电(diàn)动系(xì)统
目(mù)前大型、小型(xíng)、轻型无人机(jī)广泛采用的东西装置为(wéi)活塞发动机系统。而出于成本和使用方(fāng)便的考虑,微型(xíng)无人机中普遍使用的是电(diàn)动动力系统。电动动力系统主要由动力(lì)电机、动力电源、速调系统三部分组成。
1.动力电机(jī)
微型无(wú)人机使用的(de)动力电机可以分为(wéi)两(liǎng)类:有刷电动机和无刷电动(dòng)机。其中有刷电动机由于效率较低,在去人(rén)机(jī)领(lǐng)域已逐渐不再使用。
电动机的型号(hào)主要以尺(chǐ)寸(cùn)为依据。比(bǐ)如(rú),有刷370电(diàn)机,是指它不包括轴的长度是37mm;无刷外电子2208电(diàn)机(jī)是指(zhǐ)它定子线圈(quān)的直径是22mm,不(bú)包括轴电子线圈的长度是8mm。当然(rán)有(yǒu)一些型号是说(shuō)它相(xiàng)当于某级别的,还有一(yī)些事厂(chǎng)家自(zì)己命名的。电动机的技术指标很(hěn)多,与无人机动(dòng)力(lì)特征最相关的两(liǎng)个(gè)是(shì)转速和功率。转速一般用(yòng)kV来(lái)表(biǎo)示(shì),所谓kV是指每伏特(tè)(V)能达(dá)到(dào)的(de)每分钟转速。比如,使用kV1000的电(diàn)机(jī),11.1V的电池,电机转速应该(gāi)是1000×11.1=11100,每分(fèn)钟11100转。
无(wú)人机使(shǐ)用电动机作为动力具有其他(tā)动力(lì)装置无法比拟的优点(diǎn),如结(jié)构(gòu)简单、重(chóng)量轻、使用方便,可使无(wú)人机我的噪声和(hé)红(hóng)外特征很小,同时又能提(tí)供与内燃机不相上下的比功率。它尤其(qí)适合作为低空、低速(sù)、微型无人机的动力。如美(měi)国FQM-151A“指针”手抛式无(wú)人机使用一台300W衫钴电动(dòng)机,法国(guó)“方(fāng)位角”便(biàn)携(xié)式轻型无人机使用一台600W无刷直(zhí)流电机,俄罗(luó)斯“蜻蜓”短程监视(shì)和环境监控无(wú)人机使用一台7.5kW电机(jī)。
2.动力(lì)电源(yuán)
动力电源主要为(wéi)电动机的(de)运转提供电能。通常采用(yòng)化学(xué)电池来作(zuò)为电动无人机的动力电源,主要包括镍(niè)氢电池、镍铬(gè)电池、锂聚合物(wù)、锂离子动力电池。其中,前两种电池因(yīn)重量重,能(néng)量密度低(dī),现(xiàn)已基本(běn)上被锂聚合物动力电(diàn)池取代。
表示电池(chí)性能的(de)标称有很多,无人机动力系统设(shè)计中最(zuì)关(guān)心的是(shì)电(diàn)压、容量和放电能力(lì)。电(diàn)池的电压(yā)用伏特(V)。
镍氢电池的标称电压是1.2V,充(chōng)电后电(diàn)压可达1.5V,放电(diàn)后的(de)保(bǎo)护(hù)电压(yā)为1.1V;
锂聚合物电池的标称电压是3.7V,充电后电压可达4.2V,放电后的保护(hù)电压为(wéi)3.6V。
电池的容量是用毫安时(mAh)来表(biǎo)示的,它的意(yì)思是电池以某个电流来放电能维持一小时。
电池的放电能力是以倍率(C)来表示的(de),它(tā)的意思是(shì)说(shuō)按照电池的标称容量最(zuì)大可达(dá)到多大的放电电流。例如,一个1000mAh、10C的电(diàn)池,最大放电(diàn)电流可(kě)达1000×10=10000毫安(ān),即(jí)10安培(A)。
根据欧姆定理,我们知道,电压等于电(diàn)流乘以电阻,所以电压和(hé)电阻是定数时,电池的放电(diàn)电流也(yě)是(shì)一定的(de)。
3.调速系统
动力电机的(de)调速系统成为电调,全程(chéng)为电子调速器,简称(chēng)ESC。针对动(dòng)力电机(jī)不同,可分为有(yǒu)刷电调(diào)和无刷(shuā)电(diàn)调。它根据控制信号调节电动机的转(zhuǎn)速。
对于它(tā)们的连接,一般情况如下:
(1)电调的输入线与电池(chí)连接;
(2)电调的输出线(xiàn)(有刷两根(gēn)、无刷三(sān)根(gēn))与电机连接(jiē);
(3)电调的信号线(xiàn)与接收机连接。
