专利名称：：一种无人机久航飞行参数确定方法
技术领域：
：本发明属于航空
技术领域：
,涉及一种无人机久航飞行参数确定方法。
背景技术：
：由于无人机的诸多优点，无人机已经在军用和民用领域得到了广泛的应用。它可以根据任务需求规划不同的飞行轨迹，有目的的搜索情报信息，而相对于以空间为基础的卫星系统，使用更加方便灵活，还可提供比卫星更为详细的情况，所以无人机现在已经成为各国重点发展的目标。目前在无人机领域，美国处于绝对领先的地位，"捕食者"是由美国军方资助研发的一种中空战术无人机，发动机采用Rotax914UL四缸四冲程发动机，两叶变距推进式螺旋桨，携带燃油重量295千克，最大续航时间可达40小时。美国的"Raptor"高空长航时无人机验证平台，采用Rotax912发动机，三叶拉进式螺旋桨，载油381千克，续航时间48小时。另外，以色列的"苍鹭"也是一种典型的高空长航时无人机，其动力装置为涡轮增压Rotax914型四缸四冲程发动机，两叶变距推进式螺旋桨，最大燃油重量430千克，最大续航时间达到了50小时。可以看出，这类无人机共同的特点就是载油量大、航时长。为达到长航时的目的，这类无人机在方案设计时均采用大展弦比机翼、高升阻比翼型来改善飞机的气动特性，以活塞式发动机以及螺旋桨推进或拉进的方式作为飞机的动力装置，从而达到降低小时耗油量、增加航时的目的。为了增加航时，除了在设计上采用上述的特殊方法，在使用方面也需要挖掘潜力，充分发挥飞行器平台、螺旋桨以及发动机的性能，不但要使其工作点匹配，而且应尽量使其工作在最高效率点附近。对于此类无人机，燃油重量在飞机总重中所占比重非常大，飞行过程中，飞行重量变化范围也比较大。随着飞行重量的改变，飞行器平台、螺旋桨和发动机的工作点都会发生变化，因此必须根据当前飞行重量调整飞行速度，从而使飞行器平台、螺旋桨和发动机处于最佳工作状态。同时为了保证飞行安全，在不同的飞行重量下，所选择的飞行速度还必须满足一定的条件，保证飞机的飞行姿态在合适的角度范围内。
发明内容本发明主要从实际使用角度出发，对无人机久航飞行速度及动力装置参数的确定进行了研究，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，得出了便于实现的、适用于工程应用的无人机久航飞行的参数设置方法。一种无人机久航飞行速度及动力装置参数的确定方法，通过以下四步实现步骤一确定飞机平飞时所需用的最小功率；，；飞机的极曲线一般为C,=C;(1)其中^为升力系数，c;为阻力系数，Q。、Cxl、C^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fC2)2"式中，S为机翼面积、，；0空气密度。由公式(2)得到飞机平飞所需用的功率《尸,^+"sc;(3)对公式(3)求导，并令一阶导数为零，艮卩H!=0(4)即可得到给定髙度H下飞机最小平飞需用功率户'对应的C;;根据公式(2)可以求出对应的速度F'。处于飞行安全考虑，一般对各个飞行高度的飞行速度F范围都进行了限定，假设此速度范围为[C^」。如果r'e[H」，则取飞行速度「=^;如果r、L，则取飞行速度r-^in;如果^^乙ax，则取飞行速度F-、ax。通过(2)、(3)式求出「对应的功率尸，则p=p。步骤二确定发动机功率户；选取一组发动机节风门位置7P-[7^L7T^L7P,]和一组转速值"-[巧L";L",],根据发动机特性曲线尸=/2(仏7^,")、《=/3(//,2T,")，求出每一个节风门7^(i^，2，…,r)对应的所有转速下的发动机功率户和耗油量《5<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(5)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(6)步骤三确定螺旋桨效率/7与桨距角^;根据步骤一中飞机平飞时某一重量G，高度为H所确定的飞行速度K和步骤二选取的转速"以及发动机输出功率户，可求出所有节风门7^对应的每一个转速下的前进比义和功率系数c"由螺旋桨特性曲线7-y;(c,，义,^，可插值求出对应的螺旋桨桨距角^和螺旋桨效率//:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(7)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(8)步骤四确定最小耗油量g^^;根据步骤3求出的螺旋桨效率/7，计算所有节风门3^对应的每一个转速下的发动机可用<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(9)根据飞机最小平飞需用功率iV.rain插值求出&.min在每一个转速时，发动机发出&对应的节风门[T^L7P7Lrg]，再由[r《L巧Lr《]以及;7、0、《插值求出螺旋桨效率[T7,L^]、螺旋桨桨距[《L《L《]、耗油量[仏L力L仏]，取^.画-min[《L力L仏]，则对应的飞行参数7P、P、"即是最省油状态下的飞行参数。假设经过时间"，飞机重量变为G'=G-AG=G-g，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Z/时的飞行参数，即可确定整个飞行过程中的飞行参数。本发明的优点为1、在飞机、螺旋桨以及发动机功率的这些参数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；2、本发明原理简单，便于工程应用。图l是本发明方法流程图2是通过本方法确定的某无人机在5000米巡航时的飞行速度的曲线图；图3是通过本方法确定的某无人机在5000米巡航时的油门位置的曲线图；图4是通过本方法确定的某无人机在5000米巡航时的螺旋桨桨距的曲线图；图5是通过本方法确定的某无人机在5000米巡航时的以及耗油量的曲线图。具体实施例方式本发明以寻找飞机平飞需用最小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。飞机的续航时间可表示为『=7;5+^+7;，式中；为爬升时间，4为巡航时间，7;为下降时间。其中爬升段发动机采用100%油门、最大转速，下降段发动机采用最小油门、最小转速，无论采用何种爬升和下降方式，到达同一高度时，爬升时间;,和下降时间7;基本不变，而且7;s和7;只占总航时r很小的一部分巡航时间可表示为^=-flflfw，其中m。