[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

说明书

本发明公开了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，包括以下步骤：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；基于静态优化的电动力系统的参数设计；基于功率匹配的电动力系统的参数优化。该方法基于能量转换与功率匹配的分层递进设计，突破传统选型与设计方法在模型精度与电动力性能提升方面的不足，解决不同构型的eVTOL在给定飞行任务情况下的动力系统设计优化问题，提升动力系统的输出性能，降低eVTOL总质量，提升eVTOL的续航能力、拓展应用场景。

技术领域

本发明涉及电动垂直起降飞行器设计技术领域，尤其涉及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。具体讲,涉及面向任务需求的电动垂直起降飞行器分布式动力系统选型与功率匹配设计优化。

背景技术

电动垂直起降飞行器（以下简称eVTOL）是采用电动力驱动的新式航空器，一般具有分布式电动力系统，其所配备的螺旋桨或涵道风扇等在起降阶段可提供辅助升力，进而可以不借助滑跑实现垂直起降；同时，eVTOL一般具有机翼，能够实现以固定翼飞机的巡航飞行。eVTOL兼具垂直起降与巡航性能优势，同时，由于采用电动力系统，其运行噪声较低，乘坐舒适度较高，分布式电动力系统增加了安全余度，未来有望应用于军队后勤运输以及民用领域的城市空中交通等场景。

与飞机、旋翼机等传统飞行器相比，eVTOL采用分布式动力布局，且使用新式动力系统，其总体设计尤其是动力系统设计涉及多变量、多约束，且缺乏可参考的既有型号设计经验；另一方面，电动力系统的设计呈现模块化特点，即系统中的电池组、电机和螺旋桨等部件一般从已有产品中选择或进行定制设计，设计自由度高。目前，针对eVTOL的电动力系统设计方法主要围绕具体构型展开，例如多旋翼构型、升力+巡航复合构型和倾转推力构型等，基于任务剖面以及各部件之间的能量传递效率对电动力系统部件进行选型，这类方法所用算法简单，易于实施，因此广泛应用于eVTOL的电动力系统选型。

然而，现有的电动力系统设计方法尚存在一些不足，主要表现在：(1)飞行器的总质量对其性能的影响尤为显著，而eVTOL广泛采用锂离子电池等作为能量供给单元，而在现有技术水平下，锂离子电池与传统航空燃料相比功率密度与能量密度较低，导致飞行器总质量较大，性能不足，而基于能量转换关系的选型方法主要考虑各部件的标称工作效率，为保证设计可行性，设计点较为保守，易造成性能浪费；(2)电动力系统中的各部件具有动态特性，例如锂离子电池的输出电压随剩余电量变化，而现有的设计方法采用静态模型反映部件特性，无法体现电动力的动态特性，限制了电动力系统的输出能力；(3)为提升所设计电动系统的性能，往往需要反复迭代，而电动力系统涉及较多涉及变量，修改设计参数费时费力。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种应用于电动垂直起降飞行器的快速动力系统设计优化方法。具体而言，考虑提升eVTOL续航性能的迫切需求，在综合考虑典型飞行任务场景、电动力动态特性以及动力系统总体设计多变量、多约束的特点，提出一种基于能量转换与功率匹配的多层次递进设计方法，突破传统选型与设计方法在模型精度与电动力性能提升方面的不足，解决不同构型的eVTOL在给定飞行任务情况下的动力系统设计优化问题，提升动力系统的输出性能，降低eVTOL总质量，达到提升eVTOL的续航能力、拓展应用场景的目的。

本发明采用的技术方案是，一种电动垂直起降飞行器动力系统双层递进设计优化方法，包括以下步骤：

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，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；