В этом примере показано, как использовать моделирование для быстрого исследования пространства проектирования в зоне гибридных и электрических самолетов и сравнивать результаты с критериями проектирования. Этот процесс может уменьшить число итераций конструкции и обеспечить соответствие окончательной конструкции требованиям системного уровня.
Гибридные и электрические самолеты - сферы агрессивного развития аэрокосмической промышленности. Чтобы ускорить процесс выбора гибридных и чистых энергосистем, выберите архитектуры энергосетей и размеры электрических компонентов, рассмотрите возможность использования моделирования с продуктами MathWorks.
Используя предварительно сконфигурированные конфигурации моделирования, в этом примере показаны компромиссы между размерами батарей для электрической или гибридной энергосистемы с полезной нагрузкой и без нее. В его состав входят самолеты Pipistrel Alpha Electro и NASA X-57 Maxwell. Реализованный как проект, пример содержит различные сочетания клавиш, которые можно использовать для эксперимента с моделированием.
Блок «Самолет» определяет самолет, сравниваемый в проекте:
Pipistrel Alpha Electro [1], предварительно сконфигурированная модель первого в мире двухместного электрического тренировочного самолета.
NASA X-57 Maxwell [2], предварительно сконфигурированная модель самолета NASA X-57 Maxwell, экспериментального электрического самолета.
Custom, самолет, который можно смоделировать в соответствии с вашими спецификациями.
В блоке «Самолет» каждый самолет моделируется как точечная масса 4-го порядка (продольная) в полете с требуемым выходом тяги в виде нагрузки на двигатель. Эта абстрактная модель предполагает, что пилот предпринимает действия, необходимые для выполнения задания.
Для выбранного самолета можно задать несколько аэродинамических характеристик, в том числе пустую и максимальную массу, площадь крыла и значения кривой подъема, коэффициент лобового сопротивления и целевые скорости для частей задания набора высоты, круиза и снижения. Эти значения вместе с высотами полета блок использует для создания поисковых таблиц угла атаки (альфа) и тяги, заданных атмосферной плотностью, скоростью цели и углом профиля полета (гамма). В каждой точке полета таблицы поиска возвращают альфа и тягу для ввода в блок Масса точки 4-го порядка, который вычисляет ускорения. Удерживая альфа и тягу на расчетных установившихся значениях, фактическая скорость быстро достигает желаемой скорости. Блок Aircraft также определяет скорость набора высоты и снижения для миссии.
Блок «Профиль Миссии» устанавливает высоты аэропорта и круиза, а также общую дистанцию полета. Если введенные значения невозможны, например, слишком короткое расстояние, чтобы самолет мог подняться и спуститься с требуемой высоты круиза, то значения корректируются, и сообщение описывает изменение. Чтобы увидеть, как далеко самолет может пролететь, пока у него не закончится питание от аккумулятора, введите длинную общую дистанцию полета.
Блок «Окружающая среда» вычисляет плотность воздуха на выбранных высотах с помощью модели атмосферы COESA.
По умолчанию блок Aircraft сконфигурирован для самолета Pipistrel Alpha Electro. Чтобы увидеть производительность этого самолета с настройками по умолчанию, запустите модель с помощью ярлыка проекта «Single Run». Pipistrel работает без полезной нагрузки.
На двух рисунках показаны состояния батареи, ток и уровни мощности во время полета. Два окна объема показывают ход выполнения задания (высота и воздушная скорость), выходную мощность и потребляемую энергию. Обратите внимание, что аккумулятор исчерпывает емкость (достигает 20 ампер-часов) до завершения всей миссии.
Для записи данных, созданных при моделировании, в примере используется функция Simscape Data Logging (Simscape). Различные сценарии моделирования, предоставляемые ярлыками проекта, запускают сценарии, которые запускают нужные сценарии, а затем извлекают результаты из журнала Simscape для создания фигур. Для летательных аппаратов с более чем одним электродвигателем суммарный требуемый крутящий момент, рассчитанный подсистемой летательного аппарата, делится на количество двигателей перед передачей в подсистему питания. Критерии остановки моделирования, batteryCapacityMin, настраивается от 20 ампер-часов соответственно.
