电动系(xì)统(tǒng)
目前(qián)大型(xíng)、小型、轻型无(wú)人机广泛采用(yòng)的东(dōng)西(xī)装置为(wéi)活塞发动机系统(tǒng)。而出于成本和使(shǐ)用方便(biàn)的考虑,微(wēi)型无人机中普遍使用(yòng)的是电动动力系统。电动动力系统主要由动力电机、动(dòng)力电源、速调(diào)系统三部分组成。
1.动力电机
微型无人机使(shǐ)用的动力电机(jī)可以分为两类(lèi):有刷电动机和无(wú)刷电动机。其中有(yǒu)刷(shuā)电(diàn)动机(jī)由于效(xiào)率(lǜ)较低,在去人(rén)机领域已(yǐ)逐渐不再使用。
电动机的型号主要以尺(chǐ)寸为依据。比如,有刷(shuā)370电机,是指它(tā)不包括轴的长度是37mm;无刷外电子2208电机是指它(tā)定子线(xiàn)圈(quān)的直径是22mm,不包括轴电(diàn)子(zǐ)线圈的长(zhǎng)度是8mm。当然有一些型(xíng)号(hào)是(shì)说它相(xiàng)当于某级别的,还有一些事厂家自己命名的。电动机的(de)技术指标很多,与无人机动力特征最相关的两个是转速(sù)和功率。转速一般用kV来(lái)表示,所谓kV是(shì)指每伏特(V)能达到的每(měi)分钟转速。比如,使用kV1000的(de)电机,11.1V的电(diàn)池,电(diàn)机转速(sù)应该是1000×11.1=11100,每分钟11100转。
无人机使(shǐ)用电动(dòng)机作为动力具(jù)有其他动力装置无法(fǎ)比拟的优点(diǎn),如结构简(jiǎn)单、重量轻、使用方便(biàn),可使无人机我的噪声和红外(wài)特征很(hěn)小,同时又能(néng)提供与内燃机不相(xiàng)上(shàng)下(xià)的比功率。它尤其(qí)适合作为低空、低速、微型无人机(jī)的动(dòng)力。如美国FQM-151A“指针(zhēn)”手抛式(shì)无人机(jī)使用(yòng)一台300W衫钴电动机,法国“方(fāng)位角”便携式轻型(xíng)无(wú)人(rén)机使用一台600W无刷(shuā)直流电机(jī),俄罗斯“蜻(qīng)蜓”短程监视和环境监(jiān)控(kòng)无人(rén)机使用一台7.5kW电机。
2.动力电源
动(dòng)力电源主要为(wéi)电动(dòng)机(jī)的运(yùn)转提供电能。通常采用化学电池来作为电动(dòng)无(wú)人机的动力电源,主(zhǔ)要(yào)包括镍氢电池、镍铬(gè)电池、锂聚合物、锂(lǐ)离子动力电池。其中(zhōng),前两(liǎng)种电池因重(chóng)量重,能量(liàng)密(mì)度低,现已基(jī)本(běn)上被锂(lǐ)聚合物动力电池取代。
表示电池性能的标称(chēng)有(yǒu)很多,无人机动力系统设计中最关心的(de)是电压、容(róng)量和放(fàng)电能力(lì)。电池的电压用伏特(V)。
镍氢电池的标称电压是1.2V,充电后电压(yā)可达1.5V,放(fàng)电后的保护电压为1.1V;
锂聚合物电池的标称电压(yā)是3.7V,充电后电压(yā)可达(dá)4.2V,放电后的(de)保(bǎo)护电(diàn)压为(wéi)3.6V。
电(diàn)池(chí)的容量是用毫安时(mAh)来表示(shì)的,它的意思是电池以某个电流来放电能维持(chí)一小时。
电池的放电能力是以倍率(C)来表示的,它的(de)意思(sī)是说按照电池(chí)的标称(chēng)容量最(zuì)大可(kě)达到多大的放电(diàn)电流(liú)。例如,一个(gè)1000mAh、10C的电池,最(zuì)大放电(diàn)电流可达1000×10=10000毫安,即10安培(A)。
根据欧姆(mǔ)定理,我们知道,电压等于电(diàn)流乘以电阻,所(suǒ)以电压和电阻是(shì)定数(shù)时,电池的放电电流也是一定的。
3.调速(sù)系统
动(dòng)力电机的(de)调速系(xì)统成为电调,全(quán)程为电(diàn)子调速器,简称ESC。针(zhēn)对(duì)动力(lì)电(diàn)机不同,可分(fèn)为有刷电调和(hé)无(wú)刷电调。它根据控制信号调(diào)节(jiē)电动机的转速。
对于它们的连接,一般情(qíng)况如(rú)下:
