小型對(duì)流層飛艇動(dòng)力系統(tǒng)選型及性能匹配分析

李 翔，榮海春，吳 晴

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 浮空平臺(tái)部，合肥 230088)

0 引言

飛艇區(qū)別于其他飛行器的明顯特征是：飛艇是依賴輕于空氣的氣體所產(chǎn)生的浮力而升起的飛行器[1]。與傳統(tǒng)飛機(jī)、直升機(jī)相比，飛艇具有造價(jià)及運(yùn)營費(fèi)用低、噪聲污染小、可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)滯空停留、起降場(chǎng)地簡(jiǎn)單、覆蓋面廣闊的優(yōu)點(diǎn)，是理想的空中平臺(tái)，在軍事和民用領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用價(jià)值[2-3]。

動(dòng)力系統(tǒng)是飛艇平臺(tái)的重要系統(tǒng)之一，對(duì)于在對(duì)流層高度巡航飛行的飛艇平臺(tái)，航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)由于具有質(zhì)量輕、尺寸小、耗油率低、價(jià)格低廉等一系列優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用為功率輸出源；空氣螺旋槳作為推進(jìn)器，在工作過程中吸收活塞發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的軸功率，將其轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)飛艇前飛的拉力/推力，二者相組合構(gòu)成了對(duì)流層飛艇動(dòng)力系統(tǒng)的主要組成部分。考慮到飛艇平臺(tái)的性能好壞在很大程度上取決于其所配備的動(dòng)力系統(tǒng)性能優(yōu)劣，在滿足飛艇功率需求下所進(jìn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)選型及性能計(jì)算、動(dòng)力系統(tǒng)與飛艇平臺(tái)的性能匹配分析就顯得至關(guān)重要[4]。

1 動(dòng)力系統(tǒng)功率配置

飛艇需用推進(jìn)功率Pn取決于其設(shè)計(jì)飛行速度vd和對(duì)應(yīng)此速度下的飛行阻力Fd[1]：

Pn=Fdvd

(1)

其中飛艇阻力Fd與當(dāng)?shù)乜諝饷芏圈选w艇體積V、飛行速度vd及阻力系數(shù)Cd相關(guān)[1]：

(2)

由于飛艇體積巨大，飛行阻力較大，而且多采用軟式結(jié)構(gòu)，因此其設(shè)計(jì)飛行速度遠(yuǎn)低于固定翼飛機(jī)。較低的飛行速度、巨大的艇體體積以及附加慣性，使飛艇較易受到飛行環(huán)境(風(fēng)速、風(fēng)向)的影響。因此，若僅按需用推進(jìn)功率配置飛艇動(dòng)力，往往會(huì)導(dǎo)致在飛艇加速飛行和姿態(tài)調(diào)整的過程中，不能提供令人滿意的加速度和響應(yīng)，即沒有足夠的動(dòng)力余量用于完成加速或機(jī)動(dòng)飛行。這將在飛艇起飛加速和轉(zhuǎn)向調(diào)姿的過程中帶來嚴(yán)重的操控困難，極大影響飛艇的適航能力和任務(wù)執(zhí)行能力[5]。

通過查閱相關(guān)資料，搜集整理世界上主要飛艇型號(hào)的動(dòng)力系統(tǒng)配置情況，歸納得到如圖1所示的飛艇設(shè)計(jì)飛行速度與功率比的統(tǒng)計(jì)對(duì)比信息，統(tǒng)計(jì)中涵蓋了從不足1000 m3至100000 m3以上的約50種不同體積量級(jí)的對(duì)流層飛艇。圖中所列出的功率比定義為飛艇實(shí)際配置功率與對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)飛行速度下的需用推進(jìn)功率之間的比值。其中，需用推進(jìn)功率可按照式(1)、式(2)進(jìn)行計(jì)算。考慮到這里僅僅是對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)配置的一般慣例進(jìn)行初步的探討，因此根據(jù)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)計(jì)算結(jié)果，將各型飛艇所對(duì)應(yīng)的阻力系數(shù)統(tǒng)一取為較為保守的0.04。

