基于可用能的多电飞机能量利用率分析方法

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1、航空学报ActaAeronautioaetAstronauticaSinicaMay252014V01．35No．51276—1283ISSN1000—6893CN11-1929／Vhttp：／／hkxbbuaa．edu。cahkxb@buaa．edu．crl基于可用能的多电飞机能量利用率分析方法葛玉雪，宋笔锋，裴扬*西北工业大学航空学院，陕西西安710072摘要：为了分析复杂多电飞机系统的能量使用情况，将模块化系统建模与可用能分析方法相结合构造出一种能量利用率分析方法。利用该方法将多电飞机系统分成动力、电力、液压

2、、机体、防冰除冰、环境控制和座舱等子系统，在完整巡航任务剖面内计算各子系统可用能的分配和使用情况，分析相同飞行状态下不同子系统以及相同子系统在不同飞行状态下的能量利用率。所采用的燃料可用能计算公式不仅考虑了化学能还考虑了燃烧状态的影响。结果显示，多电飞机中可用能损失主要发生在发动机中，液压作动系统紧随其次；防冰除冰单元在飞机盘旋阶段的可用能效率较低，在起飞着陆阶段效率较高。关键词：可用能；多电飞机；能量利用率；热力学第二定律；燃料可用能中图分类号：V221．6；V242．1文献标识码：A文章编号：i000—6893

3、(2014)05一t276—08多电飞机是一种用电力系统部分取代液压、气压和机械系统的飞机[1]。这类飞机具有可靠性高、维护性好和营运成本低等优势[2]。目前，多电飞机的相关研究包括高性能机电作动装置、全电刹车控制、开关磁阻起动／发电机、飞机供电系统设计等[3]。大量大功率用电设备的加入要求飞机供能系统对电力进行合理分配，将飞机上有限的能量最大化利用，因此需要掌握飞机子系统的能量利用情况。能量管理主要指对电力系统进行监控、自动发电控制、状态估计和安全分析等[4]。如果将飞机看做一个大系统，系统中不仅有电能，还包括热

4、能、化学能和机械能。适合全电飞机的能量利用率计算方法，应该将这4种能量形式全部考虑进去。目前，国内外学者在飞机能量分配的研究方面进行了前期探索研究。Bejan和Siems[5]认为把飞机设计方案中的主要参数统一到能量尺度将便于同时对多个子系统进行评估，如将结构质量、舱内温度、克服阻力做功等参数表示成燃油的函数，就能同时评估机体、环境控制系统和飞行品质的燃油消耗情况，从而为方案经济性的评估提供依据。Roth[6]以F一5E为主要研究对象，在研究其亚声速飞行阶段的热力学潜能时指出：全机90％的热力学潜能被推进系统以尾气

5、热、不完全燃烧和残余动能的形式消耗，剩下的10％转化为推力并克服阻力做功。他还考虑了通过能量分配来弥补机体气动热损失的可能性，但没有提出可行的实施方法。Kousksou等[73在相变潜能系统的热效率研究中考虑了进气温度和雷诺数的影响，指出低雷诺数和高温的组合能够提高系统热效率，但该方法缺乏对不可逆反应的考虑，未能给出使系统热效率达到最高的符合实际情况的温度收稿日期：2013-07—09；退修日期：2013—07—25；录用日期：2013—09—20；网络出版时间：2013—10—1612：03网络出版地址：WWWc

6、nkinet／kcms／detail／111929V201310161203．001html基金项目：国家自然科学基金(11102159)*通讯作者．Tel：029—88494925E-mail：peiyang—yang@nwpu．educa歌属格武lGeYX，SongBF，Peiy．Analysismethodofmore·electricaircraftenergyefficiencybasedonexergyEJJ．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2014。35(5)：

7、1276．1283．葛玉雪．朱笔锋，裴扬基f可塌能的多电飞机能量翻角率分析方法!Jj．航空学报，2014，35(5)：1276—1283．葛玉雪等：基于可用能的多电飞机能量利用率分析方法和雷诺数组合。昌敏等[83通过能量平衡法分析了太阳能飞机的可持续高度，指出光伏组件效率及其面密度、结构面密度和二次电池比能量共同约束着可持续高度的上限，计算中对光伏组件的效率取经验值，忽略了其他机载设备的能量利用率和能量密度。何为等[93使用非稳流变质量系统的热力学理论研究单螺杆发动机空气动力系统中各环节能量损失及输出功情况，重点考

8、察了排气压力对能效分配的影响，指出在系统质量利用率高于90％的情况下，节流减压和尾气排放的能量损失会造成系统做功能力的下降。于黎明等n明提出了多电飞机电一液一机混合飞行作动系统的能源优化配置构想，但未给出严谨的优化算法。从以上分析可以看出，针对多电飞机能量利用率的研究尚缺少一种可考虑多系统的通用模型。本文按照功能将多电飞机系统拆分为3个主要模块，再按照用户需