[发明专利]用于垂直起降飞机的串联混合动力系统航程最优设计方法

权利要求书

1.用于垂直起降飞机的串联混合动力系统航程最优设计方法，其特征在于，针对确定的电动垂直起降飞行器气动外形和尺寸，优化目标为最优航程，包含以下步骤：

步骤(1)：建立数学模型；数学模型包括功率需求模型、混合动力系统效率和重量模型、功率分配模型；

步骤(1)中所述功率需求模型为：

悬停飞行阶段电动机驱动螺旋桨工作的功率为：

其中，T是所有螺旋桨产生的净推力，η_prop-h是悬停飞行中的螺旋桨效率，ρ是空气密度，A_t是所有螺旋桨盘的总面积；

悬停阶段消耗的总能量由下式给出

其中t_h为垂直飞行阶段时间；

巡航飞行阶段电动机驱动螺旋桨工作的功率为：

其中，C_L是升力系数，V是巡航空速，ρ是大气密度，S_ref是飞行器的参考面积，η_prop-c是巡航过程的螺旋桨效率，C_d0是飞行器的零升阻力系数，k＝1/πARe是升致阻力系数，其中AR是展弦比，e是展向效率；

巡航阶段消耗的总能量由下式给出

其中，t_e是平飞阶段的持续时间；

步骤(1)中所述混合动力系统的效率模型为：

由电池到螺旋桨的效率为(不包括螺旋桨效率)：

η_b-p＝η_battη_EM 公式(5)

发电系统中能量从燃料到螺旋桨的总转换效率为：

η_f-p＝η_ICEη_GEη_EM 公式(6)

步骤(1)中所述混合动力系统各部件的重量模型为：

电机：

发动机-发电机：

燃油：

电池：

其中，η_batt为电池效率，η_ICE为发动机效率，η_GE为发电机效率，η_EM为电动机效率；SE_batt为电池比能量，，SE_fuel为燃油比能量，SP_ICE为发动机比功率，SP_GE为发电机比功率，SP_HEG＝1/(1/SP_ICE+1/SP_GE)为发动机-发电机比功率，SP_EM为电动机比功率；

步骤(1)中所述功率分配模型为：

飞行器在悬停阶段有短期大功率需求，在平飞阶段有长期低功率需求；考虑到燃料的高比能量特点和电池的高比功率特点，采用的功率分配策略为：发电系统的额定功率设计为飞行器的巡航功率，在水平飞行阶段，仅发电系统给电机供电，发电系统工作在额定功率；在悬停阶段，发电系统和电池同时给电机供电，发电系统工作在额定功率，电池组补足剩余功率需求；

电机的功率由悬停飞行时的最大推力决定：

其中，(T/W)_max是需求的最大推重比；

发动机-发电机的功率为：

电池组的功率为：

所需的燃料能量为：

E_fuel-quir＝P_HEG-quir(t_h+t_c)

所需的电池能量为：

E_batt-quir＝P_batt-quirt_h

步骤(2)：建立目标函数；基于步骤(1)中的数学模型，推导混合动力系统航程公式为：

为求解航程的最大值，定义目标函数为：

f(b，W_to)＝-R(b，W_to)

优化变量为巡航速度比b和起飞重量W_to；飞行速度比b为巡航速度与最大升力系数条件下的速度之比：

根据最大升力系数约束和飞行器结构重量最低占比约束给出巡航速度比b和起飞重量W_to的取值范围M(W_to，b)；

步骤(3)：求解最优航程；求解航程的最大值即求解目标函数的最小值，寻找目标函数为凸函数的区间：

其中

在区间{(W_to，b)|(W_to，b)∈M∩N}内，利用梯度下降法求解目标函数的最小值minf₁；

在区间内，通过遗传算法计算最小值minf₂；

航程的最优值maxR为：

maxR＝-min{minf₁，minf₂}

并得到最优航程maxR对应的起飞重量和巡航速度比；

步骤(4)：设计结果分析；根据步骤(3)得到的最优航程对应的起飞重量和巡航速度比确定动力系统的设计结果：

电机重量：

W_EM＝AW_to^3/2 公式(11)

电池重量：

W_batt＝BW_to^3/2 公式(12)

其中，

发动机-发电机重量：

其中，

燃油重量：

W_fuel＝W_to-W_eo-W_batt-W_EM-W_HEG 公式(14)

巡航飞行速度：

动力系统设计结果包括电机重量W_EM、电池重量W_batt、发动机-发电机重量W_HEG、燃油重量W_fuel、巡航飞行速度V。