根據(jù)上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果，對(duì)于設(shè)計(jì)飛行速度較高(大于30 m/s)的飛艇，一般按照需用推進(jìn)功率的2至3倍配置裝艇功率；對(duì)于設(shè)計(jì)飛行速度較低(小于20 m/s)的飛艇，考慮到低速飛行時(shí)推進(jìn)系統(tǒng)效率相對(duì)較低，在動(dòng)力系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)中需要預(yù)留較多的動(dòng)力余量，一般按照需用推進(jìn)功率的4至8倍配置功率；對(duì)于設(shè)計(jì)飛行速度介于20～30 m/s范圍內(nèi)的中速飛艇，一般按照需用推進(jìn)功率的2至6倍配置功率。

2 動(dòng)力系統(tǒng)選型實(shí)例

應(yīng)用上述功率配置準(zhǔn)則進(jìn)行某小型飛艇的動(dòng)力系統(tǒng)選型，相關(guān)過程如下：

某小型飛艇的體積為500 m3，巡航速度50 km/h，巡航高度2 km。巡航飛行狀態(tài)下，動(dòng)力系統(tǒng)需在滿足飛艇平臺(tái)推進(jìn)需求的同時(shí)還需驅(qū)動(dòng)艇載發(fā)電機(jī)，為艇載設(shè)備和任務(wù)載荷提供電力，設(shè)計(jì)狀態(tài)下所對(duì)應(yīng)的尖峰用電功耗為1.6 kW。

由式(2)計(jì)算得到，該飛艇巡航階段所對(duì)應(yīng)的飛行阻力約為245 N(阻力系數(shù)0.04)。需用推進(jìn)功率為3.4 kW。按照上述動(dòng)力系統(tǒng)功率配置準(zhǔn)則，考慮到該型飛艇設(shè)計(jì)飛行速度僅為50 km/h，動(dòng)力系統(tǒng)的功率比按照中間值6進(jìn)行配置。亦即，在2 km的巡航高度下，所需配置的用于推進(jìn)的功率應(yīng)為20.4 kW；按巡航階段系統(tǒng)用電功耗1.6 kW計(jì)算，考慮到三相交流永磁發(fā)電機(jī)的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，可將軸功率到電功率的轉(zhuǎn)換效率近似取為0.7，則艇載發(fā)電機(jī)由發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸上提取的軸功率為2.3 kW。綜合分析之后得出結(jié)論：對(duì)應(yīng)2 km巡航高度，動(dòng)力系統(tǒng)所需提供的功率應(yīng)能同時(shí)覆蓋推進(jìn)需求和用電需求，亦即應(yīng)不小于22.7 kW。

對(duì)于沒有配備渦輪增壓器的活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，其輸出功率會(huì)隨飛行高度的增加而有所下降，并存在以下關(guān)系[6]：

(3)

式中，N為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率，單位kW，P為環(huán)境壓力，單位Pa，T為環(huán)境溫度，單位K，下標(biāo)O和H分別對(duì)應(yīng)地面工作狀態(tài)和海拔高度為H時(shí)的工作狀態(tài)。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得到，2 km處的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率僅為地面狀態(tài)下的0.781倍，則該型飛艇動(dòng)力系統(tǒng)的實(shí)際配置功率應(yīng)不小于29.1 kW。

鑒于以上分析，將該飛艇動(dòng)力系統(tǒng)配置為2臺(tái)LimbachDL275E二沖程航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率約為16 kW，動(dòng)力系統(tǒng)裝艇總功率32 kW。

在根據(jù)飛艇平臺(tái)功率需求完成發(fā)動(dòng)機(jī)選型之后，根據(jù)飛艇艇載推進(jìn)器“大槳徑、小槳距”的選型準(zhǔn)則[7-9]，綜合考慮后將艇載推進(jìn)器確定為34×12(英寸)的固定槳距兩葉拉力螺旋槳。

3 動(dòng)力系統(tǒng)性能計(jì)算

3.1 螺旋槳特性

所選定的34英寸直徑、12英寸螺距的螺旋槳特性曲線如圖2所示，相關(guān)的螺旋槳性能參數(shù)根據(jù)本單位開發(fā)的基于葉素理論的仿真軟件計(jì)算得到。

圖2 螺旋槳特性曲線

螺旋槳拉力系數(shù)和功率系數(shù)的定義如下[10]：

(4)

