Этот пример иллюстрирует, как использовать моделирование для быстрого исследования проектного пространства в области гибридного и электрического самолета и сравнить результаты с критериями проектирования. Этот процесс может уменьшить количество итераций проектирования и гарантировать, что окончательный проект соответствует требованиям уровня системы.
Гибридные и электрические самолеты являются направлениями агрессивного развития в аэрокосмической промышленности. Чтобы ускорить процесс выбора между гибридными и чистыми системами электрической степени, выберите степень архитектур сети и размер электрических компонентов, рассмотрите использование симуляции с продуктами MathWorks.
Используя предварительно сконфигурированные строения симуляции, этот пример показывает компромиссы между размерами батареи для чистой электрической или гибридной электрической степени системы с полезной нагрузкой и без нее. В его состав входят самолёты Pipistrel Alpha Electro и НАСА X-57 Maxwell. Реализованный как проект, пример предоставляет различные ярлыки, которые можно использовать для эксперимента с симуляцией.
Блок Aircraft определяет самолет, сравниваемый в проекте:
Pipistrel Alpha Electro [1], предварительно сконфигурированная модель первого в мире двухместного чистого электрического обучающего самолёта.
НАСА X-57 Maxwell [2], предварительно сконфигурированная модель самолета НАСА X-57 Maxwell, экспериментального электрического самолёта.
Пользовательский, самолет, который вы можете смоделировать согласно вашим спецификациям.
В блоке Aircraft каждый самолет моделируется как Масса Точки 4-го Порядка (Продольная) в рейсе с необходимой выходной нагрузкой тяги в качестве нагрузки на двигатель. Эта абстрактная модель принимает, что пилот принимает действия, необходимые для выполнения миссии.
Можно задать несколько аэродинамических характеристик для выбранного самолета, включая пустую и максимальную массу, значения площади крыла и кривой лифта, коэффициент сопротивления и целевые скорости для фрагментов набора высоты, крейсера и снижения миссии. Блок использует эти значения наряду с высотами миссии, чтобы создать интерполяционные таблицы для угла атаки (альфа) и тяги, учитывая плотность атмосферы, скорость цели и угол профиля рейса (гамма). В каждой точке рейса интерполяционные таблицы возвращают альфа и тягу для входа в блок Point Mass 4-го порядка, который вычисляет ускорения. Удерживая альфа и тягу на вычисленных, установившихся значениях, фактическая скорость быстро достигает желаемой скорости. Блок Aircraft также определяет скорости набора высоты и снижения для миссии.
Блок Mission Profile устанавливает высоту аэропорта и круизные высоты и общее расстояние рейса. Если введенные значения не являются допустимыми, например, слишком короткое расстояние, чтобы самолет мог подняться и опуститься с требуемой крейсерской высоты, значения корректируются, и сообщение описывает изменение. Чтобы увидеть, как далеко самолет может пролететь, пока у него не закончится степень батареи, введите большое общее расстояние рейса.
Блок Environment вычисляет плотность воздуха на выбранных высотах с помощью модели атмосферы COESA.
По умолчанию блок Aircraft сконфигурирован для самолета Pipistrel Alpha Electro. Чтобы увидеть эффективность этого самолета с настройками по умолчанию, запустите модель с помощью ярлыка проекта «Single Run». Pipistrel запускается без полезной нагрузки.
На двух рисунках отображения состояние батареи, ток и уровни степени во время рейса. Два окна возможности показывают прогресс миссии (высота и воздушная скорость), степень выхода и используемую энергию. Обратите внимание, что батарея запусков без емкости (достигает 20 ампер-часов) до завершения всей миссии.
Чтобы захватить данные, созданные симуляцией, в примере используется возможность Simscape Data Logging (Simscape). Различные случаи симуляции, предоставленные ярлыками проекта, запускают скрипты, которые запускают желаемые случаи, а затем извлекают результаты из журнала Simscape, чтобы создать рисунки. Для самолета с более чем одним электродвигателем суммарный необходимый крутящий момент, рассчитанный Подсистемой Самолета, делится на количество двигателей перед переходом в Подсистему Степени. Критерии для остановки симуляции, batteryCapacityMin, регулируется с 20 ампер-часов соответственно.
Pipistrel спроектирован как основной тренер по рейс. Миссия по умолчанию, сконфигурированная для модели, может не быть типичной миссией для Pipistrel. Измените миссию, чтобы совершить крейсерство на 3000 вместо 9000 футов, а затем совершите один запуск, чтобы увидеть эффект этого изменения (длительность уменьшается).
Чтобы запустить Pipistrel с полезной нагрузкой 165 фунтов, используйте ярлык «Set Payload Mass», а затем еще раз запустите модель. Чтобы увидеть эффект области значений значений полезной нагрузки, используйте ярлык «Sweep Payload Mass». Этот ярлык изменяет полезную нагрузку от 0 до 330 фунтов. Свипы выдают различные рисунки, показывая время рейса и область значений для параметра swept. Каждый маркер представляет одну симуляцию. Наведите мышь на маркер, чтобы увидеть его полезную массу («X») и рейса значения области значений или длительности («Y»).
Чтобы увидеть, как на область значений рейса влияет размер батареи, используйте ярлык «Sweep Battery Size». Ярлык изменяет емкость от 60 до 160 ампер-часов (или 100 до 200 ампер-часов, если выбран X-57). Пример принимает, 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 стреловидности установит самолет выше своего максимального значения массы (например, 1212 фунтов для Pipistrel). The total_mass переменная в базовом рабочем пространстве хранит общую массу каждого случая в сдвиге. Если емкости батареи достаточно для выполнения миссии, это указывает на заполненный маркер. Обратите внимание, что чистый электрический самолет, такой как Pipistrel, не имеет горения топлива, что не приводит к изменению массы во время рейса.
