Этот пример иллюстрирует, как использовать моделирование для быстрого исследования пробела проекта в гибридной и электрической области самолета и сравнить результаты с критериями расчета. Этот процесс может сократить количество итераций проектирования и гарантировать, что итоговый проект удовлетворяет требования уровня системы.
Гибридные и электрические самолеты являются областями агрессивной разработки в авиакосмической промышленности. Чтобы ускорить процесс выбора между гибридными и чистыми системами электроэнергии, выберите архитектуры сети степени и электрические компоненты размера, рассмотрите использование симуляции с Продуктами Mathworks.
Используя предварительно сконфигурированные настройки симуляции, этот пример показывает компромиссы между размерами батареи для чистой электрической или гибридной системы электроэнергии, с и без полезных нагрузок. Это включает Гальванопластику Пипистрель Альфы и самолет Максвелла НАСА X-57. Реализованный как проект, пример обеспечивает различные ярлыки, которые можно использовать, чтобы экспериментировать с симуляцией.
Блок Aircraft задает самолет, сравненный в проекте:
Пипистрель Альфа Электро [1], предварительно сконфигурированная модель первого в мире 2D места чистый электрический учебный самолет.
Максвелл НАСА X-57 [2], предварительно сконфигурированная модель самолета Максвелла НАСА X-57, экспериментального электрического самолета.
Пользовательский, самолет, который можно смоделировать согласно техническим требованиям.
В блоке Aircraft каждый самолет моделируется как 4-я Масса Точки Порядка (Продольная) в рейсе с необходимой тягой выход как нагрузка на двигатель. Эта абстрактная модель принимает, что пилот принимает меры, необходимые, чтобы следовать за миссией.
Можно задать несколько аэродинамических характеристик для выбранного самолета, включая пустую и максимальную массу, область крыла и снять значения кривой, коэффициент сопротивления, и предназначаться для скоростей для подъема, круиза и фрагментов спуска миссии. Блок использует эти значения, наряду с высотами миссии, чтобы создать интерполяционные таблицы для угла нападения (альфа) и толкать, учитывая атмосферную плотность, целевую скорость и угол профиля рейса (гамма). В каждой точке вдоль рейса интерполяционные таблицы возвращают альфу и тягу для входа в 4-й порядок блок Point Mass, который вычисляет ускорения. Путем содержания альфы и толкнувший расчетные, установившиеся значения, фактическая скорость быстро достигает желаемой скорости. Блок Aircraft также задает уровни подъема и спуска для миссии.
Блок Mission Profile устанавливает аэропорт и высоты круиза и общее расстояние рейса. Если вводимые значения не выполнимы, таковы как расстояние, слишком являющееся сокращением от самолета, которые поднимутся на и убывание с требуемой высоты круиза, то значения настроены, и сообщение описывает изменение. Чтобы видеть, как далеко самолет может полететь, пока он не исчерпывает питание от батареи, введите долгое общее расстояние рейса.
Блок Environment вычисляет плотность воздуха на выбранных высотах с помощью Модели Атмосферы COESA.
По умолчанию блок Aircraft сконфигурирован для самолета Пипистрель Альфы Электро. Чтобы видеть эффективность этого самолета с настройками по умолчанию, запустите модель с помощью "Одного Запуска" ярлык проекта. Пипистрель запущена без полезной нагрузки.
Две фигуры отображают показ состояний батареи, текущих, и уровней мощности во время рейса. Два окна осциллографа показывают прогресс миссии (высота и скорость полета), выходная мощность и используемая энергия. Отметьте, батарея исчерпывает способность (достигает 20 часов усилителя), прежде чем целая миссия будет завершена.
Чтобы собрать данные, созданные симуляцией, пример использует Регистрацию данных Simscape (Simscape) возможность. Различные случаи симуляции, обеспеченные ярлыками проекта, запускают скрипты, которые запускают желаемые случаи и затем извлекают результаты журнала Simscape, чтобы создать фигуры. Для самолета больше чем с одним электродвигателем общий необходимый крутящий момент, вычисленный подсистемой Самолета, разделен на количество двигателей прежде чем быть переданным подсистеме Степени. Критерии, чтобы остановить симуляцию, batteryCapacityMin, настроен с 20 часов усилителя соответственно.