(5)

式中，T為螺旋槳拉力，單位N，P為螺旋槳所吸收的功率，單位W，ns為螺旋槳每秒鐘所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)數(shù)，D為螺旋槳直徑，單位m。

圖3 螺旋槳拉力-空速特性

圖4 螺旋槳扭矩-空速特性

圖3、圖4分別為對(duì)應(yīng)2 km巡航高度下的螺旋槳拉力-空速特性和螺旋槳扭矩-空速特性。圖5為2 km巡航高度下，對(duì)應(yīng)不同飛行速度的螺旋槳扭矩-轉(zhuǎn)速特性。圖中所列出的計(jì)算結(jié)果均對(duì)應(yīng)為理想狀態(tài)下的螺旋槳輸出拉力值和需用扭矩值，其中未考慮任何裝機(jī)損失。

圖5 螺旋槳扭矩-轉(zhuǎn)速特性

根據(jù)上述計(jì)算，可以得出如下結(jié)論：

(1)螺旋槳拉力與其轉(zhuǎn)速成正比；在轉(zhuǎn)速相同的工作條件下，拉力隨飛艇飛行速度的增加而有所降低。

(2)螺旋槳旋轉(zhuǎn)阻力矩與其轉(zhuǎn)速成正比；在轉(zhuǎn)速相同的工作條件下，旋轉(zhuǎn)阻力矩隨飛艇飛行速度的增加而有所降低。

(3)對(duì)于給定的飛行速度和螺旋槳轉(zhuǎn)速，可以對(duì)應(yīng)唯一的螺旋槳拉力和螺旋槳旋轉(zhuǎn)阻力矩。飛艇飛行速度較低時(shí)，隨轉(zhuǎn)速增加，螺旋槳旋轉(zhuǎn)阻力矩趨于一致；飛艇飛行速度較高時(shí)，螺旋槳旋轉(zhuǎn)阻力矩與轉(zhuǎn)速基本呈線性關(guān)系。相同轉(zhuǎn)速條件下，飛艇飛行速度越大，螺旋槳旋轉(zhuǎn)阻力矩越小。

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)輸出特性

對(duì)于沒有采用渦輪增壓技術(shù)的活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，高空狀態(tài)下的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率可根據(jù)式(3)計(jì)算得到。相對(duì)應(yīng)地，當(dāng)?shù)馗叨葼顟B(tài)下的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩可根據(jù)計(jì)算得到的功率值代入式(6)計(jì)算得到。

(6)

式中，T為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩，單位為N·m，P為發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)?shù)毓β?，單位為kW，n為轉(zhuǎn)速，單位rpm。

對(duì)應(yīng)2 km巡航高度下，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率-轉(zhuǎn)速特性和輸出扭矩-轉(zhuǎn)速特性隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系如圖6、圖7所示。圖中同時(shí)給出了地面狀態(tài)下所對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出特性，二者均對(duì)應(yīng)進(jìn)氣壓力最大(發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)風(fēng)門全開)的工作狀態(tài)。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)功率-轉(zhuǎn)速特性

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩-轉(zhuǎn)速特性

4 動(dòng)力系統(tǒng)與飛艇平臺(tái)性能匹配分析

4.1 性能匹配準(zhǔn)則

圖8為對(duì)應(yīng)2 km巡航高度下飛艇拉力-空速特性，包含飛艇平臺(tái)需用拉力(與飛行阻力相等)隨飛行速度的變化關(guān)系和單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)所需提供的拉力隨飛行速度的變化關(guān)系。因飛艇平臺(tái)采用雙發(fā)拉進(jìn)的動(dòng)力系統(tǒng)配置方案，單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)所需提供的拉力為飛艇在對(duì)應(yīng)空速下需用拉力的1/2。

圖8 飛艇拉力-空速特性

將2 km巡航高度下的單發(fā)需用拉力曲線與對(duì)應(yīng)該巡航高度下的螺旋槳拉力-空速曲線(圖3)進(jìn)行比對(duì)，兩族曲線的交點(diǎn)即為飛艇需用拉力與動(dòng)力系統(tǒng)輸出拉力相等的勻速飛行狀態(tài)點(diǎn)。在確定飛艇飛行速度之后，通過對(duì)兩族曲線的交點(diǎn)進(jìn)行分析，可以得到螺旋槳為滿足飛艇推進(jìn)需求所需具備的轉(zhuǎn)速，即為螺旋槳目標(biāo)工作轉(zhuǎn)速。螺旋槳目標(biāo)工作轉(zhuǎn)速與飛艇飛行速度一一對(duì)應(yīng)。

