[发明专利]无人机微型涡轮喷气发动机测控台及测控方法

说明书

本发明提供一种无人机微型涡轮喷气发动机测控台及测控方法，其包括发动机测试台与控制终端两部分，被测发动机为微型涡轮喷气发动机，包括发动机主体、尾喷管和进气道，并附带发动机电子控制单元ECU、Arduinomega2560单片机控制器以及用于测量被测发动机和外界环境数据的多个传感器组；所述发动机测试台可移动；所述主设备车靠近所述被测发动机的一侧设置有防倾覆侧向支撑臂；所述被测发动机的上部和侧向安置防爆亚克力板。所述控制终端包括电脑主机、显示器和指令盒。本发明能够测试和采集无人机微型涡轮喷气发动机工作时的重要性能参数，评估微型涡轮喷气发动机在各个工况运转时的性能特性和功率输出指标。

技术领域

本发明属于微型涡轮喷气式发动机的测试与控制领域，具体涉及一种无人机微型涡轮喷气发动机测控台及测控方法。

背景技术

随着无人机愈加广泛地应用在军事活动和经济社会中，无人机的使用环境和适用场景更加具有多样性。由此，各个领域对无人机动力系统的性能正逐步有着多元化的需求。涡轮喷气式发动机具有推重比高、高空高速性能优良和结构紧凑等优点，普遍搭载在具有较强机动性的无人机上，例如：美国特里达因·瑞安飞机公司研制的BQM-34火蜂无人机，该型无人机搭载的J-69-41A涡轮喷气发动机于1951年交付使用。这种以涡轮喷气作为动力形式的无人机往往是满足高负荷、高速飞行性能要求下的极佳选择。

1983年，也是在全球首台涡轮喷气发动机诞生后的第45年，英国技术团队研制出了一款微型航空涡轮喷气式发动机，但由于这款发动机制造、使用成本过于高昂且消费市场的需求规模较小，因此微型航空涡轮喷气式发动机并未得到商业化普及。虽然涡轮喷气发动机是一种较为理想的无人机动力装置，但采用该类型的无人机同时也具有燃油消耗率过高的缺点。特别是在无人机的续航能力、作业强度和燃料补给装置方面，往往会因涡轮喷气发动机较高的燃油消耗率，使无人机往往会在工作效率上受到制约。19世纪80年代，Jerry Jackman和他的科研团队研制出了世界首台微型涡轮喷气发动机测试台。此后，国外微型涡轮喷气发动机的研制变得更加成熟。在国内，西北工业大学于上世纪九十年代研制出的微型涡轮发动机。2001年，南京航空航天大学在国防科工委的支持下，研制了直径为6cm的微型涡轮喷气发动机。近年来，北京航空航天大学建立了微小型航空发动机实验室和分布式能源实验室，在微小型航空涡轮喷气发动机方面有所突破。我国目前对微型涡轮发动机的研究水平较高，以直径5至20cm、推力30至500N的微型涡轮喷气发动机为主。

发动机试验台对研制微型涡轮喷气式发动机发挥着重要作用。航空发动机试验台的成功研发与航空发动机研制技术的进步相辅相成，息息相关。航空发动机试验台为航空发动机在研制、生产、综合性能的测试与评估等各个阶段，提供了极为重要的试车平台，因为试验台可实现：发动机验证先进技术的普及和应用、优化制造工艺、协助工程师完成发动机状态监控和故障诊断等任务，所以当涡轮喷气发动机真正地在无人机上搭载时，才能给使用者提供真正稳定、可靠且出色的性能的无人机作有力保障。基于涡轮喷气式发动机的工作特性，为探究搭载涡轮喷气发动机无人机的续航能力、验证无人机飞行时的动力性能以及对无人机所搭载涡轮喷气发动机的重要性能进行有效参数采集与测试是非常有必要的。

目前，进行航空涡轮喷气发动机试验具有诸多局限性：首先，大型固定式航空发动机测试台规模庞大，对工作环境要求苛刻以及造价过高，不适用于对无人机所搭载的涡轮喷气发动机进行试验；其次，无人机使用人员往往需要查阅来自无人机或发动机制造商的技术资料手册，这种方法不具备对单台涡轮喷气发动机在各个工况下的性能参数进行实时测量，而且缺乏时效性；最后，交由第三方机构外包测试涡轮喷气发动机的性能，在进行批量性能测试时会使试验成本过于高昂，不具有经济性、便利性、可操作性和展示性。

清华大学自动化系李颖杰等在试验平台上对微型涡轮喷气发动机进行了测试。通过在台架上布局了六分量测力天平，即形变传感器片测量X、Y和Z轴三个方向的力和力矩得到测力信号，由电脑主机控制油门，使发动机产生的推力随着油门开度的大小而变化，再将转速、油门和测力传感器输出的信号进行处理，得到该涡轮喷气发动机在各个转速区间的推力等数据。