[发明专利]一种基于飞/发协同控制策略的综合能源系统评价方法

说明书

一种基于飞/发协同控制策略的综合能源系统评价方法，涉及先进航空动力综合能源系统。以具有多源能量提取方式的综合能源系统为研究对象，通过典型TBCC发动机飞/发层面的综合评价，实现综合能源系统的性能评估。包括步骤：1)参数初始化：2)建立飞行器动力学模型；3)建立组合发动机模型；4)建立综合能源系统模型；5)求解最优航迹。将不同能量提取方式对组合动力的性能影响量化分析，实现对具有多源能量提取方式的综合能源系统的综合评价。在一定的能量需求下结合实现最优航迹、最低燃油消耗的飞/发协调控制，以综合能源系统对组合动力装置性能影响作为评价指标所建立的评价方法，为未来综合能源管理系统设计方法提供参考价值。

技术领域

本发明涉及先进航空动力综合能源系统，尤其是涉及一种基于飞/发协同控制策略的综合能源系统评价方法。

背景技术

空天高超声速飞行器及组合动力技术的发展使宽速域飞行、长航时飞行成为可能，由此在长时间飞行过程中机载能量的提取、利用与管理变得尤为重要。由于存在着工作环境的特殊性以及质量惩罚等因素，高超声速飞行器难以携带足够的供电设备以满足所有机载设备的用电需求。因此，如何在有限条件下合理实现电能的自给自足是吸气式高超声速飞行器能源管理亟待解决的一大难点。

鉴于能源提取问题对于进行长航时、宽速域飞行任务的飞行器具有重要意义，美国、俄罗斯等发达国家陆续提出关于飞行器能量综合管理的概念，同时十分重视机载能量系统相关的技术研究，并取得了一定的成果。目前常见的相对成熟的能量提取方案主要有以下几种：一是通过发动机涡轮轴功提取；二是利用涡轮提取发动机进气/油气总焓；三是基于热电转换装置，对发动机壁面等进行气动热回收与利用；四是燃油冷利用，基于燃料裂解气进行涡轮发电(李昊炜,秦江,甘健洲,等.吸气式高超声速飞行器能量管理与利用技术现状综述[J].飞航导弹,2021(7):12-17)。

不同能量提取方案的转换效率及适用工作速域不同，因此针对应用于宽速域飞行的组合动力需要建立综合能源系统，以多源能量提取方式满足飞行器在不同速域能量需求。但上述能量提取方式均会对组合动力装置的燃油消耗量、涡轮动力压气机稳定裕度、冲压动力进气稳定裕度、燃烧稳定性等性能产生影响，并且对组合动力的影响程度与影响机理均不相同。因此，在一定能量需求下，为帮助组合动力装置实现更低的燃油消耗率，寻找一种合适的评价方法，将综合能源系统对组合动力装置的性能影响进行量化分析显得十分必要。

发明内容

本发明的目的旨在针对先进航空动力综合能源系统，提供一种基于飞/发协同控制策略的综合能源系统评价方法。以具有多源能量提取方式的综合能源系统为研究对象，通过典型TBCC发动机飞/发层面的综合评价，实现综合能源系统的性能评估。

本发明包括以下步骤：

1)参数初始化：设置目标需求功率及初始条件(飞行高度、马赫等)，结合组合发动机特点将飞行阶段划分分段点(Ma2、Ma5)，设置约束条件、控制量，并给出合理的初始参数范围。

2)建立飞行器动力学模型：考虑竖直平面爬升段的航迹特性影响，将飞行器视为垂直平面上运动的质点模型，按需求对飞行器的六自由度模型进行简化，建立各项状态参数的状态微分方程；

3)建立组合发动机模型：在一定的飞行工况下(马赫数Ma/高度H)下，建立典型TBCC发动机的动力学模型，最终以攻角变化率、TBCC油门杆作为控制量与飞行器动力模型结合使用；

4)建立综合能源系统模型：针对Ma0～7的飞行速域建立三种能量提取模式，以适用于不同工作速域；Ma0～2阶段(含Ma＝2)采用涡轮发动机高压轴提取轴功的发电模式；Ma2～5阶段(含Ma＝5)通过从进气道出口截面引出空气，驱动空气涡轮发电；Ma5～7阶段在进气道出口截面引出空气后经过发电燃烧室燃烧再驱动涡轮发电；