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「荟聚军事」基于模型的涡喷发动机耗油量计算


「荟聚军事」基于模型的涡喷发动机耗油量计算
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本文介绍了无人机发动机推力数学模型和耗油率数学模型 ， 通过在无人机的全数字仿真软件中对发动机模型进行实时解算 ， 得到实时推力数据 ， 在对耗油率进行解算 ， 得到实时的油耗数据 。 通过对各个时刻油耗数据的积分 ， 最终可以实现无人机全数字仿真系统中飞完全程消耗的油量 。 文中对所采用的三维插值算法进行了原理分析 ， 通过原理分析可以进行插值算法编程实现 。 文中对无人机全数字仿真软件进行了介绍 ， 给出了仿真界面 ， 并通过模拟航路进行航程仿真 ， 最终计算得出无人机剩余燃油量 ， 证明无人机发动机耗油量计算方法真实可行 。
无人机在研制阶段 ， 对发动机的性能摸底并不十分清楚 。 无人机的飞行过程是高动态的过程 ， 发动机工作状态也不一样 ， 耗油量也不一样 。 因此设计好初步航路以后 ， 需要对耗油量进行仿真和计算 ， 初步判断设计的载油量能否满足航程的需要 ， 只有当无人机最终仍留有余量 ， 方可保证飞行的安全 。 耗油量计算的关键为建立发动机的推力一高度一速度一耗油率模型 ， 根据厂家提供的数据 ， 可建立参考的数学模型 ， 并在后续的试验中进行修正 。
本文研究小型涡轮喷气式发动机 ， 通过三维线性插值方法 ， 建立发动机的数学模型 ， 将数学模型输入到无人机的全数字仿真模型 ， 对无人机仿真模型建立导航回路 ， 并设计每个航段对无人机速度的需求和油门开度的变化 。 由于无人机飞行过程中推力时刻都会发生变化 ， 因此在仿真过程中对无人机实时耗油率数据进行积分 ， 可以近似得出飞完全部航路所消耗的油量 ， 进而得出剩余油量 ， 和分析出无人机能否完成航路飞行任务 。
发动机耗油数学模型
发动机推力模型 ， 给出发动机工作在大车状态时的推力数据曲线和耗油率曲线 。 由于发动机还有大巡航、小巡航、慢车等工作状态 ， 也有无极变速模式 ， 因此需要对发动机的推力曲线和耗油率曲线进行三维插值算法以计算出在不同的高度、马赫数、油门状态下的准确数值 ， 方便后续在全模型仿真中可以得到准确的耗油量数据 。 如图1和图2给出所属发动机的推力曲线和耗油率曲线 。 根据曲线进行插值算法 ， 可得到连续状态下的发动机推力和耗油量 。 插值算法
给定数据均为离散点 ， 需要得出所有状态的数据 ， 需要用到插值算法 。 常用的插值算法比较多 ， 如拉格朗日1次插值、2次插值、n次插值或者牛顿插值 ， 埃尔米特插值等 ， 算法比较复杂 ， 精度也比较高 。 但是此处 ， 由于不需要特别高的精确度 ， 同时为了减小算法复杂度 ， 采用实现起来较为简单的三维线性插值算法 。 认为采样点被包含在插值范围内部 ， 即总有一个空间块包含着采样点 ， 最恶劣的情况就是采样点位于边界上 。 采样点位于插值区间内的情况如图3所示 。
假设发动机推力是无人机当前高度、Ma数和转速的函数 ， 对仿真当前的高度、Ma数和转速进行插值 ， 即可得到无人机发动机当前的推力值 。


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