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工程设计学报
工程设计学报  2024, Vol. 31 Issue (6): 725-732    DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.402
【特约专栏】“双碳”背景下新型能源装备设计、制造、运维关键技术及其应用     
高空无人机桨发匹配设计及效率提升
钟文义,梁世哲,张斌,唐鹏,刘可娜
航空工业成都飞机工业（集团）有限责任公司，四川 成都 610031
Propeller-motor matching design and efficiency improvement for high-altitude unmanned aerial vehicle
Wenyi ZHONG,Shizhe LIANG,Bin ZHANG,Peng TANG,Kena LIU
AVIC Chengdu Aircraft Industrial (group) Co. , Ltd. , Chengdu 610031, China
 全文: PDF(2310 KB)   HTML
摘要：

电推进系统的桨发匹配设计是高空无人机实现长航时飞行的关键环节。根据高空无人机全剖面的动力需求，分别采用功率损失法和单点法开展了电推进系统电动机与螺旋桨的总体参数匹配设计，并通过地面静态试验对电推进系统的拉力、功率特性进行了测试。同时，在确定电动机选型的基础上，基于BP（back propagation，反向传播）神经网络建立代理模型，以开展电推进系统桨发匹配设计及效率提升工作。试验结果表明，电推进系统的实测拉力与计算拉力相吻合，说明所采用的电动机、螺旋桨总体参数匹配设计方法具有较高的精度。以仰角为5°的爬升剖面为例，经代理模型优化匹配后得到的新螺旋桨的效率约提升了0.1，节能效果显著。相关代理模型可为无人机电推进系统方案设计及后期工程使用阶段的桨发匹配优化设计、动力特性及经济性提升提供有力工具。
关键词： 高空无人机;  电推进系统;  桨发匹配;  代理模型;  效率提升;  地面静态试验    
Abstract:

The propeller-motor matching design of electric propulsion system is a key link for high-altitude unmanned aerial vehicle (UAV) to achieve long-endurance flight. According to the full-profile power requirements of the high-altitude UAV, the overall parameter matching design for the motor and propeller of the electric propulsion system was carried out by using the power loss method and the single-point method, respectively, and the tensile force and power characteristics of the electric propulsion system were measured through ground static test. At the same time, the surrogate model based on BP (back propagation) neural network was established on the basis of the confirmed motor selection, in order to carry out the propeller-motor matching design and efficiency improvement for the electric propulsion system. The test results showed that the measured tensile force was consistent with the calculated tensile force, which indicated that the adopted overall parameter matching design method for the motor and propeller had high accuracy. Taking the climb profile with elevation angle of 5° as an example, the efficiency of the new propeller obtained by optimized matching through the surrogate model was improved by about 0.1, and the energy saving effect was remarkable. The relevant surrogate model can provide a powerful tool for the propeller-motor matching and optimization design of the UAV electric propulsion system in the scheme design and later engineering use stage, as well as the improvement of dynamics characteristics and economy.
Key words: high-altitude unmanned aerial vehicle    electric propulsion system    propeller-motor matching    surrogate model    efficiency improvement    ground static test
收稿日期: 2023-11-15 出版日期: 2024-12-31
CLC:  V 279  
通讯作者: 唐鹏   
作者简介: 钟文义（1996—），男，助理工程师，硕士
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钟文义
梁世哲
张斌
唐鹏
刘可娜

引用本文:

钟文义,梁世哲,张斌,唐鹏,刘可娜. 高空无人机桨发匹配设计及效率提升[J]. 工程设计学报, 2024, 31(6): 725-732.

Wenyi ZHONG,Shizhe LIANG,Bin ZHANG,Peng TANG,Kena LIU. Propeller-motor matching design and efficiency improvement for high-altitude unmanned aerial vehicle[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2024, 31(6): 725-732.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.402    或    https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2024/V31/I6/725

图1  无人机的需用推力与飞行高度、爬升角的关系（针对单套推进装置）
图2  永磁同步电动机的功率分布
图3  永磁同步电动机的效率分布
图4  螺旋桨阻升特性曲线
图5  桨叶弦长及桨叶角分布
图6  地面静态试验系统及其交联关系
图7  电推进系统拉力的实测结果与计算结果对比
图8  电推进系统功率的实测结果与计算结果对比
图9  电推进系统桨发匹配代理模型架构
图10  多隐含层BP神经网络的拓扑结构
图11  螺旋桨需用功率预测的相对误差
图12  优化匹配前后桨叶弦长分布对比
图13  优化匹配前后螺旋桨效率对比
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