Hover performance estimation and validation of battery powered vertical takeoff and landing aircraft

Battery powered vertical takeoff and landing(VTOL) aircraft attracts more and more interests from public, while limited hover endurance hinders many prospective applications. Based on the weight models of battery, motor and electronic speed controller, the power consumption model of propeller and the constant power discharge model of battery, an efficient method to estimate the hover endurance of battery powered VTOL aircraft was presented. In order to understand the mechanism of performance improvement, the impacts of propulsion system parameters on hover endurance were analyzed by simulations, including the motor power density, the battery capacity, specific energy and Peukert coefficient. Ground experiment platform was established and validation experiments were carried out, the results of which showed a well agreement with the simulations. The estimation method and the analysis results could be used for optimization design and hover performance evaluation of battery powered VTOL aircraft.

电动直升机关键性能指标及影响因素研究

本文基于电池、电机当前的技术水平和发展趋势,结合直升机性能估算方法,对某轻型直升机进行了全电化改型方案设计与性能计算,分析了改型前后续航能力和悬停升限等关键性能指标的变化,给出了电池能量密度、重量占比、电机功重比等对电动直升机性能的影响规律,提出了现阶段直升机全电化改型的建议。结果表明,当前电动直升机的续航能力仅能达到油动直升机的8%左右,但其悬停升限明显优于油动直升机,可根据实际任务场景,选择增加电池重量占比、加装辅助升力装置等方式提高电动直升机的续航能力。

翅尖轨迹对食蚜蝇悬停时气动特性的影响

食蚜蝇悬停飞行时的抬升角相对较小,在上下拍起始和结束时刻要比拍动中部的大,这样就使得翅尖的拍动轨迹呈现出浅"U"形。为了分析该翅尖轨迹是否会对其气动特性产生影响,利用计算流体力学的方法分别计算了4只食蚜蝇在考虑抬升角和忽略抬升角2种情形下的气动力,分析对比了2种情形下的不同时刻绕翅膀的瞬时流线,并计算比较了2种情形下气动功率系数与平均举力系数的比值。研究结果表明:抬升角的存在会使其维持体重所需的举力增加10%左右;举力增大的同时能耗却比忽略抬升角情形下要低3%左右。

昆虫飞行的高升力机理

对近年来关于昆虫产生非定常高升力的研究进行了综述和归纳.这方面的工作对生物学研究和微型飞行器等微型机械的仿生设计有重要意义.研究表明:果蝇等昆虫翅膀的拍动运动可产生很大的非定常升力,其平均值是定常值的2～3倍,足够平衡昆虫的重量,并有较大的富余用于机动飞行;产生高升力有三个因素:一是拍动开始阶段翅的快速加速运动,二是拍动中的不失速机制,三是拍动结束阶段翅的快速上仰运动.人们从能耗的角度考察了这些非定常高升力机制的正确性和可行性.当作悬停飞行的果蝇用以上机制产生平衡其重量的升力时,其比功率（支持单位身体质量所需的功率）约为 29 W/kg;生化/机械效率约为 17％.这些值与人们基于对昆虫肌肉力学特性的研究所预估的值接近.果蝇前飞时,其比功率随速度变化的曲线是一J形曲线,而不是象飞机或鸟的那样是一U形曲线;这与人们基于昆虫新陈代谢率的测量数据所推断的结果一致.对于蜻蜒等（功能上）有前、后两对翅膀的昆虫,有以下初步结果:翅的下拍主要产生升力,上挥主要产生推力;下拍时的平均升力系数可达2～3,十分大,上挥时的平均推力系数可达1～2,也很大,它们主要由非定常效应产生;前、后翅的相互干扰并未起增大升力和推力的作用,反而有一定的不利作用.

食蚜蝇悬停飞行时的气动特性

用数值求解N-S(Navier-Stokes)方程的方法得到了食蚜蝇在拍动平面倾斜悬停飞行时的气动力和气动力矩,利用得到的气动力矩和已知的翅膀的惯性矩求得食蚜蝇悬停时的能耗,并将得到的气动力和能耗与正常悬停时的进行比较.主要结果为:维持食蚜蝇体重所需的举力主要由下拍产生,该举力是由翅膀的升力和阻力共同贡献的,这两点均与水平拍动的情形不同;飞行的比功率为31.71 W·kg-1,与正常悬停时接近,这表明此种悬停方式有便于进行机动飞行的优点,但不带来额外的能耗.

