[發明專利]一種基于葉片單元動量理論的螺旋槳建模方法

在審

• 申請號: 202210462273.2
• 申請日: 2022-04-28
• 公開（公告）號: CN114818336A
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發明（設計）人: 樊偉;孫忠湖;江玲玲;何雙亮;葛文慶;毛玲陽;王新華
• 申請（專利權）人: 四川泛華航空儀表電器有限公司
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F30/28;G06F30/15;G06F111/10;G06F119/14
• 代理公司: 成都君合集專利代理事務所(普通合伙) 51228
• 代理人: 張鳴潔

本發明涉及飛機螺旋槳建模技術領域，公開了一種基于葉片單元動量理論的螺旋槳建模方法，包括以下步驟：步驟S1：通過葉片單元動量理論推導葉片單元的推力及力矩公式，然后利用迭代法更新葉片單元推力及力矩公式里的進氣比a和渦流系數b的數值，根據更新后的進氣比a和渦流系數b的數值計算坐式垂直起降飛機的飛機速度V對應的螺旋槳推力T和力矩Q；步驟S2：根據多項式擬合方法獲取螺旋槳推力T以及飛機速度V的螺旋槳推力表達式F_p；步驟S3：將螺旋槳推力公式帶入到牛頓歐拉公式中，得到螺旋槳的運動模型方程；步驟S4：根據線性二次調節控制器對螺旋槳的運動模型進行控制，實現坐式垂直起降飛機模態轉換的控制目標。

技術領域

本發明涉及飛機螺旋槳建模技術領域，具體地說，是一種基于葉片單元動量理論的螺旋槳建模方法。

背景技術

坐式垂直起降(VTOL)飛機由于其靈活性和經濟性，其設計和制造受到了市場的廣泛關注。垂直起降是指能夠垂直起飛和降落，它不僅具有與常規飛機相同的速度、航程、續航能力和裝載能力，還具有跑道靈活性、高機動性和高穩定性的優點。坐式垂直起降飛機的建模和控制主要包括幾個部分的內容，螺旋槳、尾旋翼、機身、機翼及重力作用。

在計算螺旋槳推力時，廣泛采用渦格法(VLM)、動量理論、葉片單元理論和葉片單元動量理論。動量理論從流體動量守恒的角度建立了螺旋槳或渦輪模型，然而，動量理論在渦環狀態(VRS)、湍流尾跡狀態(TWS)、風車制動狀態(WBS)分析中并不能得到理想的結果。此外，對于給定跨距位置的微分螺旋槳推力和扭矩，動量理論沒有足夠的方程進行求解。葉片單元理論將葉片切割成小塊，通過升力和阻力分解進行受力分析，但是葉片單元理論沒有考慮誘導速度。

因此，本申請后提出了一種基于葉片單元動量理論的螺旋槳建模方法，葉片單元動量理論結合了動量理論和葉片單元理論二者的優點，克服了各自的缺點。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于葉片單元動量理論的螺旋槳建模方法，具有使飛機在X軸、Y軸及Z軸的角速度和角度在6s內達到穩定，且穩態誤差為0的效果。

本發明通過下述技術方案實現：一種基于葉片單元動量理論的螺旋槳建模方法，包括以下步驟：

步驟S1：通過葉片單元動量理論推導葉片單元的推力及力矩公式，然后利用迭代法更新葉片單元推力及力矩公式里的進氣比a和渦流系數b的數值，根據更新后的進氣比a和渦流系數b的數值計算坐式垂直起降飛機的飛機速度V對應的螺旋槳推力T和力矩Q；

步驟S2：根據多項式擬合方法獲取螺旋槳推力T以及飛機速度V的螺旋槳推力表達式F_p；

步驟S3：將螺旋槳推力公式帶入到牛頓歐拉公式中，得到螺旋槳的運動模型方程；

步驟S4：根據線性二次調節控制器對螺旋槳的運動模型進行控制，先將螺旋槳的運動模型方程分為軸向、縱向和側向三個狀態空間方程；對每個狀態空間方程通過最小化代價函數的方式獲得控制回路中的反饋增益矩陣，從而得到控制傳遞函數；通過控制傳遞函數，得到對應輸入的輸出，驗證螺旋槳運動模型的準確性和及時性，實現坐式垂直起降飛機模態轉換的控制目標。

為了更好地實現本發明，進一步地，步驟S1包括：

步驟S11：預先設置進氣比a、渦流系數b及飛機速度V的初始值，并指定弦長c、葉片直徑D、轉速n、葉片數B、俯仰角θ和空氣密度ρ；

步驟S12：獲取葉片的軸向速度V₀的表達式、葉片的旋轉速度V_w的表達式、合速度V_R的表達式以及合速度夾角φ的表達式；

步驟S13：根據步驟S12的表達式計算葉片的迎角α；

步驟S14：計算升力系數C_l和阻力系數C_d；