通用飞机油电混合动力系统设计与性能仿真

康桂文,孙振祥

(1.沈阳航空航天大学 航空航天工程学部(院),沈阳 110136； 2.辽宁通用航空研究院 动力室，沈阳 110136)



通用飞机油电混合动力系统设计与性能仿真

康桂文1,2,孙振祥1

(1.沈阳航空航天大学 航空航天工程学部(院),沈阳 110136； 2.辽宁通用航空研究院 动力室，沈阳 110136)

在某型通用飞机的基础上设计了一个并联式油电混合动力系统，并用MATLAB软件模拟验证该系统的实用性及优越性。根据飞机动力学计算公式，用MATLAB编程分别对原型飞机和改装的混合动力飞机进行发动机油耗、航程和航时等性能模拟。结果表明，此系统适合该飞机及改装后的混合动力飞机，综合性能明显优于原型飞机，更加适用于教练机及娱乐飞行。该系统作为一个新概念动力系统为混合动力飞机的设计提供了理论依据。

混合动力；通用飞机；性能仿真；MATLAB；实用性

油动飞机具有能量密度高，续航能力及负载能力强的优点[1]，但是活塞式航空发动机技术趋于成熟，在环境和能源问题上很难取得较大的改进。电动飞机恰恰相反，具有节能环保的优点，但是由于电池技术发展缓慢，能量密度不高，很难满足飞机对动力系统功重比的要求[2]，因此还不能大规模推广。同时，汽车行业的重大研究和发展引导了混合动力技术，大大降低了油耗和有害物质排放[3]，因此油电混合动力飞机应运而生。

1 飞机混合动力系统概述

混合动力系统的基本配置为：一台发动机，电池，至少一台电机和螺旋桨[4]。混合动力系统的组成形式多种多样，但是全部是在3种基本类型的基础上改造而来。这3种基本类型是：串联式、并联式以及混联式[5]。3种混合动力的优缺点[5]如表1所示。

表1 3种混合动力对比

由于飞机设计时对各部件重量的要求非常严格，结合3种混合类型的优缺点，在目前的技术条件下，并联式混合动力方案既能达到节能减排的要求，又能尽可能地减小飞机空重[6]，是混合动力飞机动力系统的最佳方案。本文以并联式油电混合动力系统为对象展开研究。通过MATLAB模拟出混合动力系统的燃油消耗量以及混合动力飞机的续航时间和航程等飞行性能，验证轻度混合并联方式在通用飞机上的可行性，为混合动力系统的优化设计提供理论依据。

2 并联式油电混合动力系统设计

加拿大DA20-C1双座飞机整机是外形设计和各项性能都比较好的一款双座超轻型飞行训练机[1]，技术比较成熟，动力装置是一台Continental IO-240-B航空活塞发动机。本次研究就是设计一个适合DA20-C1的混合动力系统来代替Continental IO-240-B航空活塞发动机，从而达到节能减排的目的。该混合动力系统如图1所示，主要部件包括发动机、电动机、电池、发电机、电磁离合器、螺旋桨以及传送带。电动机和发电机通过传送带与发动机主轴相连。

图1 并联式油电混合动力系统设计图

2.1 能量管理策略[7]

混合电动飞机中，电动机的主要功能是辅助发动机[8]，在飞机需求功率过高时提供额外的功率，从而可以用性能较好但最大功率达不到要求的发动机替代原发动机，从而降低发动机的油耗和排放[9]。本次设计中，飞机在起飞爬升以及高速飞行时，飞机需要的功率较大[5]，此时由发动机和电机共同提供动力，巡航阶段主要由发动机提供动力供飞机飞行，同时发动机外置发电机以小功率给电池充电，以便遇到突发事件时给飞机提供额外的动力或者进行间歇性供能[10]。

2.2 发动机选择

本文所设计的混合动力系统中，发动机为主动力源，因此发动机选型时要考虑多方面因素。最重要的是能够单独提供飞机巡航所需要的功率[11]，且要求发动机质量尽可能小。飞机平飞时发动机功率：

(1)

