基于绿色能源的分布式混合电推进系统性能分析

基于绿色能源的电推进飞行器是是航空运输业实现碳中和的重要技术途径。本文旨在利用理论分析和数值计算的手段,研究基于绿色能源的分布式混合电推进系统的性能,重点关注锂电池和固体氧化物燃料电池(SOFC)在航程和载荷方面的影响。本研究构建了一个包含多种能源形式的混合电推进系统架构,并基于能量流建立了功率传递模型,推导出综合考虑部件特征参数、能量分配参数、飞行气动参数的电推进系统航程方程和载荷方程。研究结果显示,在航程方面,锂电池的能量分配系数和能量密度对飞机航程有显著影响,特别是在能量密度阈值之上,增加锂电池的能量分配系数对提升航程有正收益。此外,SOFC的能量分配系数和效率的增加也提高了飞机航程,特别是在其高值区域。在载荷方面,上述锂电池和SOFC参数对飞机零燃料质量(MZF)和有效载荷具有重要影响,尤其在高能量密度、高效率和高能量分配系数的情况下飞机的载荷性能改善最佳。参数敏感性分析揭示了升阻比、边界层吸入(BLI)风扇效率、锂电池荷电状态(αsoc)和氢燃料剩余状态(αsoh)对航程的显著影响,其中在以往研究中较少出现的αsoc和αsoh的敏感性分析不容忽视,对其进行更为精确和可靠的状态估计有助于优化航程和载荷的性能表现。

分布式混合电推进飞行器技术

分布式混合电推进在通用电动航空技术发展中具有极大的潜力和优势。混合电推进技术通过对二次能源系统的优化,不但可以提高能源的利用效率,还可以满足动力系统分布式布局的要求,获取更高的推进效率。首先总结了当前电动飞行器的主要类型,对分布式电推进飞行器的发展历程进行了梳理;接下来,对分布式混合电推进飞行器关键技术研究现状进行了综述,主要讨论了推进系统分布式布局技术、混合电推进系统的选型设计、混合电推进系统建模与能源管理研究等,对当前国内外在这些关键技术的研究进行了充分的研讨;最后,在本团队研究的基础上,对分布式混合电推进飞行器重难点问题及应对方法进行了详细论述,包括基于复杂系统优化控制的能源管理策略、基于历史大数据驱动的最优能量分配预测、混合电推进分布式推进系统样机设计等重难点问题。探讨的内容明晰了分布式混合电推进系统设计及能源管理的基本设计思路和分析方法,可为研究电推进飞行器技术发展提供参考。

分布式电推进飞机能量优化动态管理技术研究

针对分布式混合涡轮电推进飞机电力系统动态能量管理技术开展研究,将分层模型预测控制(Model predictive control,MPC)算法用于其能量优化控制,针对分布式电推进飞机飞行功率需求的变化特点,采用了两层能量管理控制器的方法。即顶层MPC控制混合电推进飞机系统的飞行过程能量优化分配和多发电机组间、非关键载荷的投切状态等,实现燃油消耗代偿最小的目标,将优化问题等效为混合整形二次规划问题(Mixed integer quadratic programing,MIQP);底层MPC则控制双向DC-DC变换器,负责管理电池组的充放电状态和维持直流母线的电压动态平衡,利用储能装置的“削峰填谷”,改善并优化系统在飞行任务过程中的平衡工作点,同时实现飞机电网能量的动静态特性的协同控制,达到对混合电推进飞机电力系统的动态能量优化管理的目的,并与采用基于规则控制的能量管理策略进行了对比研究。最后通过建立基于RT-LAB的分布式电推进飞机电力系统硬件在环半实物仿真平台,对混合涡轮电推进飞机的分层MPC能量管理算法进行了技术验证,数字仿真和半物理试验结果表明其对于混合电推进飞机的动态能量管理具有很强的鲁棒性和操作性,验证了理论分析和设计的正确性。

混合动力分布式电推进飞行器总体设计

以运-7飞机作为参考机型,进行了分布式电推进飞行器的总体设计与性能分析。设计了改型后的分布式电推进飞行器的动力系统,包括螺旋桨参数设计,机翼参数修正,电动机功率计算与选型,螺旋桨气动设计,最终完成混合动力系统的设计。完整地计算了改型后飞行器的各部分质量增减情况并分析其飞行性能,相比参考机型,航程与航时分别增加了540 km与1.2 h,增加幅度超过20%,最终进行了分布式电推进飞行器的三维建模与气动特性分析。为分布式电推进飞行器建模、仿真与控制及工程应用提供了理论依据。