Pipistrel спроектирован как основной летный тренер. Миссия по умолчанию, настроенная для модели, может не быть типичной миссией для Pipistrel. Измените задание на круиз на 3000 вместо 9000 футов, а затем выполните одиночный прогон, чтобы увидеть эффект этого изменения (длительность уменьшается).
Чтобы запустить Pipistrel с полезной нагрузкой в 165 фунтов, используйте ярлык «Set Payload Mass» (задать массу полезной нагрузки), а затем снова запустите модель. Чтобы увидеть влияние диапазона значений полезной нагрузки, используйте контекстное меню «Sweep Payload Mass». Этот ярлык изменяет полезную нагрузку от 0 до 330 фунтов. Протягивания производят различные цифры, показывающие время полета и диапазон для параметра протягивания. Каждый маркер представляет одно моделирование. Наведите курсор мыши на маркер, чтобы увидеть его массу полезной нагрузки («X») и значения дальности или длительности полета («Y»).
Чтобы узнать, как размер батареи влияет на дальность полета, используйте ярлык «Sweep Battery Size». Ярлык изменяет пропускную способность от 60 до 160 ампер-часов (или от 100 до 200 ампер-часов, если выбран X-57). В примере предполагается, что масса батареи линейно пропорциональна ее емкости, поэтому увеличение ее емкости также увеличивает ее массу. Если полезная нагрузка установлена достаточно большой (более 183 фунтов для Pipistrel), это увеличение массы батареи может привести к тому, что самая большая батарея в развертке поставит самолет выше своего максимального значения массы (например, 1212 фунтов для Pipistrel). total_mass переменная в базовой рабочей области сохраняет общую массу каждого варианта сдвига. Если емкость аккумулятора достаточна для выполнения задания, на это указывает заполненный маркер. Обратите внимание, что чистые электрические самолеты, такие как Pipistrel, не имеют сжигания топлива, что приводит к отсутствию изменения массы в течение всего полета.
Развертка емкости батареи в разделе «Запуск модели с различными размерами батареи» дает диапазон полета для фиксированной полезной нагрузки. Чтобы найти дальность полета для максимальной полезной нагрузки, используйте ярлык «Sweep Range at Max Payload» (Диапазон развертки при максимальной полезной нагрузке). Это сдвигает емкость батареи с набором полезной нагрузки таким образом, что общая масса равна максимальной массе в каждом случае (если полезная нагрузка не становится отрицательной, в этом случае полезная нагрузка устанавливается равной нулю, и модель переходит в избыточный вес). Из этих результатов можно выбрать максимальный размер батареи для данной полезной нагрузки.
Чтобы одновременно увидеть зависимость дальности полета от размера батареи и массы полезной нагрузки, используйте ярлык «Sweep Battery & Payload», который создает контурный график. Участки, где самолет превышает максимальный вес, обозначаются красно-белой накладкой «Избыточный вес».
Поскольку плотность энергии батареи намного меньше, чем у авиационного топлива, чистые электрические самолеты имеют меньший диапазон расстояния, чем их топливные аналоги. Чтобы преодолеть этот разрыв, рассмотрим гибридную энергосистему. Для подзарядки батарей вариант гибридной подсистемы питания в этом примере добавляет 130 фунтов, 50 кВт, двухтактный поршневой двигатель и генератор к компонентам подсистемы чистой электроэнергии.
Чтобы попробовать гибридную систему питания, выполните один из следующих рабочих процессов:
Изменение варианта подсистемы питания и переключение диапазона аккумуляторной батареи
1. Используйте сочетание клавиш «Hybrid Electric». Этот ярлык изменяет вариант подсистемы питания.
2. Для повторения сдвига, выполненного ранее для чистой электроэнергии, используйте «Диапазон сдвига при максимальной полезной нагрузке».