(1)电调的输入线与(yǔ)电池连(lián)接(jiē);
(2)电调的输出线(有刷两根(gēn)、无刷三根)与电机连接;
(3)电调的信号线与接收机连(lián)接。
另外,电调一般有电(diàn)源(yuán)输出功能(néng)(BWC),即在信号线的正负极之间(jiān)有5V左右的电压输出,通过信号线为接(jiē)收机及舵机供电(diàn)。
涡喷
有人机涡轮喷(pēn)气发动(dòng)机技术的发(fā)展,为无人机涡轮(lún)喷气发动机的发展提供了重要的技(jì)术基(jī)础。目(mù)前(qián)小(xiǎo)型涡轮喷气发(fā)动机已在(zài)少数高速无(wú)人靶机及突放无人机(jī)中(zhōng)得(dé)到应用。
小型涡轮(lún)喷气发动机机构包含四部分:压气机、燃烧室(shì)、涡轮、喷管。压(yā)气机使空(kōng)气以高速度通过气道到达燃(rán)烧室(shì)。燃烧室(shì)包含燃油入口和(hé)用于燃(rán)烧的点火(huǒ)器。膨胀的空气驱动(dòng)涡轮(lún),涡轮同(tóng)时(shí)通过轴连接到压气机(jī),使发动机循环运(yùn)行。从喷管拍出加速的高温燃(rán)气为整机提供推力(lì)。
其他装(zhuāng)置
除上述动力系(xì)统外,无人机(jī)中海(hǎi)油少数涡轴、涡桨、涡(wō)扇(shàn)等(děng)动力装置的应(yīng)用。从现(xiàn)有(yǒu)在役无人(rén)机装置的情况来看,涡轴发动机适用(yòng)于中低空、低速短距/垂(chuí)直起降无人机和(hé)倾转旋翼无人机,飞(fēi)机起飞质量可达1000kg;涡桨发(fā)动机适用(yòng)于中高空长航时无人机,飞机起飞质量(liàng)可达(dá)3000kg(见图(tú)2.25);涡扇发动机适用于高(gāo)空(kōng)长航时无人机和(hé)无人战(zhàn)斗机,飞机(jī)起飞质(zhì)量可以很大,如“全球鹰”重达(dá)11.6t。
螺旋桨
螺旋桨是一个旋转的翼面(miàn),适用于任(rèn)何机翼(yì)的诱导阻力,失速和其他空气动力学原理(lǐ)也(yě)都对螺旋桨适用(yòng)。它提(tí)供必要的拉力或(huò)推理使飞机在空气中移动。螺旋(xuán)桨产生(shēng)推(tuī)力的方式非(fēi)常类似于机翼产生升力的(de)方(fāng)式(shì)。产生的升力大小依赖于桨叶的形态、螺旋桨叶迎角和发动机的转速。螺旋(xuán)桨叶本身是扭转(zhuǎn)的,因此桨叶角从毂轴到叶(yè)尖是变化的(de)。最大安装(zhuāng)角在(zài)毂(gū)轴处,而(ér)最小(xiǎo)安装角在叶尖。
螺旋桨叶(yè)扭转(zhuǎn)的原因是(shì)为了(le)从毂轴到叶尖产生一致的(de)升力。当桨叶旋转(zhuǎn)时,桨(jiǎng)叶的不同(tóng)部分有不同的实际速(sù)度。桨叶尖(jiān)部线速度比靠近毂轴部位(wèi)的要快,因(yīn)为相同时间内叶尖要旋转(zhuǎn)的(de)距离(lí)比毂(gū)轴附(fù)近要长(zhǎng)。从毂轴到叶(yè)尖安(ān)装角(jiǎo)的变化和线速(sù)度的(de)相应变(biàn)化就能够在桨叶长度上(shàng)产生一致的升力。如果螺旋桨(jiǎng)叶设计(jì)成在整个长(zhǎng)度上它的(de)安(ān)装(zhuāng)角(jiǎo)相同,那么效率(lǜ)会非常低,因为随着空速的增加,靠近毂(gū)轴附近的(de)部分(fèn)将会(huì)有负迎角(jiǎo),而叶尖会失速。
轻型、微型无人机(jī)一(yī)般安装(zhuāng)定(dìng)距螺(luó)旋桨(jiǎng),大(dà)型、小(xiǎo)型(xíng)无人(rén)机根据需要可(kě)通过(guò)安装变距(jù)螺(luó)旋桨提高动力(lì)性能。
1.定距螺旋(xuán)桨
定距桨不能改变桨距。这种螺旋(xuán)桨(jiǎng),只有在一(yī)定(dìng)的空速和转速组(zǔ)合(hé)才能获得最好的效率。另外,还可(kě)以把定距桨分为两种类型,爬升螺旋桨和巡航螺旋桨。飞机师安装爬升螺旋桨还(hái)是巡(xún)航螺(luó)旋桨,依赖于它的预期用(yòng)途。
