某型飞机动力系统仿真研究

韩梅

摘 要：在我国大力倡导绿色能源的趋势下，新能源飞机会越来越受到关注并且会得到大力发展，这是未来通用航空飞机发展的必然选择，也是未来航天发展的主要方向。本文以锐翔电动飞机为例，通过AeroSim进行模块搭建与仿真。Aerosim模块打破了飞机传统仿真需用Matalab编程语言的模式，能让研发人员更直观地了解系统运行模式，理解其系统运行原理。通过这一模块的仿真也可以为新一代飞机的更新换代提供强有力的平台模块化支撑。将得出的仿真结果与飞机实际试飞结果进行对比后，可以进一步确定模块搭建的正确与否，从而验证仿真结果的可信度。

关键词：新能源飞机;动力系统仿真;仿真结果对比

引言：新能源电动飞机零排放、低噪声、几乎不对环境产生负面影响，代表着飞机发展的重要方向。目前新能源电动飞机技术已经在超轻型运动飞机（ULSA）和轻型运动飞机（LSA）上应用，提供诸如飞行员培训、观光、航空体育竞技等实际用途。随着新能源能量密度等指标的逐步提升，电动飞机在今后的通用航空市场、甚至运输航空市场都有巨大的发展空间。

1新能源电推进系统

电推进系统由为电动飞机提供推力的电机及相关装置构成。电推进系统是电动飞机的核心，电动飞机的性能和用途主要取决于其电推进系统。民用飞机要进入市场，必须得到民航当局的许可，即取得适航证。对于10座以下或起飞总重不大于5670kg的喷气式正常、实用、特技和通勤类飞机，以及19座以下或起飞总重不大于8618kg的螺旋桨正常、实用、特技和通勤类飞机，按CCAR-23部或FAR-23部适航标准设计和取证。美国联邦航空局（FAA）将起飞总重不超过600kg的陆上航空器和起飞总重不超过650kg的水上起降航空器，且最大平飞空速不超过122km/h、失速速度不超过83km/h的单、双座飞机归类于轻型运动飞机，并把这类飞机的适航标准制订下放给了美国试验和材料标准协会（ASTM），因而轻型运动飞机的适航取证按CCAR-21部或FAR-21部以及适用的ASTM标准执行。目前，LSA电推进装置的设计与制造一般遵照ASTMF2840-11标准进行。

2新能源飞机动建模

2.1模型总体简介

Aerosim模块是Matalab中Simulink中的一个自主开发模块，该模块可以对六自由度飞行器进行不同情况的仿真，在飞行器仿真领域，Simulink软件中的多个模块已经普遍适用于航空航天科学技术的各种研发[3]。它可以根据使用者的不同需求进行模块搭建，从而达到满足飞行器所设定的各种情境，并可以满足飞行力学模型、飞行控制系统及不同外界条件的仿真，并能通过仿真达到预期结果的极其实用的模块。

2.2动力系统电源建模

电池充放电是一个较为复杂的非线性过程，电池电量和电动机功率的大小是决定飞机起飞的主要因素，飞机飞行时其质量保持不变。

3驱动系统的故障分析

3.1分析驱动电机故障划分和故障原因

在实际生活中，驱动电机发生故障并不稀奇，总结来看，大致可以分为以下几种情况，即运转时温度过高、能启动却不能正常使用、无法启动等。在国家标准范围内，依照故障类型，我们可以对新能源飞机的驱动电机的故障进行适当的划分，分析每种故障类型发生的原因。

在致命故障中最为多见的是损坏型故障，不管是定子绕组故障，还是轴承和花键磨损故障都是其范围内的，是机械故障中最主要的表现形式。在致命故障中的电气故障也很常见，一般故障发生在电路板、传感器等关键部位。严重故障中，各种故障类型都比较常见，其中发生频率最高的是功能失效型故障和性能衰退型故障，表现是纯电动飞机的动力系统的性能失调、衰退及失效。而一旦傳感器、冷风机等部位发生了故障，一般属于损坏型的故障的类型，同样的，冷却系统的堵塞与渗透型故障也属于其中的内容。

一般故障中，最常见的要数电气类的故障了，例如，接触器件损坏、传感器烧毁，甚至是元器件的松脱型故障和连接元器件的松动等也属于一般故障的范畴当中。轻微故障，顾名思义，就是一些故障的发生并不是非常紧要的，不会影响新能源飞机的各项性能的发挥，例如某行飞机在长期的使用过程中，造成的机身外部某些零部件的丢失或者松动，或者磨损和锈化。

3.2分析电机控制器故障类型

对驱动电机控制器的故障进行划分，主要包含：CAN通信故障、传感器故障、连接线故障等。

4新能源飞机动力系统仿真

4.1飞行状态仿真

某型号飞机的电动机通过上文中所搭建的电动机模块可以仿真得出电动机分别处于3个不同功率下的气动参数，可以得出从起飞滑跑到巡航这一阶段电动机输出转矩的大小。进一步可对比得出不同功率下的耗电量，能让飞行员飞行时切换不同模式提供更多可参考数据，也能更直观看出电动机在3种不同功率达到最大输出转矩所需时间大致相同。飞机飞行性能仿真流程：给出准备时间2min，准备结束后开始地面滑跑，滑跑后飞机进行爬升，爬升高度设置为1000m，然后飞机开始巡航40～50min左右，巡航结束后飞机下降到达降落高度后开始着陆，全部仿真过程外部环境设置为合理风速下，这一过程仿真结果和实际结果对比。当仿真飞行在400s左右时，仿真曲线与实际曲线几乎重合，随后在巡航时段内有分离情况出现并在最后着陆时大致重合。

4.2经济性仿真对比

通过以上仿真可以得出飞行里程与耗电量的关系，为了进一步验证所仿真飞机飞行时所花费费用，利用以上结果计算可得出飞机飞行时所需的花费，并与同等型号CTLS飞机进行经济性对比，可得出结论：锐翔飞机每次充电90min即可充满，飞行45～60min电量耗尽最多可以飞行180km，CTLS飞机为燃油飞机，满油状态下可飞行1300km。得出飞行相同里程新能源飞机花费明显低于传统飞机，燃油飞机飞行相同里程花费甚至为新能源飞机的数十倍，但由于新能源飞机电池电量有限，导致航程较短，决定了它不适合飞行中远途航线，所以在短途飞行培训、观光或者进行山地救援等特殊情况下优先选择新能源飞机更经济实惠，也会把对环境造成的危害降到最低。

结语：利用AeroSim模块建立了飞机动力系统仿真模块，并对标准大气环境下飞机飞行处于不同模式时的各种速度、可飞行时间、续航里程能量消耗率，以及与同等型号飞机进行经济性对比分析等进行多方面比对，从而验证了各个子系统及控制策略的准确性、有效性，结果表明此模型具有较高的精度与可行性，实现了构建与所描述一体化的仿真模型，也为电动飞机及无人机仿真搭建了良好平台，为新能源飞机性能仿真能更方便快捷提供了理论基础，也为飞机整机仿真以及更深度研发缩短研发周期提供了有力的保障。

参考文献：

[1]黄俊，杨凤田.新能源电动飞机发展与挑战[J].航空学报，2016，37（1），57-68.

[2]杨新，王小虎，申功璋，等.飞机六自由度模型及仿真研究[J].系统仿真学报，2000（3）：210-213.

[3]陶思钰.基于Mauab/Simulink平台的民用多电飞机储能系统建模仿真[C]//第六届民用飞机航电国际论坛论文集.2017：7.