2. 中国电子科技集团 第38研究所, 安徽 合肥 230031
螺旋桨电推进系统作为临近空间飞艇的重要系统之一, 是飞艇唯一的动力来源, 其性能在很大程度影响了临近空间飞艇的性能[1]。推进系统效率和动态特性是反映推进系统整体性能的2项重要指标。其中, 效率关系着飞艇的重量指标, 动态特性影响着飞艇的操纵性以及稳定性[2]。
推进系统动态特性包括转速动态变化特性以及对应转速下的拉力和力矩特性:转速特性包括推进系统的加减速特性、稳定性, 加减速特性好坏直接影响着对外界环境改变的适应能力, 转速稳定性可以有效地反映在有外界风场干扰时飞艇维持定点浮空的能力; 拉力特性反映了飞艇的抗风能力, 拉力大小决定着飞艇的抗风速度; 力矩特性是实现电机和螺旋桨匹配的核心, 并且决定了推进系统的最大转速和最大拉力[3]。
在地面开展推进系统动态性能研究, 将不仅能提前检验测试推进系统的动态特性, 也有助于发现推进系统设计存在的问题, 在飞艇投入使用之前对推进系统各部件进行重新设计。
1 推进系统动态特性验证方法临近空间飞艇飞行的设计高度在20 km高空, 此处空气密度约为地面的1/14, 由于扭矩超限, 在地面时推进系统并不能转到高空对应的额定转速, 造成推进系统的动态特性在地面无法直接完成准确测试。
针对推进系统动态特性测试, 国内外相关研究中主要包括3种研究途径, 即基于仿真手段的动态特性测试、基于地面负载模拟器的半物理仿真测试和基于全尺寸推进系统地面车载试验的动态性能测试, 如图 1所示。
NASA在机翼上沿前缘布置18个电驱动螺旋桨动力系统, 再将机翼安装在卡车上, 在113 km/h的速度下沿着爱德华兹空军基地的湖床跑道行驶。在2014年1月完成了高能静态试验以及低速滑行试验, 验证了所有18个电动机在每分钟5 600转时能够成功运行。
目前, 西工大研制了可变海拔高度推进系统车载试验台[4], 可以进行低海拔高度下的推进系统动态特性验证, 如图 2所示。但是, 由于高低空环境的巨大差异, 空气密度大, 相同转速下地面螺旋桨力矩是设计高度下的3倍[5], 受到电机驱动力矩的限制, 加之试验过程中对公路、气候等外场条件要求高, 因而这种方法只能模拟有限高度、风速以及转速下推进系统动态特性验证, 对于其他工况特别是飞艇设计高度下的推进系统动态特性无法进行测试。
在Matlab/Simulink环境下建立推进系统模型, 进行设计高度范围内推进系统动态特性的仿真[6], 理论上可以完成设计包线内飞艇推进系统的动态性能仿真研究, 不需要花费太多的人力、物力, 研究基础条件要求也不严苛, 而且研究周期短。虽然这种研究手段的性能测试相比真实工况有一定差别, 但它仍是概念设计阶段验证方案的最理想手段。
基于负载模拟器的半物理仿真研究方法[7]是全尺寸推进系统地面车载试验台的一个很好补充, 同时它又是基于仿真手段的一种真实的实现方法。这种半物理仿真测试方法的优点在于:可在地面进行推进系统的电气及机械接口验证, 对试验条件要求不高, 在实验室内便可以完成不同工况下推进系统动态特性测试; 和动态数值仿真方法相比, 这种仿真方法仍需要足够的实验设备支持, 而且由于电机并不是工作在设计高度, 电机的性能并未真实反映。
全尺寸地面车载基本是推进系统在地面一定转速范围内的局部验证, 鉴于该系统复杂性和篇幅所限, 需要专题讨论, 本文在分析比较了3种推进系统动态特性验证方法后, 只对动态数值仿真和半物理仿真这2种方法展开具体的研究。首先, 基于Matlab/Simulink进行动态数值仿真实验, 考虑不同工况下螺旋桨运行特性, 通过动态特性仿真模型模拟飞艇设计高度范围内推进系统动态特性; 然后, 基于负载模拟器进行半物理仿真, 对推进系统分别进行加减速特性和抗突风特性测试, 验证了本文所发展的2种方法的可行性。
2 基于仿真手段的推进系统动态特性研究 2.1 仿真模型的建立在Matlab/Simulink中采用模块化建模思路, 建立电流、转速双闭环永磁无刷直流电机仿真模型。图 3是永磁无刷直流电机的控制框图[8]。
根据螺旋桨的半径、拉力系数、功率系数与前进比之间的关系矩阵, 再利用螺旋桨性能计算公式, 插值计算出螺旋桨气动拉力以及力矩。在Simulink环境下利用大气参数计算模块以及螺旋桨性能插值计算模块建立螺旋桨性能仿真模型。
通过模块化电机仿真模型和螺旋桨性能计算模型, 基于电机和螺旋桨之间的力矩、转速平衡关系, 建立推进系统Matlab/Simulink动态性能仿真模型。
2.2 推进系统动态特性仿真研究实例推进系统工况为高度20 km, 风速10 m/s。电机选用30 kW直流减驱电机, 电机额定功率30 kW, 额定转速为510 r/min, 电机效率为88%。螺旋桨桨径为6.8 m, 转动惯量68.8 kg·m2, 额定工作转速510 r/min。性能仿真数据所需的拉力系数、功率系数与前进比关系见图 4, 此数据通过CFX计算得到。