根據(jù)2 km巡航高度下的螺旋槳扭矩-轉(zhuǎn)速曲線(圖5)，可以得到螺旋槳對(duì)應(yīng)目標(biāo)工作轉(zhuǎn)速下的旋轉(zhuǎn)阻力矩M1?？紤]到動(dòng)力系統(tǒng)采用了螺旋槳直驅(qū)的結(jié)構(gòu)形式，螺旋槳轉(zhuǎn)速應(yīng)與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相等。根據(jù)2 km巡航高度下的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩曲線(圖7)，可以得到發(fā)動(dòng)機(jī)在節(jié)風(fēng)門全開的狀態(tài)下，以該目標(biāo)工作轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所能輸出的最大扭矩值M2。對(duì)兩個(gè)扭矩值進(jìn)行比對(duì)，若M2>M1，即可判定動(dòng)力系統(tǒng)滿足飛艇平臺(tái)以對(duì)應(yīng)速度巡航飛行時(shí)的推進(jìn)需求；(M2-M1)即為在滿足推進(jìn)需求前提下的發(fā)動(dòng)機(jī)剩余扭矩，將其值帶入式(6)，可反算得到對(duì)應(yīng)該工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)可提供給艇載發(fā)電機(jī)的最大軸功率，若考慮發(fā)電效率之后仍可覆蓋艇上設(shè)備及任務(wù)載荷用電需求，即可判定動(dòng)力系統(tǒng)與飛艇平臺(tái)匹配良好，動(dòng)力系統(tǒng)可同時(shí)滿足飛艇平臺(tái)推進(jìn)需求和設(shè)備用電需求。

4.2 性能匹配分析

根據(jù)上述匹配準(zhǔn)則，在螺旋槳拉力-空速特性曲線(圖3)的基礎(chǔ)上引入單發(fā)需用拉力隨飛艇平臺(tái)飛行速度的變化曲線，得到螺旋槳與飛艇平臺(tái)之間的驅(qū)動(dòng)力平衡曲線，如圖9所示。其中，螺旋槳拉力值在前述理論計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上考慮了15%的裝機(jī)損失。

圖9 驅(qū)動(dòng)力平衡曲線

由圖9中可以看出，飛艇平臺(tái)以50 km/h的速度巡航飛行時(shí)，近似匹配于螺旋槳轉(zhuǎn)速4500 rpm的工作狀態(tài)。4500 rpm即為飛艇平臺(tái)以50 km/h的速度巡航飛行時(shí)所對(duì)應(yīng)的螺旋槳目標(biāo)工作轉(zhuǎn)速。

在螺旋槳扭矩-轉(zhuǎn)速曲線(圖5)的基礎(chǔ)上引入2 km巡航高度下的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩曲線，得到發(fā)動(dòng)機(jī)與螺旋槳之間的驅(qū)動(dòng)力矩平衡曲線，如圖10所示。

圖10 驅(qū)動(dòng)力矩平衡曲線

由圖10中可以看出，對(duì)應(yīng)于50 km/h的巡航速度，螺旋槳在4500 rpm目標(biāo)轉(zhuǎn)速下的旋轉(zhuǎn)阻力矩約為7.5 N·m。根據(jù)飛艇平臺(tái)總體設(shè)計(jì)需求，巡航階段艇載設(shè)備及任務(wù)載荷用電功耗尖峰值為1.6 kW，考慮到軸功率到電功率的轉(zhuǎn)換效率0.7，則艇載發(fā)電機(jī)由發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸上提取的功率最大應(yīng)為2.3 kW，所對(duì)應(yīng)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)阻力矩可根據(jù)式(6)進(jìn)行計(jì)算。代入數(shù)據(jù)計(jì)算，可以得到艇載發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)阻力矩最大值為4.9 N·m。綜合考慮之后可以得到：在同時(shí)滿足飛艇平臺(tái)推進(jìn)需求和設(shè)備用電需求的條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸所需輸出的扭矩應(yīng)為螺旋槳旋轉(zhuǎn)阻力矩和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)阻力矩之和，即為12.4 N·m。

