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【动力|专业】王牌动力强势来袭!智能电推进专业全方位介绍

发布日期:2022-09-15    作者:     来源:     点击:

6163银河官网拥有2个国家级一流本科专业:飞行器动力工程喷气推进方向智能电推进方向)、能源与动力工程

智能电推进专业

智能电推进是以电作为能源或部分能源、在通讯、控制系统方面具有一定智能特性的航空推进系统。其中,智能的内涵包括:智能材料、智能结构、智能控制与智能系统等四个层次。智能电推进是航空推进领域绿色、智能、可持续发展的方向和必然趋势。智能电推进是集能源、功率电子、电机、推进器、控制系统、人工智能等高新技术于一体的复杂系统工程,培养的人才具有力学、机械、能源、电学、信息学高度交叉融合的知识结构,并具有创新实践精神与国际化视野。毕业生具备从事电推进科学研究与工程应用的能力。

基于飞发一体的分布式全电推进

基于飞发一体的分布式全电推进采取飞发一体设计思想,将传统集中布局的动力系统改为分布式电动涵道风扇,通过电能驱动风扇产生推力。利用发动机抽吸边界层效应提升飞行器升阻比、将风扇改为分散分布的多个电动涵道风扇增加广义涵道比以提高动力系统效率,目前的研究方向主要有四个研究分支:飞机/发动机一体化设计、宽裕度边界层吸附风扇设计、高功重比电能转换系统、多能互补全电推进能量管理技术。

(1) 飞机/发动机一体化设计

以具有提高气动性能并进行噪声抑制的分布式推进动力为基础,通过紧耦合的气动布局概念,利用风扇对气流增压/喷管加速机制,建立飞行器优化气动布局方案并获得明显气动收益。

(2) 宽裕度边界层吸附风扇设计

以进气道、边界层吸附风扇、尾喷管组成的紧耦合的分布式推进系统为核心,优化推进系统气动方案;解决高通流、大负荷、宽裕度边界层吸入风扇设计;利用风扇对气流增压/喷管加速机制,建立一体化的高效、内外耦合气动布局。

(3) 高功重比电能转换系统

由于采用全电推进系统,发电机、电动机等是整个全电推进系统不可缺少的部分,而该部分的重量、体积和工作效率直接决定了整个全电推进系统的工作效率和可行性,高功重比电能转换系统还能够减轻整个动力系统的散热压力。

(4) 飞机/发动机一体化设计

全电推进的优势是能够采用多种供能方式,甚至采用多种供能模式混合使用。太阳能、蓄电池、涡轴发动机发电、核能等都可以作为全电推进系统的供能方式。如何有效利用不同供能系统使其高效稳定工作是全电推进系统必须解决的问题。

电推进飞行器动力

电推进飞行器动力方向进行新的驱动原理及电路的研究并将其应用于电推进飞行器上,目前拥有四个研究分支:微型仿生静电推进技术、电磁和静电混合驱动风扇、基于静电自激振动现象的电能逆变、厘毫米尺度微型仿生机器人。

(1) 微型仿生静电推进技术

针对目前仿生推进技术存在的主要问题,采用全新的“静电推进”机制,充分利用小尺寸下静电力高效率、低功耗的特点,并结合自然界昆虫的运动机理,完成了多型微型机器人的设计与优化。受到外界环境干扰时,仿照自然界昆虫的被动“自适应”机制,通过调节扑翼的振幅和频率实现总气动升力保持稳定。

(2) 利用电磁和静电驱动原理,提升常规电机驱动效率和功率密度

针对常规电机驱动的效率和功率密度问题,开发了综合电磁和静电驱动原理的混合驱动微型风扇。利用电磁驱动原理驱动转子高速旋转,利用静电力对转子进行加速,从而克服电磁电机工作特性的约束,进一步提高电机的功率密度。

(3)利用静电自激振动现象,实现电能逆变

围绕导电微梁在静电场中发生自激振动时电势呈周期性变化的现象,开展静电逆变研究,并对静电逆变可行性进行验证。通过微型化逆变电路和压电驱动器的一体化设计,实现微型扑翼飞行器的脱线飞行。

