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「荟聚军事」基于模型的涡喷发动机耗油量计算( 二 )


将得到的推力值再对耗油率曲线进行插值 ， 即可最终得到当前时刻的耗油率的值 。
无人机仿真软件实现
由于无人机不是独立存在的 ， 它的工作狀态时时受到飞机工作状态的影响 ， 例如飞机需要爬升 ， 则发动机需要大油门 ， 以提供大推力 ， 保证飞机势能上升的同时 ， 动能 ， 也就是速度不会大幅度的下降 。
通过vc++2010对无人机系统进行仿真和人机交互 ， 采用定时器不停的采样无人机的工作状态 ， 无人机动力学和运动学模型 ， 采用美式坐标系 ， 采用龙格库塔四阶算法进行12阶非线性微分方程解算 ， 采用离散系统pid控制算法对无人机仿真航路进行管理和仿真 ， 采用CtrIChart进行仿真界面曲线的绘制 。 全数字仿真系统软件模块流程图见图4 。 仿真起飞开始的30s采用程序控制爬高 ， 30s后自动切入自主飞行模式 。 后续可以继续采用全程自主模式或人工引导模式 ， 飞行过程中这两种模式可以相互切换 ， 仿真界面见图5 。
通过设置飞机在爬升、平飞、下滑等状态下的发动机油门状态 ， 飞机将有不同的耗油率 ， 此耗油率通过上面介绍的三维插值算法对高度、油门大小、飞机飞行Ma数等插值得到 。
发动机耗油量的计算
利用三维插值算法 ， 可以在计算机仿真中得到实时的基于高度、Ma数、油门大小的推力值和耗油率值 。 根据插值算法 ， 在vc++2010软件中可以编制插值函数 ， 将无人机的高度、Ma数、油门百分比作为变量指针传给插值函数 ， 函数实时输出当前的发动机推力值和耗油率值 。 根据实时耗油率值进行积分 ， 便可得到当前消耗掉的燃油量 。 最后 ， 还要把耗油量计算嵌入到无人机全数字仿真软件中 ， 才会实时显示出无人机飞行中当前剩余的燃油量 。
仿真结果
为了验证所采用的方法是否可行 ， 在无人机全数字仿真中加入了发动机耗油量计算的部分 ， 设置了典型航路进行仿真 。 按照航路设计内容 ， 无人机在起飞爬升段采用最大推力 ， 在高度大于300m以后进入自主飞行段 ， 自主飞行段的发动机油门控制为自动控制 ， 其中平飞段油门为60% ， 爬升段油门为87% ， 下滑段油门为44% ， 转弯段油门设计为87% 。 对油量的要求为飞完全部航程无人机剩余油量不小于总油量的10% ， 以便应对飞行中可能出现的特殊状况 。
航路中共设置了5个转弯段 ， 一个爬升段 ， 一个下滑段 ， 为保证燃油经济性 ， 其余航路均为平飞段航路 ， 在接近航路终点3公里处将发动机停车 ， 无人机滑行前进 ， 同时减速飞行 ， 到回收点上空时开伞回收 。
仿真结果如图5所示 。
通过仿真可以看出 ， 仿真软件计算出实时耗油率 ， 并将剩余油量显示在界面上 ， 通过仿真 ， 就可以初步判断航路设计的可行性 ， 避免航程过大导致燃油烧干的结果 ， 做到心中有数 。
如图5所示 ， 航路全程180km ， 载油量80kg ， 从航点1至航点2 ， 无人机爬升至高度3000m ， 过了航点6以后 ， 无人机逐渐下滑至高度300m ， 在接近回收点3km处进入回收流程 。 通过仿真 ， 截止回收点时刻 ， 无人机飞完当前设计的航路后剩余油量为20kg ， 符合剩余油量大于10%的要求 ， 认为航路可以实现 。
结论
无人机的航程是非常重要的一个总体系统参数 ， 与其密切相关的就是系统的载油量 。 根据载油量可以初步确定航程 ， 根据待飞航程 ， 也可以反过来提出载油量的需求 。 对已经规划好的航路 ， 进行理论的航线飞行 ， 对载油量是否充足进行验证 ， 是一个比较可行的方案 。 本文针对无人机设计阶段对发动机性能摸底不透的现状 ， 结合所做的无人机全数字仿真平台 ， 对发动机各项技术参数进行三维线性插值计算 ， 得到数字仿真中实时的耗油量 ， 并对其进行积分运算 ， 最终解算得到无人机飞完设计的航路能够剩余的燃油量 。 结果可以做为外场试验对航路的前期理论验证 ， 可以有效避免无人机飞行中将燃油耗尽而坠入海中的风险 ， 提高飞行安全性 。


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