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摘 要：根據(jù)無人機(jī)用發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)和使用特點(diǎn)，針對發(fā)動機(jī)加速性試飛考核項(xiàng)目，分析有人機(jī)和無人機(jī)加速試飛動作過程，提取試飛核心要素，制定具體方案設(shè)計(jì)流程，并通過試飛驗(yàn)證。結(jié)果表明，該試飛方法在無人機(jī)使用范圍內(nèi)滿足航空發(fā)動機(jī)加速性試飛考核要求，方法具有一定的通用性，可以指導(dǎo)后續(xù)發(fā)動機(jī)加速性試飛。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；航空發(fā)動機(jī)；加速性；試飛方法

 0 引 言 

近年來，隨著無人機(jī)領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，無人機(jī)用發(fā)動機(jī)得到越來越多的關(guān)注[1-8]，由于飛機(jī)無人化操作帶來的飛機(jī)/發(fā)動機(jī)使用特點(diǎn)[9]，無人機(jī)用航空發(fā)動機(jī)試飛技術(shù)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，如何將傳統(tǒng)有人機(jī)航空發(fā)動機(jī)試飛技術(shù)與無人機(jī)設(shè)計(jì)和使用特點(diǎn)相結(jié)合是技術(shù)工程師面臨的首要難題。發(fā)動機(jī)加速性試飛作為航空發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)定型試飛的關(guān)鍵項(xiàng)目[10]，其加速過程中的工作穩(wěn)定性和加速性能直接影響到無人機(jī)是否能準(zhǔn)時(shí)到達(dá)戰(zhàn)場并完成指定任務(wù)[11]，因而，無人機(jī)用發(fā)動機(jī)加速性試飛是眾多必須解決的試飛技術(shù)難題之一。

國內(nèi)在發(fā)動機(jī)加速性試飛方面發(fā)表的文章較少，且更多的是有人駕駛飛機(jī)發(fā)動機(jī)試飛[12-13]，無人機(jī)用發(fā)動機(jī)的試驗(yàn)研究還處于起步階段，更多的是對試驗(yàn)內(nèi)容的探討[14-15]，在國外，全球鷹高空長航時(shí)無人偵察機(jī)作為世界范圍內(nèi)頂尖技術(shù)水平的無人機(jī)，其動力裝置采用了羅羅公司的AE3007H發(fā)動機(jī)，該型發(fā)動機(jī)是商用AE3007發(fā)動機(jī)的改進(jìn)型，在采辦初期進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，其中進(jìn)行了至少3次高空臺模擬試驗(yàn)[16]。在1995年和1998年進(jìn)行的高空臺模擬試驗(yàn)中，對發(fā)動機(jī)功率瞬變性能進(jìn)行了專項(xiàng)的摸底試驗(yàn)，考慮了不同高度、不同推油門速率、有無引氣、有無功率提取和進(jìn)氣畸變等因素對發(fā)動機(jī)工作的影響，試驗(yàn)過程中，優(yōu)化了油門移動速率避免加減速過程中對發(fā)動機(jī)工作穩(wěn)定性造成影響，多場次、考慮多種影響因素的發(fā)動機(jī)高空臺試驗(yàn)顯示發(fā)動機(jī)功率瞬變性能的重要性。

筆者基于無人機(jī)設(shè)計(jì)和使用特點(diǎn)，以發(fā)動機(jī)自動加速試飛為目標(biāo)，對發(fā)動機(jī)自動加速性試飛方法進(jìn)行研究。

 1 無人機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)簡介 

1.1 無人機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

對于大型無人機(jī)而言，飛機(jī)通常使用發(fā)動機(jī)最大狀態(tài)或最大連續(xù)狀態(tài)進(jìn)行爬升，用部分推力進(jìn)行巡航，用慢車狀態(tài)進(jìn)行下降。在巡航飛行階段，常規(guī)的控制方法有速度閉環(huán)控制方法和總能量控制方法，前者通過控制發(fā)動機(jī)油門改變發(fā)動機(jī)推力來穩(wěn)定飛機(jī)飛行高度和速度，后者固定發(fā)動機(jī)推力，通過高度和速度來控制飛機(jī)姿態(tài)。例如全球鷹無人機(jī)block20在45 000英尺以下采用速度閉環(huán)控制方法，當(dāng)飛行高度超過45 000英尺以后采用能量控制方法控制飛行。

