[发明专利]一种电动垂直起降飞行器动力系统分层递进设计优化方法

权利要求书

1.一种电动垂直起降飞行器动力系统分层递进设计优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）基于电动垂直起降飞行器eVTOL任务剖面功率和能耗需求提取：基于动量定理和飞机动力学方程，分别计算eVTOL多旋翼模式、固定翼模式的飞行功率，取各阶段的最大功率作为eVTOL的功率需求；根据任务剖面特征参数，计算各个阶段的飞行时间，从而计算相应的能耗，计算飞行能耗、保留飞行需求能耗以及电池组保留能量之和，作为eVTOL的能耗需求；

（2）基于静态优化的电动力系统参数设计：基于电动力系统部件质量与其提供的最大功率/能量之间的函数关系，使用内点法优化得到满足eVTOL功率与能耗需求、且使得eVTOL总质量最低的动力系统总体设计参数，包括总质量、电池总数、螺旋桨桨叶数目和螺旋桨直径；

（3）基于功率匹配的电动力系统的参数优化：基于电动力系统部件之间的功率匹配关系，对电池组、电机和螺旋桨参数进行设计优化，其中设计约束为电池组与电机之间的电压、电流匹配，电机与螺旋桨之间的扭矩匹配，以及螺旋桨与巡航状态之间的推力匹配；

所述步骤（2）中，求解满足eVTOL功率与能耗需求、且使得eVTOL总质量最低的动力系统总体设计参数，建立如下非线性规划问题：

s.t.

其中，为代价函数；设计变量为，为电池总数，为螺旋桨直径，为桨叶数目；为eVTOL的结构质量系数，；为载荷质量；为单节电池质量；为电机的平均功率密度，为电机效率；为螺旋桨效率；为螺旋桨桨叶的平均弦长；为桨叶材料的平均密度；为电池功率密度；为多旋翼模式飞行能量消耗；为固定翼模式飞行能量消耗；为保留飞行时间的能量需求；为固定能量；为电池能量密度；N_R为螺旋桨设计构型中螺旋桨的数量；P_MR为多旋翼模式的飞行功率；P_FW为固定翼模式的飞行功率；

eVTOL的总质量分解为载荷质量、电动力系统质量和结构质量：

由设计要求确定，为定值；；为：

其中，为电池组质量，为电机质量，为螺旋桨质量；

所述电机质量根据eVTOL电动力系统的功率需求计算：

所述电池组质量根据eVTOL电动力系统的功率需求和能耗需求计算：

其中，为能耗需求；

所述螺旋桨质量根据桨叶材料的平均密度和螺旋桨设计构型计算：

；

所述步骤（3）中，建立非线性规划问题，求解使得巡航飞行状态下电动力系统工作效率最高的动力系统设计参数，包括：（1）电池组中串联电池数目；（2）电池组中并联电池数目；（3）巡航状态电机的转速；（4）巡航状态电机电压；（5）螺旋桨的扭转角沿桨叶分布情况；优化的目标函数为电机与螺旋桨在巡航点的总工作效率，优化需要满足1个等式约束：串联、并联电池数目之积等于步骤（2）所得到的电池总数；需要满足巡航状态下的5个不等式约束：（1）螺旋桨可用推力大于或等于推力需求；（2）电机可用扭矩大于或等于螺旋桨扭矩需求；（3）电池组可用电压大于或等于电机输入电压；（4）电池组可用电流大于或等于电机工作电流；（5）螺旋桨桨尖转速不大于当地声速；

所述步骤（3）中，求解使得巡航飞行状态下电动力系统工作效率最高的动力系统设计参数，建立如下非线性规划问题：

s.t.

其中，设计变量；为串联电池数目；为并联电池数目；为电机转速；为电机电压；为螺旋桨桨距；为输出扭矩，为电机负载电流，为巡航状态的推力需求，为eVTOL巡航飞行速度，为螺旋桨扭矩，为螺旋桨转速；为eVTOL巡航状态的升阻比，、、为系数，、、为系数，两组系数通过叶素-动量定理计算得到，为电机反电动势常数，为电机内阻，为电机扭矩常数，为电池标称电压，为电池内阻，为负载电流,为极化电阻系数，为标称电量，为消耗电量，为指数区电压系数，为指数区时间常数倒数，为空气定压比热与定容比热之比，为气体常数，为空气摩尔质量,为海平面温度，为海拔高度；ρ为当地大气密度。