式中,η为螺旋桨效率，K为最大升阻比，Vpf，min为最小平飞速度。计算可得改装后DA20-C1所需的最小功率为26.707 Hp，因此所选发动机只要功率大于26.707 Hp即可。对比各种现有发动机的性能与质量，最终选择100 Hp的ROTAX912ULS发动机。

2.3 电机、电池和发电机的选择

2.3.1 电机的选择

电机在起飞爬升时起辅助作用，功率需满足：

Peng+Pmotor≥Pps

(2)

式中，Peng为发动机功率，Pmotor为电机功率，Pps为爬升功率。原机型爬升功率约为0.9倍的最大功率，即112.5 Hp，混合动力方案发动机功率为90 Hp，因此电机功率要高于22.5 Hp，即16.5 kW。综合考虑电机外形尺寸、功率以及扭矩等因素，本次设计选用电机为斯洛文尼亚的EMRAX207电机，该电机最大持续功率为30 kW。

2.3.2 电池的选择

电机只在起飞爬升时提供动力，因此电池的能量只需满足该阶段的消耗即可[12]。起飞滑跑阶段，发动机和电机均在最大功率下工作，爬升阶段以最大功率的90%工作。

(3)

式中，Pmotor，max为电机最大持续功率，tqf、tps分别为滑跑时间和爬升时间，ηmotor为电机效率。为了不影响电池寿命，电池内必须保证有20%的剩余电量，因此在计算时需要除以80%。由该式计算得到需要电池电量为7.32 kW·h，电池可从厂家订购，参数为60 V，7.5 kW·h，重量约为45 kg。

2.3.3 发电机的选择

为了不影响飞机总体巡航性能，发电机发电功率不要求太大，而且质量一定要轻，本次设计选择的是林巴赫L275E外置发电机，发电功率为1.2 kW，效率高达93%～97%，质量仅有4.5 kg。

2.4 螺旋桨的选择

由于动力装置发生改变，原型机的螺旋桨是否仍然适合混合动力系统成为一个不得不考虑的问题。本次研究对螺旋桨进行了重新设计，螺旋桨直径计算公式[13]为：

(4)

2.5 发动机和电机实际参数

表2为原型飞机和混合动力飞机动力系统动力源基本参数。

表2 飞机动力源

从表2可以看出，在总质量相近的情况下，新的混合动力系统不仅符合安装要求，而且功率优势非常明显。

3 油电混合动力飞机性能模拟

为了简化计算，本次模拟将飞机飞行剖面进行简化。假定飞机起飞滑跑为匀加速状态，爬升为固定角度定常爬升，飞行高度定为1 000 m且空中无风。飞机在1 000 m高空飞行时，假定空气密度对发动机无影响，平飞速度不同，需要的功率不同，相应的燃油消耗量就会不同，燃油量相同的情况下，飞行时间和飞行距离也会不同。飞机平飞所需要的拉力[13]为：

(5)

螺旋桨的可用拉力为：

(6)

式中,Txy为飞机平飞所需拉力，G为飞机总重，本文取最大起飞重量；K为升阻比,T0为螺旋桨地面静态拉力,N为发动机功率，单位是hp；D为螺旋桨直径，单位是ft；Tp为螺旋桨可用拉力。由公式可知，不同的平飞速度下，飞机所需的拉力不同，螺旋桨可用拉力也不同，结合DA20-C1的阻力极曲线，可以得到飞机平飞时需要的拉力曲线图,如图2所示。

图2 不同平飞速度下所需拉力线

在拉力曲线上，四条不同功率下的螺旋桨拉力线与飞机所需拉力的交点表示该功率下飞机的最大平飞速度。由图可知，混合动力机的最大平飞速度和最大巡航速度，与原型机相比，都略微有差别。同时也可以看出，在平飞速度为100～130 km/h时，需用拉力较小，需要的发动机功率也会较小，可以大大延长续航时间，这对于飞行训练是非常有利的。不同平飞速度下，飞机的功率、油耗、航程和航时是不同的,飞机平飞功率[8]为：

P=F阻·Vpf

(7)

(8)