不同旋翼间距下共轴双旋翼无人机的气动特性

为了获得共轴双旋翼的最佳气动性能,对不同旋翼间距比的共轴双旋翼无人机进行了试验和数值模拟。首先,对共轴双旋翼的气动性能参数进行了理论分析。然后,构造共轴双旋翼模型进行数值模拟,并通过自行设计的试验获得了升力和功率。同时,将试验获得的升力和功耗转化为功率载荷和悬停效率进行气动分析。最后,结合试验和仿真结果表明,工作转速2 200 r/min下,与i=0.75在相比,当间距比i=0.385时,功率载荷提高了1.5%,总效率提高了大约5.64%。该间距比下的气动性能较好,可以作为共轴旋翼无人机的最佳气动布局。

某型机悬停性能问题的排查方法

某型机试飞时发现,直升机悬停时的起飞重量,比理论计算值低150kg以上,比国外类似机种飞行手册中的数据低约220kg。详细介绍了排查该型机悬停性能问题的方法和具体所做的工作,给出排查的结果,提出了一些改进建议,可以为国内其它机型解决类似问题提供参考。

升力风扇垂直起降飞机过渡态总体参数分析

升力风扇垂直起降飞机属于一种特殊的固定翼飞行器,兼有直升机式的悬停状态、固定翼状态,以及特殊的过渡状态。在这三种状态下,两套升力部件(直接升力部件和气动升力部件)只共用一套动力源,使得动力源工作状态差异很大,导致各总体参数之间的匹配关系与常规固定翼飞机甚为不同。为此,基于螺旋桨动量理论推导了升力风扇垂直起降飞机全机升阻、功率特性的估算模型;并针对整个过渡过程,分析了各总体参数对过渡态功率、阻力特性的影响,进而得到各总体参数的合理匹配方法以满足减小"富余功率"和节省过渡阶段的燃油消耗量的设计要求,提高巡航经济性。所研究的成果能为升力风扇垂直起降飞机概念设计提供有效地指导原则。

大型全垫升气垫船设计初探

通过对全垫升气垫船气垫参数、动力系统、围裙系统、横稳性和操纵性等方面进行分析,对大型全垫升气垫船的设计进行初步的探索。

面向无线能量传输的三维无人机轨迹设计

在无人机(UAV)辅助的无线网络中,UAV轨迹设计可以有效地提升无线网络系统性能。然而,3维场景下的UAV轨迹设计问题因其高复杂性,目前仍是开放性研究问题,并缺少高性能的求解方案。该文针对具有一般性的无线能量传输(WPT)系统中UAV 3维轨迹设计问题,在凸空间下,基于间续悬飞(SHF)的最优轨迹结构,提出获得高性能3维轨迹的求解方案。

某型单旋翼直升机悬停性能工程计算方法及应用

直升机悬停性能决定了直升机的静升限,是直升机性能的关键指标之一,也是开展和评估H-V包线试飞等工作的前提要素。而在实际进行加改装时,因为直升机的外形改变而引起的性能变化需要进行评估,复杂的计算机算法虽然具有一定的先进性,但在评估和近似计算时,较多采用更为实用的近似工程算法减少变量、推算性能。本文通过某型单旋翼直升机悬停性能工程计算和拟合,介绍一种简化变量的工程算法。

多旋翼无人机快速设计方法与工程应用

为了快速对多旋翼无人机性能进行准确计算,提出了一种基于动力系统匹配的多旋翼无人机快速设计方法,自主推导计算公式并在MATLAB/Simulink下建立计算模型,并通过多旋翼机型进行了准确性的验证。该方法主要包括动力系统匹配、整机质量精确计算、悬停时间计算等,可以有效解决多旋翼结构设计迭代时间长的问题。目前,基于该方法已完成ZW-H880,ZW-Q1100,ZW-H1200三款机型设计,3款机型整机质量计算误差约为6.7%,航时计算误差约为4.9%,3款无人机平台已广泛应用于电力、林业及道路监测等领域。