为巡航起始点燃油重量，^为巡航结束点燃油重量，？^为发动机耗油量。可以看出，要得到最大巡航时间r力.皿，必须求得在每一个飞行状态下发动机的最小耗油量^^min。本发明是一种无人机久航飞行参数设置方法，根据飞机的飞行高度、飞行重量的改变，实时确定飞机的久航速度、发动机油门、转速以及螺旋桨桨距，从而确定出整个飞行剖面的飞行参数。如图1所示，本发明主要通过以下四个步骤来实现步骤一确定飞机平飞时所需用的最小功率^，^;飞机的极曲线一般为c,-c;0+c2c;(i)其中c，为升力系数，c,为阻力系数，c;。、c;,、&2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,根据简单推力法由公式(2)得到飞机平飞所需用的功率i^:对公式(3)求导，并令一阶导数为零，即《《#(2〉(3)0<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(4)即可得到给定高度H下飞机最小平飞需用功率户'对应的C"根据公式(2)可以求出对应的速度F'。处于飞行安全考虑，一般对各个飞行高度的飞行速度F范围都进行了限定，假设此速度范围为[、,n,F^]。如果F'e[^,^J，贝嗽飞行速度r-r;如果r、乙，则取飞行速度^^乙n;如果nr鹏，则取飞行速度「=已狀。通过(2)、(3)式求出r对应的功率户，则P.步骤二确定发动机功率P;选取一组发动机节风门位置7P-[7^L7T^L7^]和一组转速值"=["^L",]，根据发动机特性曲线尸=/2(仏^，")、g=/3(仏7，尸,")，求出每一个节风门r《(i-i,2，…，r)对应的所有转速下的发动机功率户和耗油量9:尸=《=几L/;丄^尸hLO&%丄^&iL《)L&《rlL《"L《(5)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(6)步骤三确定螺旋桨效率7与桨距角0;根据步骤一中确定的飞行速度「和步骤二选取的转速"以及发动机输出功率？，可求出所有节风门7^对应的每一个转速下的前进比义和功率系数Cp，由螺旋桨特性曲线7=_/;(cpae)，可插值求出对应的螺旋桨桨距角e和螺旋桨效率;7:6>=7=《lL《乂丄《L&%丄""仏iL7。L77(7)(8)步骤四确定最小耗油量^.^。根据步骤三求出的螺旋桨效率/7,计算所有节风门rf对应的每一个转速下的发动机可用功率4=/>LPLP^"uL化L《1尸IiLP為Ld(9)根据飞机最小平飞需用功率；.min插值求出&.min在每一个转速时，发动机发出；.min对应的节风门[^L7P;L7P,],再由[巧L7P;L7T^]以及7、P、《插值求出螺旋桨效率[化LT7,L仏]、螺旋桨桨距[《L《L《]、耗油量hL，取^，-min^L力L仏]，则对应的飞行参数7P、^、"即是最省油状态下的飞行参数。假设经过时间A纟，飞机重量变为G'-G-AG=G-"Af,令(5="，重复步骤一到步骤四，就可以确定出下一重量G和髙度/Z时的飞行参数，即可确定整个飞行过程中的飞行参数。从而在飞机、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。实施例下面结合国内某无人机5000米高度久航飞行速度的确定过程对本方法进行进一步说明<步骤一飞机最小平飞需用功率i^^确定；根据飞行重量G、飞行高度H，根据公式(2)、(3)、(4)可得到飞机平飞最小需用功率P'对应的C;,从而求得飞行速度r'为135肠/力，根据5000历的飞行速度范围[^m,r,],取该高度下飞行速度r为150^/力，由150;&/力求得的最小平飞需用功率步骤二发动机功率P确定；取7P-[100L70L25]和一组转速值"^5500L4800L3500]，根据发动机特性曲线，通<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>横线即表示发动机非正常工作状态。步骤三螺旋桨效率7确定；根据步骤1确定的飞行速度F和步骤2选取的转速"以及发动机输出功率P，可求出所有节风门rf对应的每一个转速下的;i和c;，根据螺旋桨特性曲线，通过7=,(<^，义，e)可求出对应的螺旋桨桨距和螺旋桨效率；<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>步骤四最小耗油量《w时飞行参数确定。根据步骤3求出的螺旋桨效率7,计算所有节风门7^对应的每一个转速下的发动机可用功率<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>插值求出Cn在iV中对应的每一个转速下的油门，再由对应的油门和转速插值，求出对应的耗油量、螺旋桨桨距和螺旋桨效率，经比较可得飞机在"=5200^附、^=56%时，发动机耗油量《-ll《g"最小，对应的6=16.9°。假设经过O.lh后，飞机重量变为11x0.1，令G-G'，重复步骤一到步骤四，即可得出整个飞行过程的飞行参数，如图2，图3、图4、图5所示。从而在飞机、螺旋桨以及发动机功率的这些参数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。权利要求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<mathsid="math0001"num="0001"><math><![CDATA[<mrow><mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><mi>G</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><msup><mi>ρV</mi><mn>2</mn></msup><msub><mi>SC</mi><mi>y</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>T</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><msup><mi>ρV</mi><mn>2</mn></msup><msub><mi>SC</mi><