(4) 厘毫米尺度微型仿生机器人

厘毫米尺度微型仿生机器人是指以自然界昆虫为模板、尺寸一般在5cm以下、质量在1g以下、具备飞行或爬行功能(或两者兼顾)并可携带一定任务载荷的微型机器人,该类型机器人具备高机动性和隐蔽性,在侦察、探险救灾等领域具备良好的应用前景。本方向主要聚焦微型机器人动力相关基础研究,包括微型驱动器原理与构型、微型传动机构、微型控制系统与电子电路、能源微型化与集成等研究内容;研究对象包括微型飞行器、微型爬行机器人、微型两栖机器人(陆空两栖、水陆两栖)等。

电推进飞行器能源

电推进飞行器能源方向主要进行新能源的转换与存储(太阳能、氢能)并应用于电推进飞行器,以延长飞行器续航时间。目前拥有两个主要研究分支:超薄柔性钙钛矿太阳能电池和高能量密度氢燃料电池固态储氢系统。

(1) 超薄柔性钙钛矿太阳能电池

本方向主要以第三代光伏技术——钙钛矿太阳能电池为研究对象,利用其相对于传统硅基太阳能电池表现出的的质量轻、厚度薄、可柔性化、颜色可调等显著特色,开发应用于航空设备的超薄柔性高功重比的光伏发电系统。通过与飞行器的一体化设计与制造,实现对飞行器的持续不间断供能,有光即可飞行,大大提高飞行器的续航能力。

(2) 高能量密度氢燃料电池固态储氢系统

本方向以固态储氢系统为研究对象,利用固态存储技术相较于气态存储具有高容量、安全性好的显著优势,开发适用于飞行器的高能量密度储氢系统。结合理论计算和机器学习,开发新型高容量、可逆性好的固态储氢材料,并通过热力学和动力学的调控实现近室温快速吸放氢,获得适用于飞行器的氢燃料电池固态储氢系统,显著提升飞行器的续航能力。

智能结构

智能结构是在结构中集成智能材料作为传感器、驱动器,使结构除了具有承载、传力、连接等功能外,还具有感知自身状态(温度、压力、速度等)、改变自身性质(形状、刚度、阻尼等)等功能。在航空航天领域,利用形状记忆合金驱动的机翼或发动机尾喷口,可以实现极大的性能优化;基于形状记忆合金的压紧释放装置,可以实现航天飞行器中热辐射板、相机等的压紧与释放,避免传统火工品爆炸产生的冲击、粉尘污染等。

智能压电结构的设计

压电材料是指一类具有压电效应的材料或复合材料。当这些材料发生弹性变形时,在其表面上会成比例地积累电荷;如果在这些材料的表面上施加电荷,也可以反过来成比例地导致弹性变形。通过在结构上铺设压电材料并外接电路,将赋予结构传感和作动的能力,再辅以恰当的控制算法,就可以实现结构与工作环境的智能交互。在航空航天结构的精确形状控制、故障检测、振动抑制等领域有广阔的应用前景。

电推进动力系统的流动稳定性

航空发动机流动稳定性是制约我国航空发动机自主研制的“卡脖子”问题,直接影响到军用/民用航空动力装置研制。对于非涡轮基的智能电推进动力系统,有关涵道风扇的流动稳定性问题依旧是重要的研究对象。针对失稳边界理论预测、扩稳和失速控制这三大核心问题,提出了全局稳定性通用理论预测方法,SPS机匣处理和适应性控制技术,并在主机院所推广应用。

推进器原理与设计

面向未来采用全电系统的航空飞行器推进装置,兼顾当前常见的中小型旋翼及螺旋桨飞行器动力系统,探讨潜在的应用场景,分析可能面临的设计问题,剖析传统与最新的设计技术。

通过综合运用工程热力学、空气动力学等基础知识,学习掌握不同推进器的基本概念、工作原理、特征结构,重点掌握空气螺旋桨、涵道风扇等典型推进器的工作特性和基本气动设计方法,包括气动理论、控制方程、特性变化规律以及气动设计体系和思路,为进一步掌握航空电推进系统的特性分析和综合设计奠定基础,同时了解航空推进器最新技术和发展方向。