因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)與螺旋槳之間的連接采用了直驅(qū)的結(jié)構(gòu)形式，螺旋槳目標(biāo)轉(zhuǎn)速即為該工況下所對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩-轉(zhuǎn)速特性曲線(圖7)可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)在以4500 rpm的目標(biāo)工作轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，所能輸出的最大扭矩值(對(duì)應(yīng)節(jié)風(fēng)門全開的狀態(tài))約為17.5 N·m，大于上文中所述12.4 N·m的目標(biāo)值。亦即，發(fā)動(dòng)機(jī)可同時(shí)覆蓋飛艇平臺(tái)動(dòng)力推進(jìn)需求和設(shè)備用電需求，即可判定動(dòng)力系統(tǒng)與飛艇平臺(tái)匹配良好。在實(shí)際飛行過程中，通過對(duì)節(jié)風(fēng)門開度進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以使得發(fā)動(dòng)機(jī)在某個(gè)確定的節(jié)風(fēng)門開度下，以4500 rpm目標(biāo)轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)所輸出的扭矩等于螺旋槳旋轉(zhuǎn)阻力矩與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)阻力矩之和，使得螺旋槳轉(zhuǎn)速保持恒定(即為目標(biāo)轉(zhuǎn)速)。此時(shí)，螺旋槳拉力與飛艇阻力相等，艇載發(fā)電機(jī)輸出功率滿足用電需求，飛艇平臺(tái)進(jìn)入準(zhǔn)靜態(tài)勻速飛行狀態(tài)。

5 結(jié)語

(1)綜合考慮動(dòng)力系統(tǒng)推進(jìn)效率和余量?jī)?chǔ)備等因素，對(duì)于低速飛艇(設(shè)計(jì)飛行速度小于20 m/s)，應(yīng)按需用推進(jìn)功率的4至8倍配置動(dòng)力推進(jìn)功率；對(duì)于高速飛艇(設(shè)計(jì)飛行速度大于30 m/s)，應(yīng)按需用推進(jìn)功率的2至3倍配置動(dòng)力推進(jìn)功率；對(duì)于設(shè)計(jì)飛行速度介于20～30 m/s范圍內(nèi)的中速飛艇，應(yīng)按照需用推進(jìn)功率的2至6倍配置動(dòng)力推進(jìn)功率。對(duì)于飛艇平臺(tái)從動(dòng)力系統(tǒng)中取用的發(fā)電能耗或充氣所用能耗，應(yīng)在動(dòng)力推進(jìn)功率之外予以考慮。

(2)飛艇作為低速飛行器的典型代表，其動(dòng)力系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)、螺旋槳及其他附屬設(shè)備組成。本文以某飛艇的方案設(shè)計(jì)為例，對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)功率配置及發(fā)動(dòng)機(jī)的初步選型方法進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。

(3)動(dòng)力系統(tǒng)與飛艇平臺(tái)的性能匹配是飛艇設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵內(nèi)容。本文所介紹的方法將動(dòng)力系統(tǒng)與飛艇平臺(tái)的性能匹配解耦處理為螺旋槳與飛艇平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)力平衡和發(fā)動(dòng)機(jī)與螺旋槳的驅(qū)動(dòng)力矩平衡，二者統(tǒng)一于需用螺旋槳轉(zhuǎn)速這一重要參數(shù)。在通過計(jì)算分別得到對(duì)應(yīng)目標(biāo)飛行高度及飛行速度下的飛艇阻力特性、發(fā)動(dòng)機(jī)輸出特性和螺旋槳性能之后，可將螺旋槳拉力與飛艇阻力平衡和螺旋槳需用扭矩與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩平衡作為動(dòng)力系統(tǒng)與飛艇平臺(tái)性能匹配與否的判據(jù)。上述方法為動(dòng)力系統(tǒng)與飛艇平臺(tái)的匹配分析乃至飛艇平臺(tái)的飛行性能預(yù)測(cè)提供了解決方案和有效手段。