mi>x</mi></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>]]></math></maths>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<mathsid="math0002"num="0002"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>P</mi><mi>xy</mi></msub><mo>=</mo><mi>T</mi><mo>·</mo><mi>V</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><msup><mi>ρV</mi><mn>3</mn></msup><msub><mi>SC</mi><mi>x</mi></msub><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>]]></math></maths>对公式(3)求导，并令一阶导数为零，即<mathsid="math0003"num="0003"><math><![CDATA[<mrow><mfrac><msub><mi>dP</mi><mi>xy</mi></msub><mrow><mi>d</mi><msub><mi>C</mi><mi>y</mi></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><msub><mi>dP</mi><mi>xy</mi></msub><mi>dV</mi></mfrac><mfrac><mi>dV</mi><msub><mi>dC</mi><mi>y</mi></msub></mfrac><mo>=</mo><mn>0</mn><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>]]></math></maths>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＝[TP1LTPiLTPr]和一组转速值n＝[n1LnjLns]，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<mathsid="math0004"num="0004"><math><![CDATA[<mrow><mi>P</mi><mo>=</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>P</mi><mn>11</mn></msub><mi>L</mi></mtd><mtd><msub><mi>P</mi><mrow><mn>1</mn><mi>j</mi></mrow></msub><mi>L</mi></mtd><mtd><msub><mi>P</mi><mrow><mn>1</mn><mi>s</mi></mrow></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>P</mi><mrow><mi>i</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mi>L</mi></mtd><mtd><msub><mi>P</mi><mi>ij</mi></msub><mi>L</mi></mtd><mtd><msub><mi>P</mi><mi>is</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>P</mi><mrow><mi>r</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mi>L</mi></mtd><mtd><msub><mi>P</mi><mi>rj</mi></msub><mi>L</mi></mtd><mtd><msub><mi>P</mi><mi>rs</mi></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>]]></math></maths><mathsid="math0005"num="0005"><math><![CDATA[<mrow><mi>q</mi><mo>=</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>q</mi><mn>11</mn></msub><mi>L</mi></mtd><mtd><msub><mi>q</mi><mrow><mn>1</mn><mi>j</mi></mrow></msub><mi>L</mi></mtd><mtd><msub><mi>q</mi><mrow><mn>1</mn><mi>s</mi></mrow></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>q</mi><mrow><mi>i</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mi>L</mi></mtd><mtd><msub><mi>q</mi><mi>ij</mi></msub><mi>L</mi></mtd><mtd><msub><mi>q</mi><mi>is</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>q</mi><mrow><mi>r</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mi>L</mi></mtd><mtd><msub><mi>q</mi><mi>rj</mi></msub><mi>L</mi></mtd><mtd><msub><mi>q</mi><mi>rs</mi></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>]]></math></maths>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