Pipistrel спроектирован как первичный преподаватель рейса. Миссия по умолчанию, сконфигурированная для силы модели не быть типичной миссией для Pipestrel. Измените миссию путешествовать в 3 000 вместо 9 000 футов, и затем сделать один запуск, чтобы видеть эффект этого изменения (уменьшения длительности).
Чтобы запустить Pipistrel с полезной нагрузкой за 165 фунтов, используйте "ярлык" Массы Полезной нагрузки Набора, затем запустите модель снова. Чтобы видеть эффект области значений значений полезной нагрузки, используйте "ярлык" Массы Полезной нагрузки Развертки. Этот ярлык варьируется полезная нагрузка от 0 до 330 фунтов. Развертки производят различные фигуры, показывая время полета и область значений для развернутого параметра. Каждый маркер представляет одну симуляцию. Наведите своя мышь на маркер, чтобы видеть его массу полезной нагрузки ("X") и область значений рейса или длительность ("Y") значения.
Чтобы видеть, как область значений рейса затронута размером батареи, используйте "ярлык" Размера Батареи Развертки. Ярлык варьируется способность с 60 до 160 часов усилителя (или 100 - 200 часов усилителя, если X-57 выбран). Пример принимает, что масса батареи, чтобы быть линейно пропорциональной ее способности, таким образом увеличивая ее способность увеличивает свою массу также. Если полезная нагрузка установлена достаточно большая (более чем 183 фунта для Pipistrel), это увеличение массы батареи может заставить самую большую батарею в развертке помещать самолет по своему максимальному массовому значению (например, 1 212 фунтов для Pipistrel). total_mass переменная в базовом рабочем пространстве хранит общую массу каждого случая в развертке. Если емкости батареи достаточно, чтобы завершить миссию, заполненный маркер указывает на это. Обратите внимание на то, что чистые электрические самолеты, такие как Pipistrel, не имеют никакой топливной записи, приводящей ни к какому изменению в массе в течение рейса.
Развертка емкости батареи в "Запущенном Модель с Различными Размерами Батареи" дает к области значений рейса для фиксированной полезной нагрузки. Чтобы найти область значений рейса для максимальной полезной нагрузки, используйте "Область значений развертки в ярлыке" Полезной нагрузки Max. Это развертывается, емкость батареи с полезной нагрузкой установила таким образом, что общая масса равняется максимальной массе в каждом случае (если полезная нагрузка не становится отрицательной, в этом случае полезная нагрузка обнуляется, и модель идет избыточный вес). От этих результатов можно выбрать максимальный размер батареи для данного требования полезной нагрузки.
Чтобы одновременно видеть, что рейс располагается зависимость расстояния и от размера батареи и от массы полезной нагрузки, используйте ярлык "Sweep Battery & Payload", который производит контурный график. Области, где самолет по максимальному весу, обозначаются с красно-белым "Грузным" наложением.
Поскольку плотность питания от батареи очень меньше плотности авиационного топлива, чистые электрические самолеты имеют меньше области значений расстояния, чем их приводимые в действие топливом дубликаты. Чтобы устранить этот разрыв, рассмотрите гибридную систему электроэнергии. Чтобы перезарядить батареи, вариант подсистемы гибридной силовой установки в этом примере добавляет 130 фунтов, 50 кВт, двухтактный поршневой механизм и генератор к чистым компонентам подсистемы электроэнергии.
Чтобы попробовать систему гибридной силовой установки, выполните один из этих рабочих процессов:
Измените вариант подсистемы степени и запустите развертку области значений батареи
1. Используйте "Гибридный Электрический" ярлык. Этот ярлык изменяет вариант подсистемы Степени.