無人機(jī)的爬升和下降兩種控制方法為發(fā)動機(jī)加速性試飛提供了一種途徑，即可通過改變飛行高度來控制發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)的變化，達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。

1.2 無人機(jī)用發(fā)動機(jī)加速控制特點(diǎn)

無人機(jī)發(fā)動機(jī)加速性受油門速率限制，需由油門指令速率、軟件控制速率和電動舵機(jī)移動速率共同確定。油門指令速率反映了飛控系統(tǒng)或飛行操作員對發(fā)動機(jī)推力的需求，但需求指令到控制系統(tǒng)后，會受到系統(tǒng)軟件設(shè)置的速率限制，如全球鷹無人機(jī)發(fā)動機(jī)在進(jìn)行高空臺試驗(yàn)時(shí)通過設(shè)置油門速率來確保發(fā)動機(jī)在功率變換過程中工作穩(wěn)定。當(dāng)控制器輸出油門移動速率后，由電動舵機(jī)完成發(fā)動機(jī)油門的變化，舵機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，有移動速率極限。三者對燃油控制是一個(gè)低選的工作模式，速率最低的環(huán)節(jié)起作用。

由此可見，有別于有人機(jī)直接將人工油門速率反映到發(fā)動機(jī)燃油調(diào)節(jié)器上，無人機(jī)需經(jīng)過指令、控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三個(gè)環(huán)節(jié)才能最終反映到發(fā)動機(jī)本體的燃油調(diào)節(jié)上。

1.3 無人機(jī)用發(fā)動機(jī)加速性含義

發(fā)動機(jī)加速的本質(zhì)是發(fā)動機(jī)推力的變化，由于飛行過程中發(fā)動機(jī)推力無法直接精準(zhǔn)的測量，因此采用發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速間接反映發(fā)動機(jī)加速能力。由于無人機(jī)用發(fā)動機(jī)控制特點(diǎn)，發(fā)動機(jī)油門指令需經(jīng)過三個(gè)環(huán)節(jié)才能到達(dá)發(fā)動機(jī)燃調(diào)，與有人機(jī)發(fā)動機(jī)控制有顯著的不同，因此，無人機(jī)發(fā)動機(jī)加速性試飛根據(jù)定義不同會有所差異，如考核發(fā)動機(jī)本體加速性，可通過發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速來判斷。

1.4 無人機(jī)航路規(guī)劃

無人機(jī)自主飛行需提前進(jìn)行航路規(guī)劃。航路規(guī)劃設(shè)置航路點(diǎn)屬性，飛控系統(tǒng)通過解讀航路點(diǎn)屬性對飛機(jī)進(jìn)行控制，航路點(diǎn)屬性主要包括經(jīng)度、緯度、高度、速度和過點(diǎn)方式等等。

基于無人機(jī)爬升、巡航以及下滑等階段不同的控制策略，通過對航路點(diǎn)的定義，可以控制飛機(jī)按照預(yù)期的軌跡飛行。

發(fā)動機(jī)自動加速試飛擬采取改變飛機(jī)高度達(dá)到控制發(fā)動機(jī)狀態(tài)的目的。

 2 發(fā)動機(jī)自動加速試飛方法設(shè)計(jì) 

2.1 試飛需求分析

根據(jù)發(fā)動機(jī)加速性指標(biāo)定義，發(fā)動機(jī)加速性試飛應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)要求：①發(fā)動機(jī)加速前油門處于慢車位置，發(fā)動機(jī)在慢車狀態(tài)穩(wěn)定；②加速時(shí)發(fā)動機(jī)處于大狀態(tài)，轉(zhuǎn)速滿足相關(guān)要求；③飛行高度、飛行速度偏差在規(guī)定范圍內(nèi)；④飛機(jī)能自動進(jìn)行加速性操作。

2.2 發(fā)動機(jī)典型加速性試飛過程分析

(1) 有人機(jī)發(fā)動機(jī)加速性試飛過程分析

有人機(jī)發(fā)動機(jī)加速性試飛中，主要以飛行員操作為主，飛行員根據(jù)對發(fā)動機(jī)狀態(tài)的判斷，進(jìn)行相關(guān)油門的操作，完成發(fā)動機(jī)加速性試飛，典型過程見圖1。