<mathsid="math0006"num="0006"><math><![CDATA[<mrow><mi>θ</mi><mo>=</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>θ</mi><mn>11</mn></msub><mi>L</mi></mtd><mtd><msub><mi>θ</mi><mrow><mn>1</mn><mi>j</mi></mrow></msub><mi>L</mi></mtd><mtd><msub><mi>θ</mi><mrow><mn>1</mn><mi>s</mi></mrow></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>θ</mi><mrow><mi>i</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mi>L</mi></mtd><mtd><msub><mi>θ</mi><mi>ij</mi></msub><mi>L</mi></mtd><mtd><msub><mi>θ</mi><mi>is</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>θ</mi><mrow><mi>r</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mi>L</mi></mtd><mtd><msub><mi>η</mi><mi>rj</mi></msub><mi>L</mi></mtd><mtd><msub><mi>θ</mi><mi>rs</mi></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>7</mn><mi></mi><mo>)</mo></mrow></mrow>]]></math></maths><mathsid="math0007"num="0007"><math><![CDATA[<mrow><mi>η</mi><mo>=</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>η</mi><mn>11</mn></msub><mi>L</mi></mtd><mtd><msub><mi>η</mi><mrow><mn>1</mn><mi>j</mi></mrow></msub><mi>L</mi></mtd><mtd><msub><mi>η</mi><mrow><mn>1</mn><mi>s</mi></mrow></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>η</mi><mrow><mi>i</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mi>L</mi></mtd><mtd><msub><mi>η</mi><mi>ij</mi></msub><mi>L</mi></mtd><mtd><msub><mi>η</mi><mi>is</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>η</mi><mrow><mi>r</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mi>L</mi></mtd><mtd><msub><mi>η</mi><mi>rj</mi></msub><mi>L</mi></mtd><mtd><msub><mi>η</mi><mi>rs</mi></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>8</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>]]></math></maths>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<mathsid="math0008"num="0008"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>P</mi><mi>ky</mi></msub><mo>=</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>P</mi><mrow><mi>ky</mi><mo>·</mo><mn>11</mn></mrow></msub><mi>L</mi></mtd><mtd><msub><mi>P</mi><mrow><mi>ky</mi><mo>·</mo><mn>1</mn><mi>j</mi></mrow></msub><mi>L</mi></mtd><mtd><msub><mi>P</mi><mrow><mi>ky</mi><mo>·</mo><mn>1</mn><mi>s</mi></mrow></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>P</mi><mrow><mi>ky</mi><mo>·</mo><mi>i</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mi>L</mi></mtd><mtd><msub><mi>P</mi><mrow><mi>ky</mi><mo>·</mo><mi>ij</mi></mrow></msub><mi>L</mi></mtd><mtd><msub><mi>P</mi><mrow><mi>ky</mi><mo>·</mo><mi>is</mi></mrow></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>P</mi><mrow><mi>ky</mi><mo>·</mo><mi>r</mi><mn>1</mn></mrow></msub>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