[發明專利]一種分布式電推進無人機的推力實時測試系統及方法

在審

• 申請號: 202110657752.5
• 申請日: 2021-06-14
• 公開（公告）號: CN113405712A
• 公開（公告）日: 2021-09-17
• 發明（設計）人: 雷濤;張星雨;王彥博;閔志豪;金賢球;張曉斌
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G01L5/00
• 分類號: G01L5/00
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 金鳳

本發明公開了一種分布式電推進無人機的推力實時測試系統及方法，包括電推進器地面測試系統和機載電信號實時采集系統；首先設計電推進器地面測試系統的地面實驗臺，通過進行地面測試獲取推力曲線，再通過曲線擬合獲得所測推進器的力效函數關系；然后設計機載電信號實時采集系統，對每個推進單元的電參數進行實時的采集；最后設計實時推力估算方法，用所采集到的數據對無人機飛行時各個推進器所產生的實時推力進行估算。本發明的實時推力測試系統及估算方法具有較高的測試精度，能夠在地面站實時獲得分布式電推進無人機各個推進單元的實時推力數據。

技術領域

本發明屬于無人機技術領域，具體涉及一種無人機的推力實時測試系統及方法。

背景技術

隨著空中交通的快速發展，航空貨運、城市通航等航空運輸業帶來的環境問題也亟待解決，人們正努力尋找替代傳統化石燃料的解決方案。美國和歐盟也紛紛對下一代商用飛機在燃料消耗，噪聲控制污染物排放等方面提出了新的要求，并制定了發展目標。在多/全電飛機技術發展的基礎上，電推進技術成為飛機動力系統電氣化的重要發展方向，有望進一步提高飛機動力系統的飛行氣動效率和燃料經濟性，以及減少噪聲和污染物的排放。

相較于傳統的集中式推進方式，分布式電推進將集中式的單個大功率發動機或電機系統分解為總功率相同的數個小功率電機分布式推進系統后，整個動力系統的功率密度和效率基本不變，這種方式能夠有效地提升推進系統的涵道比，同時系統的能量管理控制更為靈活、容錯性能更好，能夠有效提升動力裝置性能，改善燃油消耗率。此外分布式推進系統的各個涵道風扇能夠更為方便地融入機身，使得飛機的氣動效率更高。考慮到分布式電推進飛機在飛行過程中完成飛行姿態變化需要通過分布在機身不同位置的推進器產生不同的推力來完成，因此在飛行過程中推進器產生推力的實時測試技術就顯得非常重要。目前在航空領域國際上對推力測試的方法主要有以下幾種：

車載測試平臺測試方法：將涵道風扇和調速器等電推進系統的組件安裝在車載移動測試平臺上，移動的車載測試平臺可以模擬氣流特性。同時電推進系統的測試裝置采用高頻數據采集系統以及傳感器來完成對推力的測試工作。這種方法雖然能夠替代風洞實驗，但是無法得到飛行過程中的實時推力數據。

使用鉸鏈或是線性軸承和應變測力傳感器的推力測試方法：將推進單元安裝在第一塊板子上，第二塊板子則安裝在機身上。通過鉸鏈與第二塊板子的底部相連，并在兩塊板子的上沿安裝應變測力傳感器，以測量鉸鏈的力矩，從而測量推進單元產生的推力。這種方法可以實時測試推力，但鉸鏈的感應力矩會使測量結果出現一定誤差。將鉸鏈用線性軸承替代則可以解決感應力矩帶來的問題，但仍然存在軸承中摩擦力、測力傳感器的線性度與準確性對測量結果的影響。

對噴管矢量推力的測試：主要是在風洞試驗中對噴管的推力特性進行測試研究，其目的主要是測量出噴管的推力大小和推力偏轉角度。利用嵌入噴流模擬器內的噴管天平開展了噴流推力特性測量的技術方法研究。采用空氣橋技術設計了專用的天平校準架，結合外置校準天平，提出了組合式的噴管天平推力修正方法。但此種方法對于涵道風扇作為推進單元的推進系統不適用。

還有一種導向平臺側推力裝置：通過在測試平臺上設置導向結構，使安裝在導向結構上的涵道風扇可以沿導向結構自由移動在測試平臺上一端設置測力裝置，將涵道風扇與測力裝置通過連接件連載，在涵道風扇移動時測力裝置即可測出當前的推力。但這種測力平臺無法在飛機實際飛行時進行實時的推力測量。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明提供了一種分布式電推進無人機的推力實時測試系統及方法，包括電推進器地面測試系統和機載電信號實時采集系統；首先設計電推進器地面測試系統的地面實驗臺，通過進行地面測試獲取推力曲線，再通過曲線擬合獲得所測推進器的力效函數關系；然后設計機載電信號實時采集系統，對每個推進單元的電參數進行實時的采集；最后設計實時推力估算方法，用所采集到的數據對無人機飛行時各個推進器所產生的實時推力進行估算。本發明的實時推力測試系統及估算方法具有較高的測試精度，能夠在地面站實時獲得分布式電推進無人機各個推進單元的實時推力數據。