[发明专利]一种无人机久航飞行参数确定方法

摘要

本发明公开一种无人机久航飞行参数确定方法，从实际使用角度出发，以寻找飞机最小平飞需用功率对应的发动机最小耗油量为目标，在飞机、螺旋桨以及发动机的工作点互相匹配的前提下使耗油量最小，达到了增加无人机的航时的目的。本发明原理简单，便于工程应用。

主权项

1、一种无人机久航飞行参数确定方法通过以下四步实现：步骤一：确定飞机最小平飞需用功率Pxy·min；飞机的极曲线一般为：Cx＝Cx0+Cx1Cy+Cx2Cy2 (1)其中Cy为升力系数，Cx为阻力系数，Cx0、Cx1、Cx2为方程系数，可由吹风试验得到；假设飞机重量为G，飞行高度为H，根据简单推力法：$\left\{\begin{array}{c}G=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρV}}^2{\mathrm{SC}}_y\\ T=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρV}}^2{\mathrm{SC}}_x\end{array}\right.---\left(2\right)$式中，S为机翼面积、，ρ空气密度；由公式(2)得到飞机平飞所需用的功率Pxy：$P_{\mathrm{xy}}=T\·V=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρV}}^3{\mathrm{SC}}_x---\left(3\right)$对公式(3)求导，并令一阶导数为零，即：$\frac{{\mathrm{dP}}_{\mathrm{xy}}}{d{C}_y}=\frac{{\mathrm{dP}}_{\mathrm{xy}}}{\mathrm{dV}}\frac{\mathrm{dV}}{{\mathrm{dC}}_y}=0---\left(4\right)$即可得到给定高度H下飞机最小平飞需用功率P*对应的Cy*；根据公式(2)可以求出对应的速度V*；处于飞行安全考虑，一般对各个飞行高度的飞行速度V范围都进行了限定，假设此速度范围为[Vmin，Vmax]；如果V*∈[Vmin，Vmax]，则取飞行速度V＝V*；如果V*≤Vmin，则取飞行速度V＝Vmin；如果V*≥Vmax，则取飞行速度V＝Vmax；通过(2)、(3)式求出V对应的功率P，则Pxygmin＝P；步骤二：确定发动机功率P；选取一组发动机节风门位置TP＝[TP1L TPiL TPr]和一组转速值n＝[n1L njL ns]，根据发动机特性曲线P＝f2(H，TP，n)、q＝f3(H，TP，n)，求出每一个节风门TPi(i＝1，2，…，r)对应的所有转速下的发动机功率P和耗油量q：$P=\left[\begin{array}{ccc}{P}_{11}L& P_{1j}L& P_{1s}\\ P_{i1}L& P_{\mathrm{ij}}L& P_{\mathrm{is}}\\ P_{r1}L& P_{\mathrm{rj}}L& P_{\mathrm{rs}}\end{array}\right]---\left(5\right)$$q=\left[\begin{array}{ccc}{q}_{11}L& q_{1j}L& q_{1s}\\ q_{i1}L& q_{\mathrm{ij}}L& q_{\mathrm{is}}\\ q_{r1}L& q_{\mathrm{rj}}L& q_{\mathrm{rs}}\end{array}\right]---\left(6\right)$步骤三：确定螺旋桨效率η与桨距角θ；根据步骤一中确定的飞行速度V和步骤二选取的转速n以及发动机输出功率P，可求出所有节风门TPi对应的每一个转速nj下的前进比λ和功率系数Cp，由螺旋桨特性曲线η＝f1(Cp，λ，θ)，可插值求出对应的螺旋桨桨距角θ和螺旋桨效率η：$\mathrm{\θ}=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{\θ}}_{11}L& {\mathrm{\θ}}_{1j}L& {\mathrm{\θ}}_{1s}\\ {\mathrm{\θ}}_{i1}L& {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}}L& {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{is}}\\ {\mathrm{\θ}}_{r1}L& {\mathrm{\η}}_{\mathrm{rj}}L& {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{rs}}\end{array}\right]---\left(7\right)$$\mathrm{\η}=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{\η}}_{11}L& {\mathrm{\η}}_{1j}L& {\mathrm{\η}}_{1s}\\ {\mathrm{\η}}_{i1}L& {\mathrm{\η}}_{\mathrm{ij}}L& {\mathrm{\η}}_{\mathrm{is}}\\ {\mathrm{\η}}_{r1}L& {\mathrm{\η}}_{\mathrm{rj}}L& {\mathrm{\η}}_{\mathrm{rs}}\end{array}\right]---\left(8\right)$步骤四：确定最小耗油量qxh·min；根据步骤三求出的螺旋桨效率η，计算所有节风门TPi对应的每一个转速下的发动机可用功率$P_{\mathrm{ky}}=\left[\begin{array}{ccc}{P}_{\mathrm{ky}\·11}L& P_{\mathrm{ky}\·1j}L& P_{\mathrm{ky}\·1s}\\ P_{\mathrm{ky}\·i1}L& P_{\mathrm{ky}\·\mathrm{ij}}L& P_{\mathrm{ky}\·\mathrm{is}}\\ P_{\mathrm{ky}\·r1}L& P_{\mathrm{ky}\·\mathrm{rj}}L& P_{\mathrm{ky}\·\mathrm{rs}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{P}_{11}{\mathrm{\η}}_{11}L& P_{1j}{\mathrm{\η}}_{1j}L& P_{1s}{\mathrm{\η}}_{1s}\\ P_{i1}{\mathrm{\η}}_{i1}L& P_{\mathrm{ij}}{\mathrm{\η}}_{\mathrm{ij}}L& P_{\mathrm{is}}{\mathrm{\η}}_{\mathrm{is}}\\ P_{r1}{\mathrm{\η}}_{r1}L& P_{\mathrm{rj}}{\mathrm{\η}}_{\mathrm{rj}}L& P_{\mathrm{rs}}{\mathrm{\η}}_{\mathrm{rs}}\end{array}\right]---\left(9\right)$根据飞机最小平飞需用功率Pxy·min插值求出Pxy·min在每一个转速nj时，发动机发出Pxy·min对应的节风门[TP1L TPjL TPs]，再由[TP1L TPjL TPs]以及η、θ、q插值求出螺旋桨效率[η1L ηjL ηs]、螺旋桨桨距[θ1L θjL θs]、耗油量[q1L qjL qs]，取qxh·min＝min[q1L qjL qs]，则对应的飞行参数TP、θ、n即是最省油状态下的飞行参数；假设经过时间Δt，飞机重量变为G′＝G-ΔG＝G-q·Δt，令G＝G′，重复步骤一到步骤四，就可以确定出下一重量G和高度H时的飞行参数，即可确定整个飞行过程中的飞行参数。