В этом случае большие размеры батареи способны выполнять более длительные миссии, чем определено в настоящее время (120 НМ). Попробуйте ввести более длинное общее расстояние полета (например, 200 НМ) в профиль миссии, а затем повторно запустите эту развертку.
Запуск переключения диапазона батарей для обоих вариантов питания
1. Используйте сочетание клавиш «Hybrid/Electric Range Comparison» (сравнение гибридных/электрических диапазонов) для выполнения сдвига для обоих вариантов питания.
2. Сравните результаты в одном рисунке. Результаты показывают, что гибридная энергосистема может улучшить дальность, но за счет полезной нагрузки.
Чтобы выяснить, как миссия влияет на дальность и выносливость, выберите пользовательскую модель самолета в блоке Самолет. Значения конфигурации по умолчанию для этого самолета те же, что и для Pipistrel, за исключением скоростей. Отрегулируйте нужные скорости и высоты полета, затем выполните запуск и сравните результаты с результатами для Pipistrel с настройками по умолчанию.
Если оцениваемый пользовательский самолет значительно отличается от Pipistrel, то соответственно отрегулируйте CustomAircraft значения в файле «asbHybridEdDefaults.m».
Подсистема питания
Подсистема питания моделируется с помощью двух различных моделей: Pure Electric и Hybrid Electric, управляемых переменной POWER_MODE в базовом рабочем пространстве.
Модель Pure Electric включает аккумулятор, сети постоянного тока высокого и низкого напряжения, механическую модель самолета. Механическая модель действует как нагрузка на высоковольтную сеть постоянного тока. Низковольтная сеть постоянного тока включает в себя набор нагрузок, которые включаются и выключаются во время полетного задания.
Модель Hybrid Electric серии содержит все компоненты модели Pure Electric, а также двигатель мощностью 50 кВт, генератор и топливо. Generic Engine (Simscape Driveline) управляет генератором, который дополняет мощность, доступную от батареи. Генератор подзаряжает аккумулятор во время полета. Масса топлива, потребляемого двигателем, включается в моделирование. Низковольтная сеть постоянного тока включает в себя набор нагрузок, которые включаются и выключаются во время полетного цикла, включая топливный насос для двигателя внутреннего сгорания.
Эти две вариационные модели состоят из трех или четырех подсистем для определения крутящего момента нагрузки, двигателя, генератора и распределения мощности постоянного тока.
Подсистема крутящего момента нагрузки
Эта подсистема преобразует требуемую механическую мощность в крутящий момент нагрузки на вал двигателя. Эта модель предполагает, что заданное количество механической мощности двигателя преобразуется в тягу. Деление требуемой мощности для поддержания тяги на скорость двигателя приводит к нагрузочному крутящему моменту на валу двигателя. Система управления двигателем настраивается для поддержания требуемой частоты вращения вала при изменяющейся нагрузке.
Моторная подсистема
Эта подсистема представляет электродвигатель и электронику привода, работающие в режиме регулирования крутящего момента или эквивалентно режиму регулирования тока. Допустимый диапазон крутящих моментов и скоростей двигателя определяется диапазоном крутящего момента и частоты вращения.
Подсистема топливного насоса
Эта подсистема моделирует топливный насос. Электродвигатель приводит в действие насос, который проталкивает топливо через клапан. Открытие клапана изменяется во время полета, что изменяет ток, который двигатель вытягивает из сети постоянного тока.
Генераторная подсистема
Эта подсистема представляет генератор и электронику привода, работающие в режиме регулирования крутящего момента, или эквивалентно, в режиме регулирования тока. Он приводится в действие двигателем внутреннего сгорания для подачи дополнительной электроэнергии в сеть летательного аппарата.
Подсистема распределения питания постоянного тока
Эта подсистема моделирует выключатели, которые открываются и закрываются для подключения и отключения нагрузок от сети постоянного тока низкого напряжения. Изменяющиеся условия влияют на мощность, получаемую от сети, дальность полета самолета и требования к мощности линий электропередачи в самолете.
Ссылки
[1] https://www.pipistrel-aircraft.com/aircraft/electric-flight/alpha-electro/