图 5是推进系统利用不同加速度加速至额定转速后再从额定转速减速至50 r/min时的转速动态响应, 其中初始转速为50 r/min; 图 6是推进系统在每秒变化±15 r/min的加速度指令下螺旋桨拉力、力矩变化过程。仿真结果显示, 系统加减速阶段转速变化率跟设定加速度变化一致, 稳定转速下系统转速平稳, 稳定性好, 推进系统动态特性较好。
从上述算例可以看到, 利用仿真模型可以在不同工况下, 对推进系统的加减速特性以及转速变化过程中推进系统的拉力以及力矩变化情况进行模拟, 同时还可以直观观察驱动电机的电流等参数变化, 在一定程度上实现对推进系统的动态特性验证。
3 基于负载模拟器的推进系统动态特性研究单纯的动态数值仿真研究比较理想化, 螺旋桨地面负载模拟器结合了仿真和实物研究的优点, 可在地面完成全高度、全速度包线范围内飞艇推进系统的动态特性测试[9]。
3.1 负载模拟器负载模拟器用于模拟螺旋桨的特性, 其安装在待测电机装置输出轴上, 包括惯量、拉力以及力矩加载单元[9-10], 负载模拟器如图 7所示, 其详细设计见参考文献[10]。
负载模拟器的工作原理:先向计算机输入螺旋桨工况以及转速指令, 永磁无刷直流电机运动过程中, 控制计算机根据电机转速以及螺旋桨性能数据, 同一时序地执行:
1) 向电动缸提供相应的螺旋桨拉力指令, 电动缸产生相应大小的拉力加载至待测电机;
2) 向力矩加载电机提供螺旋桨力矩和电惯量补偿力矩, 力矩加载电机将两者之和加载至待测电机输出端。
通过单独设计加载方案, 再利用控制程序协同控制这些加载机构, 即可实现整个负载模拟器的功能。
3.2 基于负载模拟器的动态特性验证方法推进系统加减速特性和抗突风特性是临近空间飞艇的两个重要指标, 利用所发展的负载模拟器, 对推进系统分别进行加减速特性和抗突风特性测试, 以验证临近空间飞艇适应外部环境变化的能力。
1) 推进系统加减速特性研究
推进系统加减速特性通过设置推进系统电机的加速度、减速度指令, 利用测控系统、数据采集系统实时采集系统的转速、力矩等数据来进行测试, 通过分析整个试验过程系统的转速变化过程以及电流、电压、拉力、力矩等变化过程, 验证推进系统动态特性。
在飞艇设计高度20 km、风速10 m/s时, 利用CFX计算不同转速下螺旋桨性能, 在Labview利用插值程序建立螺旋桨性能计算模型。
图 8是转速每秒变化±10 r/min、±15 r/min、±20 r/min的指令对应的推进系统动态响应,初始和最终转速均为100 r/min, 稳定转速为510 r/min。加减速特性验证试验得到的数据表明, 加速阶段转速每秒变化分别为9.81 r/min、15.08 r/min以及20.06 r/min, 减速阶段转速每秒变化分别为-9.76 r/min、-14.91 r/min以及-20.01 r/min, 跟设定的加速度指令值基本一致, 到达稳定转速后稳定性很好。
图 9是不同加速度指标下推进系统驱动电机输出力矩与时间的关系。随着转速的增加, 螺旋桨力矩变大, 因而推进系统驱动电机输出力矩变大; 在相同转速时, 加速度大的推进系统需要提供的更大驱动力矩。
2) 推进系统抗突风性能研究
利用负载模拟器力矩加载电机模拟外界突风情况, 突风方向和飞艇运行方向一致就相当于飞艇相对运行速度变慢; 突风方向和运行方向相反就相当于飞艇相对运行速度变快, 负载模拟器分别通过额外加载和转速方向相反的反向力矩、方向一致的正向力矩来模拟风场干扰。
本文试验过程中, 假定上述2种风场干扰的扰动力矩均为100 Nm, 遭遇同向短时突风时间点在33 s处, 遭遇逆向短时突风时间点在80 s处, 突风持续时间均为0.1 s。图 10和图 11分别是在此突风下推进系统转速、驱动电机输出力矩变化情况。在遇到方向一致的突风后, 推进系统转速会突然下降, 为了使推进系统转速能够稳定在设计转速, 此时驱动电机输出力矩变大, 系统转速渐渐恢复至额定转速值; 在遇到逆向突风后, 推进系统转速会突然上升, 为了使推进系统转速能够稳定在额定转速, 此时驱动电机输出力矩会变小, 系统转速逐渐恢复至设计转速值。
仿真结果表明, 在遇到突风情况时, 推进系统有恢复至设计转速的能力。
4 结论推进系统的动态特性影响着飞艇的操纵性和稳定性, 也反映了临近空间飞艇适应外部环境变化的能力。
本文主要分析了可以进行推进系统动态特性验证的3种研究方法以及各自优缺点; 建立了推进系统动态性能仿真模型, 据此模型进行了某推进系统动态特性研究; 利用现有负载模拟器试验台, 开展了某推进系统的动态响应特性验证方法研究。
通过实例分析, 证明了本文基于Matlab/Simulink动态数值仿真和基于负载模拟器的研究方法可以完成临近空间飞艇推进系统的性能测试, 具有较好的工程应用价值。
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