式中,F阻为飞机总阻力，Vpf为平飞速度，S为翼面积，CD为飞机阻力系数，该阻力系数与升力系数一一对应，可由阻力极曲线查出，不同平飞速度下的升力系数[14]为：

(9)

以此可以计算出飞机在不同平飞速度下需要的功率曲线图,如图3所示。

图3 不同平飞速度下飞机需要的功率

由于机身外形和最大起飞重量没有改变，原型机和混合动力机的飞行阻力相同，需要的功率大致相同，所以它们需要的功率曲线图相同。根据不同平飞速度下所需功率的大小，根据燃油消耗量计算公式[15]，

(10)

式中,B为燃油消耗量，b为燃油消耗率，P为输出功率，d为燃油比重。模拟结果如图4所示。

图4 不同平飞速度下的燃油消耗量

由图可知,虽然ROTAX912ULS最大功率比Continental IO-240-B小，但是由于其本身性能较好，在飞机平飞速度小于226 km/h时，混合动力机的燃油消耗量都小于原型机，这就意味着在相同的平飞速度和燃油量的情况下，混合动力机的飞行时间较长，航程也较大。续航时间为总耗油量除以燃油消耗量，即：

(11)

式中，Q为油箱总量的90%，改装飞机油箱没有改动，所以两种飞机油箱总量相同，B为燃油消耗量。不同平飞速度下的续航时间如图5所示。

图5 不同平飞速度下的续航时间

续航航程等于平飞速度乘以相应的续航时间，即

(12)

可得续航航程曲线，如图6所示。

图6 不同平飞速度下的航程

理想状态下飞机综合性能模拟结果如表3所示。其中,起飞、着陆滑跑看成匀加速过程计算，爬升看成固定角度定常爬升过程。

表3 两种飞机主要性能参数对比

从模拟结果可以看出，在飞机载重量基本不变的情况下，起飞滑跑距离缩短21.8%，爬升率增大20.3%，对机场跑道长度的要求较小，虽然最大巡航速度有所下降，但是最大速度增大，航程和续航时间也都增加，作为一款飞行训练机，这些性能的改善都是非常有利的。此外，如果飞行时出现发动机熄火，断开混合动力机的电磁离合器，就可以依靠电池中的剩余电量以及飞行时的充电量带动电机，进行短时间飞行和迫降，安全性大大提高。本次模拟将飞行条件理想化，可以为实际改装提供有力的理论依据。通过模拟结果可以看出，混合动力飞机与原型机相比，起飞滑跑距离短，爬升率高，航程远航时长，综合性能更好，更适合用于飞行训练、旅游观光等飞行。

4 结论

设计的并联式油电混合动力系统具有以下特点：(1)该油电混合动力系统可以应用到实际生产中，具有良好的性能。(2)改装混合动力飞机在保证平飞性能的条件下，起飞爬升性能有很明显的改善。

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(责任编辑：宋丽萍 英文审校：刘敬钰)

Design and simulation for general aircraft electric-hybrid system

KANG Gui-wen1,2，SUN Zhen-xiang1

(1.Faculty of Aerospace Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China;2.Aircraft Power Research Laborctory,Liaoning General Aviation Academy,Shenyang 110136,China)

The paper is aimed at designing an electric-hybrid system for an existing general aircraft,and simulating the performance of this new electric-hybrid aircraft with MATLAB to verify the practicability and superiority of the hybrid system.Using the formula of aircraft dynamics,the paper simulated the performance of the original and improved aircrafts,including oil consumption,flight range and endurance,etc.The results show that the electric-hybrid aircraft has better performance and is more suitable for training and leisure.As a new concept of power system,the electric-hybrid system also provides theoretical basis for the design of new electric-hybrid aircraft.

electric-hybrid;general aircraft;performance simulation;MATLAB;practicability

2014-09-06

康桂文(1972-)，男，辽宁义县人，副教授，博士，主要研究方向：活塞式航空发动机设计理论及方法,E-mail：sunzhenxianng08@126.com。

2095-1248(2015)02-0023-05

V211

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2015.02.005