飞行器用永磁电机系统的功率密度与需求展望

针对飞行器电气化发展过程中遇到的功率密度瓶颈问题,总结了现阶段电机系统在飞行器中的应用现状以及未来飞行器发展的总体趋势,探讨了未来飞行器电气化发展对电机系统提出的主要需求。以现阶段最具应用前景的永磁电机系统为研究对象,全面概述了飞行器用永磁电机系统的三个主要应用领域和特定要求。基于46台高功率密度电机系统数据,分析了永磁电机功率密度与电机电磁结构、转速范围和功率等级的关系,得到了外转子永磁电机和轴向磁通永磁电机相对更适合电机功率密度提升的结论。结合当下永磁电机的实际应用现状以及飞行器总体发展的技术规划,进一步分析了飞行器电气化发展趋势及对电机系统所提出的新技术需求,并对分布式电推进技术的未来应用寄予了厚望。

混合电推进能源管理系统模糊逻辑控制

针对混合电推进能源管理方法开展研究,设计了一种基于模糊逻辑控制的混合电推进能源管理系统。通过设置垂直起降飞行器的功率要求、内燃机-发电机输出功率和储能电池荷电状态的模糊隶属度函数,动态最优分配发电机与储能电池的功率输出,从而提升系统的燃油经济性与飞行器的航程。结合模型设置,对100 kg级的垂直起降转平飞的飞行器能源系统变化进行仿真计算,验证了能源控制算法的可行性。结果表明:基于模糊逻辑控制的能源管理方法,在总时长约为1.2 h的飞行过程中,内燃机约有1 h的时间工作在比油耗最低的区域,从而提升了混合电推进系统的能量利用效率。研究为后续混合电推进系统的能源高效控制与管理提供了设计思路和分析方法。

航空混合电推进系统的发展现状及应用前景

介绍了混合电推进系统的概念,以及以美国国家航空航天局、美国空军研究实验室、欧洲空中客车集团和俄罗斯中央航空发动机研究院为代表的国外组织在混合电推进系统领域的主要研究项目和发展现状,最后分析了混合电推进系统在城市空中交通、支线/干线客机、通航飞机等民用领域和忠诚僚机、高空长航时无人机、运输机和远程轰炸机、下一代战斗机等军用领域的应用前景。

涵道风扇电推进系统关键应用技术探讨

涵道风扇可作为分布式电推进航空器的动力装置,具有良好的发展潜力,现阶段在涵道风扇电推进系统设计和集成应用方面面临一些技术问题。对涵道风扇电推进系统的发展现状及应用前景进行综述,以分布式电推进航空器为背景分析对涵道风扇电推进系统的技术需求,重点探讨了涵道风扇气动设计、涵道风扇与航空器翼身融合设计、电机和涵道风扇结构一体化设计、强迫风冷散热、电磁兼容设计、复杂结构精密制造等关键技术及解决途径,为涵道风扇电推进系统开发和集成应用提供参考。

分布式动力翼-诱导翼面推进-气动耦合模型

针对分布式动力垂直起降飞行器,提出了综合理论模型和工程经验假设的分布式动力翼-诱导翼面布局的推进-气动耦合模型,实现了对垂起-过渡-巡航全飞行包线内分布式动力翼-诱导翼面气动性能的实时快速计算。结合涵道流场模型和涵道推力增强系数发展了涵道喷流速度的快速计算方法,针对有/无动力输入状态完成了基于动量理论的推进-气动耦合模型推导,进行了推进-气动耦合模型特性分析,并开展了典型飞行工况下的CFD仿真校验与分析。结果表明,所建立的分布式动力翼-诱导翼面的推进-气动耦合模型具有较高精度,计算速度很快,能够满足动力学系统分析和飞行控制系统设计时的实时计算需求。

分布式电推进飞机电力系统研究综述

继飞机二次能源逐步统一为电能形成多电/全电飞机之后,电推进技术成为飞机动力系统电气化的重要发展方向,有望进一步提高飞机动力系统能量转换效率、降低燃油消耗和排放,代表了航空电气化的高级阶段。飞机电力系统及相关技术是支撑电推进技术发展的重要基础。系统总结了电推进飞机的类型与发展现状,论述了飞机混合动力系统及分布式电推进系统的基本概念、特点与意义。阐述了航空电推进系统的基本结构,比较了适用于分布式电推进系统的电力系统架构,系统分析了实现电推进技术所需的高效高功率密度电机、高效大容量功率变换器和综合热管理等关键技术。小型纯电动飞机正在逐步迈向实用化,而分布式混合电推进技术是中大型飞机电气化的重要方向,仍然需要航空机电和动力系统等交叉融合与创新发展。

