管理设有内燃机的无人驾驶飞行器的运转功率需求的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于管理针对配备有内燃机的旋翼无人驾驶飞行器的运转的功率需求的方法。
[0002]本发明还涉及一种设置有用于实现该管理方法的涡轮发动机的旋翼无人驾驶飞行器。
【背景技术】
[0003]已知一种包括用于确保旋翼系统的至少一个旋翼的驱动的单个驱动单元的旋翼机。
[0004]这样的驱动单元因而被调整成向旋翼机提供必要的功率以确保其推进和/或升力。
[0005]有时对于其中不能使用诸如汽油这样的某些燃料的应用而言该驱动单元必须是迪塞尔发动机类型的内燃机。
[0006]然而，针对航空市场的迪塞尔发动机的供应是非常有限的，这有时涉及在飞行器上使用高可靠性的机动车辆发动机，但是机动车辆发动机的功率不总是适合于飞行器和/或其功率密度通常是有限的。
[0007]此外，在垂直起降无人机上，在许多任务中持续时间相对较短的起飞和悬停阶段，功率需求常常是最大的。
[0008]因此，常常需要“提升”发动机的初始功率以达到可接受的安装性能。
[0009]向现有发动机增加涡轮增压器是一种通常用于向驱动轴提供额外功率的解决方案。
[0010]该涡轮增压器使得能够将增压空气供给至活塞的入口，由此使由发动机产生的功率显著增加。
[0011 ]对喷油规律的修改也是一种增大发动机功率的手段。
[0012]在这两种情况下，应当确保发动机的极限参数(涡轮增压器的涡轮机的入口处温度、气缸盖的压力)不受这些修改的影响，或者确保这些修改能够保证发动机的最小使用寿命O
[0013]这样的解决方案还可能要求对发动机冷却系统、密封垫等的更多修改。
[0014]无论如何，可以观测到，这些解决方案被证实不足以确保旋翼机的最佳运转，这是因为由迪塞尔发动机输送的最大功率是可变的并且取决于旋翼机的高度和温度条件。
[0015]这些最大可用功率变化足够大到必须考虑到它们并且定义动态策略。
[0016]还已知的是在某些飞行器上实现热辅助驱动单元，已知其缩写为APU(辅助动力装置)。
[0017]这种辅助驱动单元通常用于向诸如液压回路或气动回路这样的辅助回路供电，并且从不用于驱动旋翼飞行器上的至少一个旋翼的变速箱。
[0018]另一方面，当旋翼机的单个驱动单元出现故障时，由于该旋翼机不具有在不中断服务的情况下接管的冗余安全组件，因此旋翼机以不受控制的方式坠毁。
[0019]因此，存在对保证工作中的旋翼机能够在其驱动单元出故障的情况下安全着陆的相当大的需求。
【发明内容】
[0020]本发明的目的是通过提出一种管理用于确保无人机型旋翼机的运转的功率需求的方法来克服上述各种缺点，所述方法具有特别简单的设计和操作模式、可靠且经济，以及能够动态地考虑到由该旋翼机的主发动机提供的最大功率的变化。
[0021]本发明的另一个目的是一种能确保旋翼机在其主驱动单元出故障的情况下能够回收的方法，其中该旋翼机不具有冗余驱动单元。
[0022]本发明的又另一个目的是一种旋翼飞行器，例如垂直起降(VTOL)无人机，该旋翼飞行器的推进组件的原始布局使得能够实现上述用于管理功率需求的该方法。
[0023]为此，本发明涉及一种方法，所述飞行器包括提供易于变化的最大主功率Pm的内燃机。
[0024]根据本发明，在所述内燃机没有故障的情况下，执行以下步骤:
[0025]a)当内燃机运转时收集至少一部分排放气体，
[0026]b)利用以此方式收集的气体的能量来供给涡轮机，
[0027]c)借助于连接到该涡轮机的发电机来产生电流，以及