2. Чтобы повторить развертку, ранее сделанную для чистой электроэнергии, используйте "Область значений развертки в Полезной нагрузке Max".
В этом случае большие размеры батареи способны к более длительным миссиям, чем, что в настоящее время задано (120 морских миль). Попытайтесь ввести более долгое общее расстояние рейса (e.g. 200 морских миль) в Профиле Миссии и затем повторно выполненный эта развертка.
Запустите развертку области значений батареи для обоих вариантов степени
1. Используйте "ярлык" Сравнения Гибрида/Электрической плиты, чтобы запустить развертку для обоих вариантов степени.
2. Сравните результаты на одной фигуре. Результаты показывают, что система гибридной силовой установки может улучшить область значений, но за счет полезной нагрузки.
Чтобы исследовать, как миссия влияет на область значений и износостойкость, выберите Пользовательскую модель самолета в блоке Aircraft. Значения настройки по умолчанию для этого самолета эквивалентны для Pipistrel, за исключением скоростей. Настройте скорости и высоты миссии, как желаемый, затем запустите и сравните результаты с теми для Pipistrel с настройками по умолчанию.
Если пользовательский оцениваемый самолет существенно отличается от Pipistrel, то соответственно настраивают CustomAircraft значения в "asbHybridAircraftDefaults.m" файле.
Подсистема степени
Подсистема степени моделируется с двумя различными моделями: Чистый Электрический и Гибрид, которым, Электрический, управляет переменная POWER_MODE в базовом рабочем пространстве.
Модель Pure Electric включает батарею, высоко - и низковольтные сети DC и механическая модель самолета. Механическая модель действует как нагрузка на высоковольтную сеть DC. Низковольтная сеть DC включает набор загрузок, которые включают и выключают во время миссии рейса.
Модель серии Hybrid Electric содержит все компоненты в модели Pure Electric, плюс механизм на 50 кВт, генератор и топливо. Типовой Engine (Simscape Driveline) управляет генератором, который добавляет степень, доступную от батареи. Генератор перезаряжает батарею во время рейса. Масса топлива, использованного механизмом, включена в симуляцию. Низковольтная сеть DC включает набор загрузок, которые включают и выключают во время цикла рейса, включая бензонасос для двигателя внутреннего сгорания.
Эти две различных модели состоят из трех или четырех подсистем для крутящего момента нагрузки, двигателя, генератора и распределения мощности постоянного тока.
Подсистема крутящего момента нагрузки
Эта подсистема преобразовывает необходимую механическую мощность в крутящий момент нагрузки на вале двигателя. Эта модель принимает, что заданная сумма моторной механической энергии преобразована в тягу. Деление необходимой степени обеспечить втиснутый частотой вращения двигателя приводит к крутящему моменту нагрузки на вале двигателя. Система блока управления приводом настраивает, чтобы обеспечить необходимую скорость вала при различной загрузке.
Моторная подсистема
Эта подсистема представляет электронику электродвигателя и диска, действующую в режиме управления крутящего момента, или эквивалентно, текущий режим управления. Моторная допустимая область значений крутящих моментов и скоростей задана конвертом скорости крутящего момента.
Подсистема бензонасоса
Эта подсистема моделирует бензонасос. Электродвигатель управляет насосом, который продвигает топливо через клапан. Открытие клапана варьируется во время рейса, который изменяет ток, который двигатель чертит от сети DC.
Подсистема генератора
Эта подсистема представляет электронику генератора и диска, действующую в режиме управления крутящего момента, или эквивалентно, текущий режим управления. Это управляется двигателем внутреннего сгорания, чтобы предоставить дополнительную электроэнергию к сети самолета.
Подсистема распределения мощности постоянного тока
Эта подсистема моделирует прерыватели, которые открываются и близко к подключению и загрузкам разъединения из низковольтной сети DC. Различные условия влияют на энергию, потребляемую от сети, области значений самолета и требований к питанию для линий электропередачи в самолете.
Ссылки
[1] https://www.pipistrel-aircraft.com/aircraft/electric-flight/alpha-electro/
