平流层电推进系统研究

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1、平流层飞艇电推进系统研究摘要：介绍了i种平流层飞艇电推进系统的组成及工作原理，对飞艇电推进系统进行了研究与分析，提出了合理的飞艇电推进系统设计思路及方法。通过対设计的电推进系统的试验测试、仿真，验证了以稀土永磁无刷直流电动机为动力的螺旋桨电驱动技术的可行性，满足了空气螺旋桨提出的耍求，为空中验证电推进系统的技术指标提供I『有效的研究途径和研究基础。关键词：平流层匕艇；螺旋桨电推进系统；稀上永磁无刷直流电动机；仿真小图分类号：TM341文献标识码：A文章编号：1004—7018（2009）12—0

2、IJIJ9—040引言平流层是位于15〜35km高度的大气层，处于空中与空间概念Z间的战略位置。飞艇是一种有推进装置、利用浮力原理升空、可控制飞行的飞行器。由于不是依靠运动产生升力，飞艇能够以极慢的速度飞行，甚至能够在空中长期保持定点,从而使其可以作为空小平台为地面观测和通信等捉供更为长期和广泛的服务。平流层飞艇的运行环境特性与飞行特点，决定「英升空高度高、滞空时间长（儿个刀至儿年）、大范围定点能力强、可持续定点、冇效载荷承载能力较强（和卫星相比，可携带更大和重的仪器设备）、可重复使用等特点，已

3、被公认为在临近空间使用的最佳飞行器。平流层飞艇系统组成复杂，它是集机械、材料、控制、动力、导航通讯和电子等多学科交融的大系统。为保证飞艇为人们提供长期、稳定的服务.必须解决结构与材料、动力与推进、控制与管理三个方面的相关难题。平流层大气密度特别稀薄，以空气动力为动力的飞行器一般很难到达这一高度，因此，设计出大功率、高效率、轻质高压高可靠性的电推进系统是飞艇动力推进系统的需要。1平流层飞艇电推进系统飞艇推进系统的设计需要综合考虑飞艇结构、空天环境、载荷、飞行任务等综合因素。飞艇体积人，这种大惯量的

4、飞行器要求其动力推进系统动力人，目前飞行器所采用离子推进器（卫星上）、涡喷推进器和高速航犬器涡扇推进系统的推进方式都不适合。而采用由太阳能电池供电，人功率高速稀土永磁无刷电动机驱动代替燃汕发动机的动力装置來带动螺旋桨的动力推进系统最为适合飞艇的推力需求。电推进系统可设计为电动机带动螺旋桨的单推力系统,也可设计为由多台电动机作动力装置的多螺旋桨推进器。本文设计的高空螺旋桨电推进系统具有以卜•特点：电推进系统按单独的整体设计方案；驱动电动机采用稀土永磁无刷直流电动机；单个驱动电动机的功率为3kw；驱

5、动模式采用高速电动机加减速器推进螺旋桨、推进装置采川直轴型螺旋桨推进。系统能源采川太阳能+燃料电池。11飞艇螺旋桨电推进系统组成及工作原理高效、可靠的推进系统是飞艇设计中的重要一环。，高空E艇螺旋桨电推进系统由直流电源、驱动控制器、稀土永磁无刷直流电动机、减速器和螺旋桨五大部分组成，如图1所示。各分系统Z间既相互关联又相互制约，各系统需耍在56°C〜56°C条件下正常工作。直流W1：氷堂无剧J电潭r直谎电为机1图1螺旋桨电推进系统结构小意区根据飞艇的运行状态变化和姿态调整的需求，驱动控制器接收系

6、统上位机指令，采用电力电子可关断器件实现能量转换，通过PwM斩波对稀土永磁无刷直流电动机实施调压调速和组介逻辑换向控制。稀土永磁无刷直流电动机的输出转速经减速器变换后驱动螺旋桨，产生推力驱动飞艇飞行，在与飞艇尾部方向舵控制的结合下，实现飞艇姿态调整。1.2螺旋桨电推进技术高空螺旋桨飞行器是一项复杂系统工程，涉及到飞行器的结构、材料、能源、通讯、飞行控制及推进系统等各个方而。以高空螺旋桨为动力驱动的飞行器在覆盖区域、分辨率、接收与发射功率、生存能力，以及快速响应持久能力等方面具有显著优，广泛应用在

7、多种先进飞行器上，网此在飞艇推进技术中，把重点放在螺旋桨电驱动系统研究上。螺旋桨在电动机驱动下旋转，产生升力、拉力或者推力，牵拉飞艇行进：飞艇速度比空气声速要低得多，以亚声速运行。螺旋推进器卜常适合低速飞行要求。螺旋推进器从海平面到海拔30km高度都町以良好地工作，更高的地方需要运动人量的空气以较低的速度运行。它最人的推力发生在推进器最大速度降至0.88〜092马赫之间时，引擎通常在这个范同某点工作已达到最人的工作效率。飞艇的特点对螺旋桨推进系统提出了较高的效率及使用要求。肓轴型螺旋桨推进装置相

8、对于横轴螺旋桨推进装査，具有效率高，即单位功率下其推力更人，及易实现推力矢量控制。在通过水平舵面來控制飞艇时，直轴型推进装直只需要简单地改变具桨叶攻角就町以使其推力在360。方向下改变，具有灵活的推力输出特性。相关实验表明采用直轴型推进装置可以人人提高飞艇的推进效率及控制效果.螺旋桨主要由桨叶、桨毂、变距机构与控制系统组成。螺旋桨质量和效率的高低直接影响到飞行器的飞行质量和可靠性。根据静导数的计算结果.选择电动机和相应的螺旋桨，初步选择螺旋桨的尺寸10mx6m,由选定的螺旋桨直径和螺距尺寸选择d