飞艇推进系统参数优化匹配与验证方法研究

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1、西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：飞艇推进系统参数优化匹配与验证方法研究作者：陈声麒学科专业：飞行器设计指导教师：宋笔锋教授2015年12月ParametersOptimizationMatchingandVerificationStudyofHighEfficiencyPropellerPropulsionSystemofHighAltitudeAirshipByChenShengqiUndertheSupervisionofProfessorSongBifengADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUnivers

2、ityInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeoftheDoctorofAircraftDesignXi’anP.R.ChinaDecember2015摘要摘要螺旋桨电推进系统是临近空间飞艇能量转换的最后环节，是临近空间飞艇的动力来源。螺旋桨电推进系统由电机、减速器和螺旋桨组成，各子系统涉及不同的学科，这种多学科交叉特征必然带来系统参数设计以及系统综合性能评价的复杂性。本文主要进行了推进系统效率提升方法研究以及推进系统动态性能测试方法研究：具体研究内容如下：（1）开展了临近空间飞艇推进系统效率提升方法研究1）为增加飞艇任务载荷量，

3、提出了临近空间飞艇平台螺旋桨电推进系统最佳功率单元概念，在此基础上利用试验设计方法进行了推进、能源分系统性能指标对任务载荷的敏度分析。进行推进系统最佳功率单元设计的目的是合理配置临近空间飞艇的推进系统方案，尽可能的增加飞艇的任务载荷量，侧面提高推进系统整体效率。首先，利用多准则决策方法对飞艇推进系统驱动方案进行了研究。根据最优拉丁超立方试验设计方法以及响应面法，建立了推进系统的重量和效率的近似模型。然后以最小能源系统和推进系统总重量为目标，建立了最佳功率单元优化设计模型。对于一定长度的飞艇，利用多岛遗传算法得到了相应的推进系统最佳功率单元，设计结果表明：在最佳功率单元下，推进系统和能源

4、系统总重减小了11.5%。此外，利用试验设计方法进行了推进、能源分系统性能指标对任务载荷的敏度分析，得到影响任务载荷的分系统指标的优先序列，其中推进系统效率影响程度最大，占35%。2）根据电机和螺旋桨特性，提出了推进系统总体参数优化匹配的通用性方法。通过分析螺旋桨以及永磁无刷直流电机的特性，根据两者力矩、转速平衡关系得到了推进系统总体参数匹配的一般性方法。利用推进系统总体参数匹配方法，对功率30kw、桨径6.8m减驱推进系统进行了部件参数匹配设计，匹配设计结果显示：电机和螺旋桨的额定转速对应的效率均在各自最大效率点附近，推进系统整体效率高。随后，通过分析不同额定工况点下推进系统性能，进

5、一步说明额定工况点合理选取的重要性。分析表明，只有设计合适的工况点，才能够确保推进系统在一定工作范围内均能保持全功率匹配，维持高的工作效率。（2）开展了临近空间飞艇推进系统动态特性验证方法研究1）在Matlab/Simulink环境下建立了推进系统动态性能仿真模型，利用仿真模型对推进系统进行动态性能仿真研究，验证了推进系统参数匹配合理性；并依据仿真结果，发现了现有推进系统方案存在不能实现设计高度范围内全功率匹配的问题，据此提出了基于变减速比减速器的新型推进系统方案。首先，根据永磁无刷直流电机数学模型建立了电流、转速双闭环电机仿真模型；根据空气螺旋桨理论建立了螺旋桨的性能计算模型。然后根

6、据电机、减速器以及螺旋桨之间的转速和力矩平衡关系，建立了螺旋桨电推进系统仿真模型。利用仿真模型研究推进系统高空时的动态响应，及推进系统不同高度、速I西北工业大学博士学位论文度下的动态性能。仿真结果表明，现有推进系统不能实现飞艇设计高度范围内的全功率匹配。因此，提出了基于变减速比减速器的的推进系统方案，并利用仿真手段得到各个飞行高度下减速器的最佳速比情况。2）为在地面验证飞艇设计高度下推进系统的动态特性，本文自主设计并研制了能够同一时序模拟螺旋桨惯量、力矩以及拉力特性的螺旋桨通用负载模拟器。由于环境差异巨大，难以在地面开展设计高度下的推进系统动态试验，导致设计高度下推进系统各部件无法进行

7、参数匹配验证。此外，现有负载模拟器只能单一模拟负载特性，不能同时模拟螺旋桨的惯量、拉力以及力矩特性。针对这些问题，本文提出了螺旋桨地面通用负载模拟器概念。通过分析推进系统性能指标，设计并搭建了可以同一时序模拟螺旋桨惯量、拉力以及力矩特性的负载模拟器：惯量通过基础惯量盘加电惯量模拟、拉力用电动缸模拟、力矩由力矩电机模拟，通过设计的测控系统实现各加载单元的协同控制。3）为提高加载精度，本文对负载模拟器试验台进行了同轴度调试、摩擦力矩/转动惯量测量，