分布式电推进飞机动力系统评估优化方法

以电推进飞机的动力系统作为研究对象,开展了以下研究工作:采用电力系统潮流计算方法,分析了采用高压直流供电体制的分布式电推进飞机电气系统,模拟了其在稳定运行状态与断路故障状态下的能量流动关系,同时分析了直流电压等级对电气系统的影响。搭建了完整的分布式电推进飞机动力系统仿真模型,依据基于时间和基于高度的飞行剖面,对比分析了纯电推进与涡轮电推进架构在推进功率、推进效率与航程3个评价指标上的优劣。建立了动力系统典型部件的参数化模型,并使用符号规划算法对建立的参数化模型进行了优化计算,比较了传统涡轮推进与涡轮电推进架构下动力系统质量与燃油消耗率间的优化权衡关系。研究结果为分布式电推进飞机混合动力系统的设计提供了有价值的正向设计方法。

分布式混合电推进的布局设计与优化

近年来,随着环保要求的提升,分布式混合电推进系统逐渐成为航空研究的热点。高效率、低能耗、低噪声的优点,使其有望满足下一代飞行器的动力需求。分布式推进系统是以适当数目的中型或微型的推进器,代替常规布局中的2个或4个集中安装或吊挂在机翼的涡扇发动机.

混合／电力分布式推进系统浅析

混合／电力分布式推进系统可以显著增大等效涵道比，降低耗油率、噪声和排放，改善原有飞机气动结构，减小气动外形阻力和提高推进效率，在无人飞行器或运输机上应用前景广阔。

涡轮发电混合动力分布式推进系统设计分析

分布式推进系统作为一种新型航空推进技术,其系统构架、设计方法和思路均与传统模式有所区别,开展设计方法梳理及影响因素分析,有助于加深对混合动力系统设计的认识,为方案设计提供理论支持。随着航空业的快速发展,人们对飞行器动力系统性能的要求也在不断提升。其中,涡轮发电混合动力(涡轮混电)分布式推进系统作为一种极具潜力的新型航空动力系统.

2030：民航分布式混合电推进系统大行其道

分布式混合电推进系统，是指通过传统燃气涡轮发动机为分布在机翼或机身的多个电机／风扇提供电力，并由电机驱动风扇提供绝大多数或全部推力（燃气涡轮发动机可部分提供或不提供推力）的一种新型推进系统概念，其最大的优势是能够极大地降低推进系统的燃油消耗量和各种排放。美、欧政府均将分布式混合电推进系统视为有潜力在2030年后投入使用的、极有前景的民机动力解决方案，并正在组织飞机系统集成商和动力厂商积极开展探索和预研。

分布式动力翼前飞状态动力/气动耦合特性

以分布式混合电推进飞行器技术研究为背景,针对分布式动力翼在前飞状态下动力/气动耦合特性开展数值模拟及分析。首先,通过对分布式动力翼各部件进行合理拆解,结合超椭圆方程、四阶Bezier曲线、CST (Class Function/Shape Function Transformation)参数化方法等构建了分布式动力翼复杂对象的参数化模型。然后,依次对动力翼二维剖面翼型、动力翼单元翼段、分布式动力翼整体动力/气动耦合特性进行了数值研究,并与常规翼型-机翼进行了对比分析。最后,梳理了分布式动力翼内外流耦合与其二维-单元-整体特性之间的内在联系,提出了关于分布式动力翼动力/气动耦合设计思路的建议。

电动垂直起降飞行器的技术现状与发展

电池、电机技术的进步和分布式电推进系统的应用极大促进了电动垂直起降飞行器的发展。本文概述了不同电动垂直起降飞行器构型优缺点及适用场景,并从性能、经济性等方面对电动垂直起降飞行器与常规燃油飞行器进行了全面对比。在噪声特性方面,电动垂直起降飞行器旋翼间、旋翼-机翼等干扰噪声更为突出,而低桨尖速度、大实度的电推进旋翼系统极大降低了全机噪声水平(噪声降低约15 dB)。在能源方面,锂离子电池是当前和未来电动垂直起降飞行器的主要能源;先进的电池材料体系、电池-机体结构一体化设计及优良的电池管理系统是未来提升全机能量密度和能源安全的有效方式。电动垂直起降飞行器冗余操纵特点增加了飞控系统设计难度,但同时也能够提高全机安全性;故障重构与协同控制是飞控系统设计面临的新课题。电动垂直起降飞行器不仅构型种类丰富且具有高压电动力、电推进、电传飞控、电作动等新颖设计特征,当前缺少试飞数据的情况下,基于系统的工程方法是开展其安全性设计的主要方法。

航空混合电推进试验设备发展

混合电推进概念在汽车等交通运输领域已经得到应用,但由于体积质量、环境工况等方面的特殊性,使得航空混合电推进技术的应用远不如预期的那么顺利。为此,美欧相关研究机构纷纷着手打造适用于航空混合电推进技术研究与验证的试验平台,为后续深入开展技术研发与工程应用打基础。