Размах емкости батареи в «Run the Model with Disparty Battery Sizes» дает область значений рейсов для фиксированной полезной нагрузки. Чтобы найти рейс области значений для максимальной полезной нагрузки, используйте ярлык «Sweep Области значений at Max Payload». Это переносит емкость батареи с набором полезной нагрузки таким образом, чтобы общая масса равнялась максимальной массе в каждом случае (если полезная нагрузка не становится отрицательной, в этом случае полезная нагрузка устанавливается на нуль, а модель становится избыточной). Из этих результатов можно выбрать максимальный размер батареи для заданного требования к полезной нагрузке.
Чтобы одновременно увидеть зависимость расстояния по рейсу области значений как от размера батареи, так и от массы полезной нагрузки, используйте ярлык «Sweep Battery & Payload», который создает контурный график. Области, где самолет превышает максимальный вес, обозначаются красно-белой накладкой «Избыточный вес».
Поскольку плотность степени батарей намного меньше, чем у авиационного топлива, чистые электрические самолеты имеют меньшую область значений расстояний, чем их аналоги на топливе. Чтобы преодолеть эту щель, рассмотрим гибридную систему электрической степени. Чтобы перезарядить батареи, вариант гибридной подсистемы степени в этом примере добавляет 130 фунтов, 50 кВт, двухтактный поршневой двигатель и генератор к компонентам чистой электрической подсистемы степени.
Чтобы попробовать гибридную степень систему, выполните один из следующих рабочих процессов:
Измените вариант подсистемы степени и запустите протягивание области значений батарей
1. Используйте ярлык «Hybrid Electric». Этот ярлык изменяет вариант подсистемы степени.
2. Чтобы повторить свип, выполненный ранее для чистых электрических степеней, используйте «Sweep Области значений at Max Payload».
В этом случае большие размеры батареи способны к более длительным миссиям, чем определено в настоящее время (120 НМ). Попробуйте ввести более длительное общее расстояние рейса (например, 200 НМ) в Mission Profile и затем повторите эту стреловидность.
Запуск протягивания области значений батарей для обоих вариантов степени
1. Используйте ярлык «Hybrid/Electric Range Comparison», чтобы запустить свип для обоих вариантов степени.
2. Сравните результаты на одной фигуре. Результаты показывают, что гибридная степень может улучшить область значений, но за счет полезной нагрузки.
Чтобы исследовать, как миссия влияет на область значений и выносливость, выберите модель Custom aircraft в блоке Aircraft. Значения строения по умолчанию для этого самолета те же, что и для Pipistrel, за исключением скоростей. Скорректируйте скорости и высоты задания по желанию, затем выполните команду run и сравните результаты с результатами для Pipistrel с настройками по умолчанию.
Если оцениваемый пользовательский самолет значительно отличается от Pipistrel, соответственно настройте CustomAircraft значения в файле «asbHybridAircraftDefaults.m».
Степень
Силовая подсистема моделируется двумя вариантными моделями: Pure Electric и Hybrid Electric, управляемыми переменной POWER_MODE в базовом рабочем пространстве.
Модель Pure Electric включает батарею, высоковольтные и низковольтные сети постоянного тока, и механическую модель самолёта. Механическая модель действует как нагрузка на высоковольтную сеть постоянного тока. Низковольтная сеть постоянного тока включает набор нагрузок, которые включаются и отключаются во время рейса миссии.
Модель Hybrid Electric серии содержит все компоненты модели Pure Electric, плюс двигатель мощностью 50 кВт, генератор и топливо. Generic Engine (Simscape Driveline) управляет генератором, который дополняет степени, доступные от батареи. Генератор заряжает батарею во время рейса. Масса топлива, потребляемого двигателем, включена в симуляцию. Низковольтная сеть постоянного тока включает в себя набор нагрузок, которые включаются и отключаются во время рейса, включая топливный насос для двигателя внутреннего сгорания.
Эти две модели варианта состоят из трех или четырех подсистем для крутящего момента нагрузки, двигателя, генератора и распределения степени постоянного тока.
Подсистема крутящего момента нагрузки
Эта подсистема преобразует необходимую механическую степень в крутящий момент нагрузки на валу мотора. Эта модель принимает, что заданное количество механической степени мотора преобразуется в тягу. Деление необходимой степени для поддержания тяги на скорость мотора приводит к крутящему моменту нагрузки на валу мотора. Система управления двигателем настраивается, чтобы поддерживать необходимую скорость вала под меняющейся нагрузкой.
Подсистема двигателей
Эта подсистема представляет электродвигатель и электронику привода, работающую в режиме управления крутящим моментом или, соответственно, в режиме управления током. Допустимая область значений крутящих моментов и скоростей двигателя определяется огибающей крутящего момента и скорости.
Подсистема топливного насоса
Эта подсистема моделирует топливный насос. Электродвигатель управляет насосом, который проталкивает топливо через клапан. Открытие клапана изменяется во время рейса, что изменяет ток, который двигатель потребляет от сети постоянного тока.
Подсистема генератора
Эта подсистема представляет генератор и электронику привода, работающую в режиме управления крутящим моментом или, соответственно, в режиме управления током. Он приводится двигателем внутреннего сгорания в действие для подачи дополнительной электрической степени в сеть самолета.
Подсистема распределения степени постоянного тока
Эта подсистема моделирует прерыватели, которые открываются и закрываются, чтобы соединить и отсоединить нагрузки от низковольтной сети постоянного тока. Меняющиеся условия влияют на потребляемую из сети степень, область значений полета самолета и требования к степени для линий степеней в самолете.
Ссылки
[1] https://www.pipistrel-aircraft.com/aircraft/electric-flight/alpha-electro/
