本發(fā)明涉及空氣螺旋槳電推進系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)特性試驗方法，用于測試低速電動螺旋槳飛機推進系統(tǒng)遭遇突風時的動態(tài)響應(yīng)特性和推進系統(tǒng)的調(diào)速特性，屬于空氣動力學的
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：電動螺旋槳飛機在低空飛行時，一般情況下飛行速度較低，遭遇陣風時，難以主動規(guī)避，在受到陣風后其載荷增量和動態(tài)飛行特性變化非常明顯，嚴重影響到其飛行姿態(tài)和結(jié)構(gòu)變形，甚至引發(fā)安全事故。作為其動力裝置的螺旋槳電推進系統(tǒng)在遭遇突風時槳盤載荷會發(fā)生劇烈變化，推進系統(tǒng)拉力和扭矩也會發(fā)生較大變化，對驅(qū)動電機和飛機的飛行姿態(tài)與控制產(chǎn)生較大影響。因此，模擬陣風環(huán)境，采用試驗手段研究推進系統(tǒng)的拉力和扭矩特性對電動機設(shè)計和飛行控制具有一定的借鑒意義。常規(guī)大型低速風洞可以用來測試螺旋槳的氣動特性，但在風洞試驗中難以通過風速的變化來模擬陣風，且風洞試驗成本較為昂貴；地面車載試驗可以靈活控制車速，但易受外界風和地面路況等因素的干擾，這兩種方法均不適合于螺旋槳電推進系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)特性試驗。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，利用國內(nèi)現(xiàn)有試驗條件，提供一種空氣螺旋槳電推進系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)特性試驗方法，其能夠測量螺旋槳電推進系統(tǒng)遭遇陣風時的動態(tài)響應(yīng)特性和調(diào)速特性。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：提供空氣螺旋槳電推進系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)特性試驗方法，包括如下步驟：(1)構(gòu)建電動飛機螺旋槳地面試驗測試系統(tǒng)，包括來流模擬系統(tǒng)、螺旋槳轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)和支架；所述來流模擬系統(tǒng)包括實驗段，軌道，拖車和拖車供電系統(tǒng)及控制系統(tǒng)；所述實驗段為密閉空間；所述軌道為平行雙軌道，固定在實驗段內(nèi)；所述拖車在拖車供電系統(tǒng)及控制系統(tǒng)的控制下，按指定速度沿軌道前進；數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)包括二分量天平和數(shù)據(jù)采集控制模塊；所述二分量天平測量螺旋槳的拉力和扭矩并發(fā)送給數(shù)據(jù)采集控制模塊；數(shù)據(jù)采集控制模塊采集二分量天平測量的拉力和扭矩，并輸出；螺旋槳轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)包括電機，所述電機固定在二分量天平內(nèi)部，電機輸出軸端部延伸至二分量天平外部，所述螺旋槳固定在電機輸出軸端部，由電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)；支架為懸臂梁結(jié)構(gòu)，懸臂梁結(jié)構(gòu)的后端固定在拖車車頭前端并向前延伸，二分量天平固定在支架前端；(2)拖車?？吭谲壍榔鹗级?，啟動數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)，開始測量拖車速度、電機轉(zhuǎn)速、天平輸出的拉力和扭矩；(3)啟動電機，驅(qū)動螺旋槳轉(zhuǎn)動，并穩(wěn)定到初始轉(zhuǎn)速；(4)啟動拖車并穩(wěn)定到初始速度；(5)保持電機輸入指令不變，拖車分別以不同的加速度加速到穩(wěn)態(tài)速度，并以穩(wěn)態(tài)速度持續(xù)一段時間，測量螺旋槳的拉力、扭矩及電機轉(zhuǎn)速；(6)保持拖車速度恒定，調(diào)整電機轉(zhuǎn)速，測量螺旋槳的拉力和扭矩；(7)減速停車，關(guān)閉電機；(8)生成拖車車速、電機轉(zhuǎn)速、拉力和扭矩隨時間的變化關(guān)系曲線，分析拖車車速變化對電機轉(zhuǎn)速的影響，拖車車速或電機轉(zhuǎn)速變化對螺旋槳拉力、扭矩的影響。優(yōu)選的，還包括步驟(9)改變初始轉(zhuǎn)速值及穩(wěn)態(tài)速度值，并返回步驟(3)。