油溫度受爬升速度影響較為明顯，當爬升速度分別為1.5、2.5、3.5 m/s時，在連續爬升2 000 s后燃油溫度分別下降5.1、8.5、11.9 ℃，且燃油溫度下降幅度也隨著爬升速度的增大而增加。這是因為無人機爬升速度越大，在相同的時間內爬升的高度越高，對應的外界環境溫度則越低，燃油與外界環境的溫差也越大。

表5 仿真初始邊界條件(爬升速度影響)

圖10 5#油箱燃油溫度隨時間的變化(爬升速度影響)

4 結 論

(1) 針對某型無人機燃油系統，利用Flowmaster軟件搭建了仿真模型，并通過與實際飛行試驗數據的對比，驗證了該仿真模型的可行性與準確性。

(2) 對于某型無人機燃油系統，在其連續爬升過程中，燃油溫度的變化受初始外界環境溫度、爬升速度的影響較大，而燃油油量、耗油率則對燃油溫度變化的影響較小。初始外界環境溫度越低、燃油油量越少、耗油率越快、爬升速度越大則燃油溫度降幅越大。

上述研究結果可為該型無人機飛行試驗、通氣增壓系統設計等提供科學依據。