前沿课题

基于静电驱动的多栖平台

自然界部分昆虫(如蜜蜂、苍蝇等)同时具备空中扑翼飞行和地面爬行的能力,为微型多栖飞行器提供了良好的仿生目标。本课题基于静电驱动原理,重点突破高能量密度与高效率微型驱动技术、灵巧高效的微型传动技术、高精度运动控制技术以及能源微型化与集成技术,旨在研制一种昆虫尺寸的、兼具飞行和爬行功能的多栖运动平台,为未来微型多栖飞行器的发展奠定理论和技术基础。目前该课题以分别实现多栖平台的地面爬行和空中飞行功能。

多彩光伏驱动飞行器

钙钛矿太阳能电池具有颜色可调的鲜明特点,本课题通过调节钙钛矿半导体吸光材料的禁带宽度和引入光子晶体,从化学色和结构色两个方面对钙钛矿材料的颜色进行调节。并充分利用钙钛矿太阳能电池的轻薄柔性化优势,研制多种色彩的超薄柔性光伏器件,为飞行器提供持续的电力供应,同时其丰富的色彩也大大增强了飞行器的审美体验,拓展了其多功能应用场景。

静电风扇

静电电机有着高电压和低电流的特点,不会发热,效率高,在微小尺寸下静电电机相较于电磁电机在效率上更有优势。基于静电电机原理,设计并制作静电风扇,使之成为一个单独的飞行器,开辟飞行动力的新领域,未来必然是多飞行动力的时代。目前已经实现静电电机的带线起飞,完成了静电电机作为驱动器的首次飞行。

轻质柔性PCB板的实验室制造工艺优化

DC-DC变换器是现代高频开关电源基本组成部分。它把直流输入电压VIN变换成更满足要求的或更有效的直流输入电压VO。为配合微型飞行器实现脱线飞行的效果,对PCB板提出了减小质量,实现更大的电压放大倍数的要求。选用聚酰亚胺作为PCB板基材制作的柔性PCB板具有质量小、柔性可弯曲的优势,通过对柔性PCB板加工工艺进行更适用于实验室的优化,保证实验用PCB板满足加工质量更轻(<2g)、电压放大倍数更大(>1000)的要求的同时,也保证在电路设计上具有相对较高的自由度。

高能量密度固态储氢技术

相较于传统气态储氢技术,固态储氢在储氢密度与安全性等方面具有明显优势,被认为是最具发展前景的一种储氢方式。本课题基于高容量且可逆性好的镁基储氢材料,通过载体锚定、尺寸效应、单原子催化进行热力学和动力学的双调控,解决放氢温度高的瓶颈问题,实现近室温快速吸放氢的突破,满足车载与飞行器燃料电池用氢需求。

人工智能辅助的风扇气动设计方法

风扇设计的难点在于有限空间内对气动负荷的合理分配,从而维持叶片槽道内合理的流动。现有设计体系对流动分析进行了不得已的降维和简化,无法对于气动负荷分布进行有效地全面评估,因此气动设计结果往往存在一定偏差,需要多轮的迭代修正,降低了设计效率。本研究方向通过引入人工智能分析方法,辅助提升风扇气动负荷分布评估的速度和精度,改进传统气动设计的递进迭代模式,从而提高设计效率。

可控变形超高压比智能风扇设计技术

通过开展智能耦合结构力学形变性能、碳纤维/压电材料复合结构叶片成型工艺、可控变形叶型气动性能和可控变形叶片流动/气弹稳定性影响因素等方面的研究内容,形成碳纤维/压电材料智能结构设计、可控变形碳纤维复合材料叶片成型工艺、可控变形叶型优化设计、可控变形叶片性能及稳定性一体化设计等技术储备。通过可控变形叶片原理性验证、可控变形叶栅气动性能实验等环节,逐步形成先进可控变形高负荷风扇部件设计技术。

基于弹性波散射特性的结构健康监测和参数识别方法

航天工业中存在大量复杂且精度要求很高的机械连接,它们的动力学参数直接影响整体结构系统的动力学特性,然而在设计阶段却难以直接根据理论计算得出。针对此问题,研究一种基于机电耦合波动理论和高灵敏度参数识别的连接结构动力学参数的确定方法。主要出发点是:通过压电纤维复合材料设计换能器,有选择性地激发和感应特定的弹性波,并根据其散射特性识别等效动力学参数

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