優(yōu)選的，分析拖車車速變化對電機轉(zhuǎn)速的影響具體包括，拖車加速度的大小對電機轉(zhuǎn)速變化峰值的影響和對轉(zhuǎn)速變化恢復時間的影響。優(yōu)選的，二分量天平為帶有一個端面的中空圓柱體，所述電機同軸安裝在中空圓柱形內(nèi)部，固定在所述端面上，所述端面具有通孔，電機輸出軸通過所述通孔延伸到圓柱體外部，連接螺旋槳。優(yōu)選的，所述實驗段的地面設(shè)置平行雙軌道，且兩個軌道之間為矩形凹槽，凹槽的寬度大于螺旋槳直徑的3倍，凹槽的高度大于螺旋槳直徑。優(yōu)選的，數(shù)據(jù)采集控制模塊包括轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)、車速測量系統(tǒng)、控制計算機和數(shù)據(jù)采集處理器；所述轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)檢測電機轉(zhuǎn)速，并發(fā)送給數(shù)據(jù)采集處理器；所述車速測量系統(tǒng)測量拖車行進速度，并發(fā)送給數(shù)據(jù)采集處理器；所述數(shù)據(jù)采集處理器采集電機轉(zhuǎn)速、拖車行進速度、拉力和扭矩數(shù)據(jù)，并發(fā)送給控制計算機；所述控制計算機控制根據(jù)輸入指令控制電機轉(zhuǎn)速，接收數(shù)據(jù)采集處理器發(fā)送的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存儲在存儲器中，控制顯示器實時顯示測試數(shù)據(jù)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：(1)本發(fā)明利用軌道拖車模擬試驗狀態(tài)，拖車較低的前進速度和較高的速度控制精度，可以為螺旋槳提供穩(wěn)定的來流環(huán)境，且試驗在實驗室內(nèi)進行，不受人員和風等外界條件的干擾，試驗段橫截面積大，易于獲得較好的流場品質(zhì)，能夠?qū)崿F(xiàn)螺旋槳推進系統(tǒng)遭遇陣風時的動態(tài)響應(yīng)特性的測試。(2)本發(fā)明通過拖車的不同加速度，模擬多種初始速度下多種風速的陣風，全面分析陣風對螺旋槳推進系統(tǒng)拉力、扭矩、電機轉(zhuǎn)速的影響；(3)本發(fā)明設(shè)置多組拖車初始轉(zhuǎn)速值及穩(wěn)態(tài)速度值，全面測量拖車速度對螺旋槳推進系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)特性的影響；(4)本發(fā)明通過調(diào)整電機轉(zhuǎn)速，可以測試螺旋槳電推進系統(tǒng)的調(diào)速特性；(5)本發(fā)明試驗成本低廉，測試精度較高。附圖說明圖1為臨近空間螺旋槳試驗系統(tǒng)示意圖；其中圖1(a)為螺旋槳測試系統(tǒng)的側(cè)視圖；圖1(b)螺旋槳測試系統(tǒng)的前視圖；圖2為遭遇突風時推進系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)特性曲線；其中圖2(a)為拖車車速和螺旋槳拉力隨時間變化關(guān)系曲線；圖2(b)為電機轉(zhuǎn)速和螺旋槳扭矩隨時間變化關(guān)系曲線。圖3推進系統(tǒng)調(diào)速特性曲線；其中圖3(a)為拖車車速和螺旋槳拉力隨時間變化關(guān)系曲線；圖3(b)為電機轉(zhuǎn)速和螺旋槳扭矩隨時間變化關(guān)系曲線。具體實施方式下面結(jié)合附圖和螺旋槳電推進系統(tǒng)遭遇突風時的動態(tài)響應(yīng)特性試驗測試實施案例對本發(fā)明做進一步說明：請參閱圖1，圖1(a)是螺旋槳電推進系統(tǒng)試驗測試系統(tǒng)側(cè)視圖，圖1(b)為前視圖。來流模擬系統(tǒng)、螺旋槳轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)和支架；所述來流模擬系統(tǒng)包括實驗段9，軌道8，拖車7和拖車供電系統(tǒng)及控制系統(tǒng)；所述實驗段9為密閉空間；所述軌道8為平行雙軌道，固定在實驗段9內(nèi)；所述拖車7在拖車供電系統(tǒng)及控制系統(tǒng)的控制下，按指定速度沿軌道前進。數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)包括二分量天平2和數(shù)據(jù)采集控制模塊6；所述二分量天平2測量螺旋槳1的拉力和扭矩并發(fā)送給數(shù)據(jù)采集控制模塊；數(shù)據(jù)采集控制模塊6采集二分量天平測量的拉力和扭矩，并輸出，數(shù)據(jù)采集控制模塊采用DSP數(shù)據(jù)采集器。