另外(wài),电调一般有电源输出功能(BWC),即在信号线(xiàn)的正负(fù)极(jí)之间有5V左右(yòu)的(de)电压输出,通(tōng)过信号线(xiàn)为接收机及(jí)舵(duò)机供电。
涡喷
有人机涡轮喷气发动机技术的发展,为无人机涡轮喷气发(fā)动机的发展提供(gòng)了(le)重要的技术(shù)基础。目前小型涡轮喷气发(fā)动机已在少数高速无人(rén)靶机及(jí)突放无人(rén)机中得到应用(yòng)。
小(xiǎo)型涡轮喷气发(fā)动机机构包(bāo)含(hán)四部(bù)分:压气机(jī)、燃烧室、涡轮、喷管。压气机使空气(qì)以高速度通过气道到达(dá)燃烧室。燃(rán)烧室包含燃油入口和(hé)用于燃烧的点火(huǒ)器。膨胀的空气驱动涡轮,涡(wō)轮同时(shí)通过轴连(lián)接(jiē)到(dào)压气机(jī),使发(fā)动机循(xún)环运行。从喷管拍出加(jiā)速的(de)高温燃气(qì)为整机(jī)提供推(tuī)力(lì)。
其他装(zhuāng)置
除上述(shù)动(dòng)力系统(tǒng)外(wài),无人机中海油少数涡轴、涡桨(jiǎng)、涡扇等动力装置的应用。从(cóng)现有(yǒu)在役(yì)无(wú)人机装置的情(qíng)况来看,涡轴(zhóu)发动机适用于中低(dī)空、低速短(duǎn)距/垂(chuí)直(zhí)起(qǐ)降无(wú)人机(jī)和(hé)倾转旋翼(yì)无人(rén)机,飞机起飞质量(liàng)可达1000kg;涡桨(jiǎng)发动机适用于中高空长航时无人机,飞(fēi)机起飞质量可达3000kg(见图2.25);涡扇发(fā)动机适(shì)用(yòng)于高空长航时无人机和无人战斗机,飞机起飞质(zhì)量可以很大(dà),如(rú)“全球鹰”重达11.6t。
螺旋桨(jiǎng)
螺旋桨是一个旋转的(de)翼面,适用于任何机(jī)翼的诱导阻力,失速和其他空气动力学(xué)原理也都对(duì)螺旋桨(jiǎng)适用。它提供(gòng)必要的拉力或推理使飞(fēi)机在空(kōng)气中移动。螺旋桨产(chǎn)生推力的方式非常类似于机翼产生升力的方(fāng)式。产生的升力大小依赖于桨叶(yè)的形态、螺旋桨叶(yè)迎角(jiǎo)和发(fā)动(dòng)机(jī)的转速。螺旋桨叶本身是扭转的,因此桨叶角(jiǎo)从(cóng)毂轴到叶尖是变化(huà)的。最大安装角在毂轴处,而最小安装角在叶尖。
螺旋(xuán)桨叶扭转的原因(yīn)是为了从毂轴到叶尖产生一致的升(shēng)力。当桨(jiǎng)叶旋转时,桨叶的不同部分(fèn)有不同的实(shí)际速(sù)度。桨叶尖部线速度比靠近毂轴部位的要快(kuài),因(yīn)为相同时间内叶尖要旋转的距离比毂(gū)轴附近要长(zhǎng)。从毂(gū)轴到(dào)叶尖安装(zhuāng)角(jiǎo)的变(biàn)化(huà)和线速度的相应变化(huà)就能够在桨叶(yè)长度上产生一致的升力(lì)。如果螺(luó)旋(xuán)桨叶(yè)设计成在整个长度(dù)上它的安装角相同,那么效(xiào)率会非常(cháng)低,因为随着空速的增加,靠近毂轴附近的部分将会有负迎角(jiǎo),而叶尖(jiān)会失速。
轻型、微型无人机一(yī)般安装定距螺旋桨,大型、小型无人机(jī)根据需要可通过安装(zhuāng)变距螺(luó)旋桨提高(gāo)动力性能(néng)。
1.定距螺旋桨
定距桨不能改变桨距。这种螺旋(xuán)桨,只有在一定的空(kōng)速和转速组合(hé)才能获得最好的效率。另外,还可以把定距桨(jiǎng)分为(wéi)两种类型(xíng),爬升螺旋桨(jiǎng)和巡航螺旋桨。飞机师安装爬升螺(luó)旋(xuán)桨还是巡航螺旋桨(jiǎng),依赖于它的(de)预期用(yòng)途。
(1)爬升螺旋桨有(yǒu)小的桨(jiǎng)距(jù),因(yīn)此旋转阻力(lì)更多。阻力(lì)较低导致(zhì)转速更高,和(hé)具有更多(duō)的功(gōng)率能(néng)力,在起飞和爬升时这增加了(le)性能,但是在巡航飞行时降低了性能。
(2)巡航螺旋桨有高桨距,因此(cǐ)旋(xuán)转阻力更(gèng)多。更多阻力导致较低转(zhuǎn)速,和较低的功率能力,它(tā)降低了起飞和爬升性能,但是(shì)增(zēng)加了高速巡(xún)航飞行效(xiào)率。