[0028]d)将有功率需求时由内燃机提供的最大主功率Pm与所需功率Pd进行比较，
[0029]e)如果最大主功率Pm至少等于所需功率Pd，则将以此方式生成的电能中的至少一部分存储在至少一个能量存储单元中，和/或使用以此方式生成的电能中的至少一部分以通过提供辅助功率Pa来辅助内燃机，其中，所述辅助功率Pa补充由内燃机产生的主功率Pt使得PA+Pt = PD，其中Pt小于Pm，或者
[0030]f)如果最大主功率Pm小于飞行器运转所需的功率Pd，则使用以此方式生成的电能中的至少一部分来辅助内燃机以提供所需功率Pd，或者使用存储在至少一个能量存储单元中的电能中的至少一部分来辅助内燃机以提供所需功率Pd，或者
[0031]g)如果所需功率Pd大于由内燃机(12)产生的最大主功率Pm与能够由至少一个存储单元提供的辅助功率的总和，则调整飞行器的运转以使得能够根据步骤e)和步骤f)之一来提供所需功率Pd。
[0032]因此，该管理方法提供了一种用于管理无人驾驶飞行器特别是旋翼无人驾驶飞行器的运转所需要的功率的全局方法。
[0033]假定期望增加垂直起降无人机的安装功率，则这个管理功率需求的方法是特别有利的。与新设备/系统的使用有关的附加质量，由在推进系统级别提高的整体效率和在发动机出故障的情况下回收无人机的可能性进行了补偿。
[0034]安装功率的增加使得能够携带更多的燃料以便增加无人机的自主性，或者使得能够更安全地携带更多的有效负载。
[0035]有利地，内燃机是活塞式发动机，在步骤b)中所使用的涡轮机是附加涡轮机，该附加涡轮机不是内燃机的一部分或者没有连接到内燃机。该附加涡轮机被有利地置于涡轮增压器的涡轮机的下游。
[0036]所述至少一个能量存储单元选自包含如下的组:电池、超级电容器等。
[0037]在该管理方法的不同【具体实施方式】中，每个实施方式各自具有其特定的优点且能够实现众多可能的技术组合:
[0038]-在步骤e)中，通过使用在所述至少一个能量存储单元中所存储的电能中的至少一部分来辅助内燃机，来供给所述内燃机的附加压缩机和/或供给产生辅助功率Pa的电机。
[0039]因此，利用存储在所述至少一个能量存储单元中的电能，可以向第二压缩机供电以使得能够增加内燃机中的气缸压力从而向驱动轴提供额外的功率Pa，和/或使得能够向与无人驾驶飞行器的主变速箱连接的电机供电(增加发动机扭矩)。
[0040]-由于所述飞行器是旋翼飞行器，因此调节所存储的电能以使得所存储的电能总是至少等于飞行器在所述内燃机出故障的情况下的回收能量。
[0041]因此，对回收能量的这个管理可以强制进行对步骤e)和步骤f)所描述的可能动作之一的选择。
[0042]-在步骤e)和步骤f)之前，确定每个能量存储单元的充电状态S0C。
[0043]当然，无人驾驶飞行器可以包括一个或更多个存储单元，例如一个或更多个电池。
[0044]如果无人驾驶飞行器包括多个电能存储单元，则该能量存储系统的存储容量等于每个存储单元的、或者专用于每个存储单元的容量的总和。
[0045]回想一下，电池的充电状态(SOC)表示储存在所述电池中的、通过电池完全充电后能存储的最大电量或标称容量归一化的(以Ah表示的)电量。
[0046]优选地，所述飞行器是包括N个电能存储单元的旋翼飞行器，其中N>1，在步骤f)中，如果(N-1)个其他存储单元中的剩余容量总和大于或等于Vs，贝Ij允许第一存储单元的容量小于或等于阈值Vs/N，其中Vs对应于飞行器在所述内燃机出故障的情况下的回收能量。
[0047]当然，当进行步骤e)时，优先考虑的是对具有小于所述阈值Vs/N的容量的存储单元进行充电，以使该容量返回到大于或等于V