螺旋槳轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)包括電機3，所述電機3固定在二分量天平2內(nèi)部，電機3輸出軸端部延伸至二分量天平2外部，二分量天平2為中空結(jié)構(gòu)，所述電機3同軸安裝在二分量天平內(nèi)部，固定在二分量天平3的前端面上，所述前端面具有通孔，電機輸出軸通過所述通孔延伸到端面外部，連接螺旋槳1，所述螺旋槳固定在電機輸出軸端部，由電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)；支架5為懸臂梁結(jié)構(gòu)，懸臂梁結(jié)構(gòu)的后端固定在拖車車頭前端并向前延伸，二分量天平固定在支架5前端。支架長度大于3m，支架的前端左右兩側(cè)分別通過一個支桿固連到拖車底盤兩側(cè)的支柱11上；支桿4與水平方向的夾角為25°～40°。軌道拖車控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集控制模塊6均在軌道拖車駕駛室內(nèi)，電機轉(zhuǎn)速指令控制集成在數(shù)據(jù)采集控制模塊6中。如圖1中（a），（b）所示，一種電動飛機螺旋槳地面試驗測試系統(tǒng)將實驗室內(nèi)壁10做為試驗段壁面，試驗段橫截面呈倒“凸”字形，凹槽的寬度大于螺旋槳直徑的3倍，凹槽的高度大于螺旋槳直徑。兩條軌道鋪設(shè)于凸字槽邊緣，拖車7置于軌道上，流線型拖車頭部安裝一根懸臂支架5，帶有支座的輪輻式二分量天平支座固定于懸臂支架上遠離車頭的一端，電機與天平同軸固連，被測螺旋槳直接安裝在電動機輸出軸端。在試驗段9內(nèi)靜止空氣中，螺旋槳前進速度和轉(zhuǎn)速分別通過拖車控制系統(tǒng)和電機控制器精確控制。電推進系統(tǒng)遭遇突風的動態(tài)響應(yīng)特性試驗步驟如下：1)采樣開始；2)電動機加速段；3)電動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定段；4)拖車從靜止狀態(tài)到初始速度V0的加速段；5)初始車速V0穩(wěn)定段；6)初始車速到V0～V1的加速段(模擬突風)；7)V1車速穩(wěn)定段；8)拖車減速制動到靜止狀態(tài)；9)電動機繼續(xù)保持穩(wěn)定轉(zhuǎn)速；10)電動機關(guān)閉，持續(xù)采樣一段時間后結(jié)束。時間段1)中，車速、電動機轉(zhuǎn)速、拉力、扭矩等值的零點采樣均正常；時間段2)的電動機的轉(zhuǎn)速時間變化曲線給出了電機的轉(zhuǎn)速控制規(guī)律(為了縮短響應(yīng)時間，初始加速度較大，隨著轉(zhuǎn)速接近設(shè)定轉(zhuǎn)速，加速度減小，以防止轉(zhuǎn)速超調(diào)，從轉(zhuǎn)速曲線可以看出，共有4個加速度，加速度逐漸減小)；時間段4)的拖車加速過程中，測得的拉力和扭矩均減小；時間段5)和7)拖車速度經(jīng)歷一個衰減振蕩后，趨于穩(wěn)定；時間段6)為拖車加速段，隨著拖車速度的增加，螺旋槳拉力和扭矩均下降，電動機轉(zhuǎn)速緩慢增加，拖車速度達到V1，電機轉(zhuǎn)速也隨之達到峰值；時間段7)中，隨著拖車速度穩(wěn)定到V1，電機轉(zhuǎn)速緩慢降低，并穩(wěn)定到設(shè)定轉(zhuǎn)速，螺旋槳拉力和扭矩先減小，后穩(wěn)定到新的穩(wěn)定狀態(tài)；時間段8)～9)，拖車減速停車，電機轉(zhuǎn)速先減小，后又恢復到設(shè)定轉(zhuǎn)速；時間段10)，電動機停機，螺旋槳拉力隨轉(zhuǎn)速逐漸減小到0，扭矩則瞬間減小到0，停留一段時間后停止采樣。請參閱圖2，可以看出：1)電動機轉(zhuǎn)速從0rpm加速到360rpm需要時間約13s；2)受突風影響，電動機轉(zhuǎn)速增加的最大峰值為382rpm，偏離設(shè)定值22rpm；3)風速穩(wěn)定后，電動機穩(wěn)定到設(shè)定值的響應(yīng)時間約3s，體現(xiàn)了螺旋槳電推進系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性。下表為該試驗狀態(tài)V0和V1穩(wěn)定車速時螺旋槳拉力和扭矩的時間平均結(jié)果，并與對應(yīng)風速下的計算結(jié)果進行了對比，可以看出，V0和V1車速下的時間平均結(jié)果與對應(yīng)風速下的計算結(jié)果吻合良好。請參閱圖3，可以看出：在有負載的情況下，電機轉(zhuǎn)速增加50rpm，調(diào)速時間為5.4s，螺旋槳拉力和扭矩趨于穩(wěn)定的時間為6.09s，可以看出，推進系統(tǒng)調(diào)速特性良好。車速來流速度初始轉(zhuǎn)速穩(wěn)定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速變化量響應(yīng)時間8.58.24430480+506.09本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員的公知技術(shù)。當前第1頁1 2 3