螺旋桨(jiǎng)通常安装在轴(zhóu)上,这个轴可(kě)能(néng)是发(fā)动机曲轴的延(yán)伸。在这种(zhǒng)情况下,螺旋桨转速就和(hé)曲轴的转速相同(tóng)了(le)。某些其他发动机,螺旋桨是安装在和发动机曲轴经齿(chǐ)轮传(chuán)动的(de)轴上。这是(shì),曲(qǔ)轴的转速就(jiù)和螺旋桨的转速不同了。
轻型、微信无人机常用定距(jù)螺旋桨,尺寸通常用X×Y来表(biǎo)示,其中(zhōng)X代表(biǎo)螺旋桨直径,单位为英寸(in),Y代表螺距,即螺(luó)旋桨在空气中旋(xuán)转一圈桨平面经过的距离,单位(wèi)为英(yīng)寸(in)。例如,22×10的(de)螺旋桨尺(chǐ)寸为:桨径22in,约为55.88cm,螺距(jù)10in,约为25.4cm。
轻型、微型无人机一(yī)般使用2叶桨,少数使用3叶桨或4叶桨等。根据(jù)无人机行业习惯,通常定义(yì)右(yòu)旋前进的(de)螺旋桨(jiǎng)为正桨,左旋前进的螺(luó)旋桨为反桨。桨径20in以下(xià)的螺旋桨有木材、工程塑料或碳纤维等材质,需要根据实际需要选用。部分螺旋桨桨叶设计(jì)成(chéng)马刀形状,桨尖后掠,这样可(kě)以在一(yī)定程度上提高效率。
2.变距螺旋桨
一些(xiē)较(jiào)旧的(de)可调桨距螺(luó)旋(xuán)桨只能在地面(miàn)调节,大多数现代(dài)可调桨距(jù)螺旋桨被(bèi)设计成可以在飞行中调节螺旋桨的桨距。第一代(dài)可调(diào)桨距(jù)螺旋桨只提(tí)供(gòng)两个桨距设定---低桨距(jù)设定(dìng)和高(gāo)桨距设定(dìng)。然而,今天,几乎(hū)所有(yǒu)可调(diào)桨距螺旋桨系统都可以在一(yī)个范围内调节桨距(jù)。恒速(sù)螺旋桨比其他螺旋桨更(gèng)有效(xiào)率是因(yīn)为它能够在特定条件下选择最有效(xiào)率的发动机转速。
装(zhuāng)配恒速螺(luó)旋桨的(de)无人机(jī)有两项选择(zé),油门(mén)控制和螺旋桨控制。油门控制功率输出,螺(luó)旋桨控制调节发动机转速。
恒速螺旋桨的桨叶角范围由螺(luó)旋桨的恒速范围和高低(dī)桨(jiǎng)距止位来确定(dìng)。只要螺旋桨桨叶角(jiǎo)位于恒速范围内,而不超过(guò)任(rèn)何一个桨距止位,发动机转速就(jiù)能维(wéi)持恒定。然而,一旦螺旋桨(jiǎng)桨叶到达(dá)止(zhǐ)位,发动(dòng)机(jī)转速讲随(suí)空速(sù)和螺旋桨载荷的(de)变化而(ér)适当地增加或者降低。例如(rú),选择了(le)一个特定的转(zhuǎn)速(sù),飞机(jī)速度降(jiàng)低到足够(gòu)使螺(luó)旋桨桨(jiǎng)叶旋转(zhuǎn)直到到达低(dī)桨距止位,如果需要空速(sù)再次(cì)降(jiàng)低,必须减小发动机转速,就(jiù)像安(ān)装了固(gù)定桨距螺旋桨一样。当恒速螺旋桨的飞(fēi)机(jī)加速到较快的(de)速(sù)度是(shì)还(hái)会发生相同的情(qíng)况。随着飞(fēi)机加速,螺旋桨桨叶增加,以(yǐ)维持选定的转速(sù)直(zhí)到到达高桨距止(zhǐ)位。一(yī)旦达(dá)到止位,桨(jiǎng)叶角就不能再增加,如果需要再(zài)加速,发动机(jī)必(bì)须增加转速。
在(zài)装(zhuāng)配恒速螺旋(xuán)桨的飞(fēi)机上(shàng),功率输出由油门控制,用进(jìn)气压(yā)力表(biǎo)指(zhǐ)示。这个仪表(biǎo)测量进气道(dào)歧管中油(yóu)气混合(hé)气的(de)绝对压(yā)力(lì),更精准(zhǔn)的说(shuō)法上(shàng)测量歧(qí)管绝对压力(MAP)。在恒定(dìng)转速和高度(dù)条件下,产(chǎn)生(shēng)功率的大小直接和(hé)流到燃烧室的油气混合流有关。当你增加(jiā)油门设定时(shí),流动发动机的油(yóu)气就(jiù)会增(zēng)多,因此,歧(qí)管绝(jué)对压力增加。当发动(dòng)机不运行时,歧(qí)管压力表指示周围(wéi)空气压力。当发动机气动后,歧(qí)管压(yā)力指(zhǐ)示将会降(jiàng)低到(dào)一个低于周围空气压力的值。

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