(1)爬升(shēng)螺旋(xuán)桨有(yǒu)小的桨距,因此旋转阻力更多。阻力较低(dī)导致转速(sù)更高,和具(jù)有更(gèng)多的功率能力,在起飞和爬升时这增加了性(xìng)能,但(dàn)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(duō)。更多阻力导致较低转速(sù),和较低的功率能(néng)力,它降(jiàng)低了起飞和(hé)爬升性能,但是增加了高速巡(xún)航飞行效(xiào)率。
螺旋桨通常安装在(zài)轴上,这(zhè)个轴可能是发动(dòng)机曲(qǔ)轴的(de)延伸(shēn)。在这(zhè)种情(qíng)况(kuàng)下,螺旋(xuán)桨转速就和曲轴的转(zhuǎn)速(sù)相同了。某些其他(tā)发动机(jī),螺旋桨是安装(zhuāng)在和发动(dòng)机曲轴经齿轮传动的轴上。这是(shì),曲轴(zhóu)的转速就和螺旋桨的转(zhuǎn)速不同了(le)。
轻型、微(wēi)信无人机常用定距螺旋桨,尺(chǐ)寸通(tōng)常用X×Y来表示,其中X代表螺旋桨直径,单位为英寸(in),Y代(dài)表螺距,即螺(luó)旋桨在空气(qì)中旋转一圈(quān)桨平面经(jīng)过的(de)距离,单位为英寸(in)。例如,22×10的螺旋(xuán)桨尺寸为(wéi):桨径(jìng)22in,约(yuē)为55.88cm,螺距10in,约为25.4cm。
轻型(xíng)、微型无人机一(yī)般(bān)使(shǐ)用2叶桨(jiǎng),少(shǎo)数(shù)使用3叶(yè)桨或4叶桨等。根据无人机行业习(xí)惯(guàn),通常定义右旋前进的螺旋(xuán)桨为(wéi)正桨,左旋前进的螺旋桨为反桨。桨径(jìng)20in以下的螺(luó)旋桨有木材、工程塑料(liào)或碳纤维等材质,需(xū)要根(gēn)据实际需要选用(yòng)。部(bù)分螺旋桨桨叶设计成马刀形状,桨(jiǎng)尖后掠,这样可以在一(yī)定程度(dù)上(shàng)提高效率(lǜ)。
2.变距(jù)螺旋桨
一些(xiē)较旧的(de)可调桨(jiǎng)距(jù)螺旋桨只能在地面调节,大(dà)多数现代(dài)可调(diào)桨距(jù)螺旋(xuán)桨被设计成可以在(zài)飞行(háng)中调节螺旋桨的桨距。第一(yī)代可调(diào)桨距螺旋桨只提(tí)供两个桨(jiǎng)距设定(dìng)---低桨距设定和高桨距(jù)设定。然而,今天,几乎所有可(kě)调桨距螺旋桨(jiǎng)系统都可(kě)以在一(yī)个(gè)范围内(nèi)调节(jiē)桨距。恒速(sù)螺旋桨比其他螺旋桨更有效(xiào)率是因(yīn)为它能够在(zài)特定条(tiáo)件下选择(zé)最有效(xiào)率的发动机转速(sù)。
装(zhuāng)配恒速螺旋桨的无人机有两项选择,油门控制和螺旋桨控制。油门控制功率输出,螺旋桨控制调节(jiē)发动机转(zhuǎn)速(sù)。
恒速螺(luó)旋(xuán)桨的桨叶角(jiǎo)范围由螺(luó)旋桨的恒速范围和高(gāo)低桨距止位来确(què)定。只要螺旋桨(jiǎng)桨叶角位于恒速范围内(nèi),而不超(chāo)过任何(hé)一个桨距止位,发(fā)动(dòng)机(jī)转速(sù)就能维持恒定。然而,一旦螺旋桨(jiǎng)桨叶到达止位,发动机转速(sù)讲(jiǎng)随空速和螺旋桨(jiǎng)载荷(hé)的变化(huà)而适当地(dì)增加或者降低。例如,选择了一个特定的转速,飞机(jī)速(sù)度降低到足够使螺旋桨桨(jiǎng)叶(yè)旋(xuán)转直到到达低桨距止(zhǐ)位,如果需(xū)要空速再次降低,必须减(jiǎn)小(xiǎo)发动机转(zhuǎn)速,就(jiù)像安装了固定桨距(jù)螺(luó)旋桨一样(yàng)。当恒速(sù)螺旋桨的飞机加(jiā)速到较快的速度是还(hái)会发生相同的情况(kuàng)。随着飞机加速(sù),螺旋桨桨叶增加,以维持选定的转(zhuǎn)速直到到达高桨距止位。一旦达到止(zhǐ)位,桨(jiǎng)叶角就不能再增加,如果需(xū)要再(zài)加(jiā)速,发动机必(bì)须增加转速。
在(zài)装配恒速螺旋桨的飞(fēi)机上,功(gōng)率输出由油(yóu)门(mén)控制,用进气压(yā)力表(biǎo)指示。这个仪表测量进气道歧管中油气混(hún)合气的绝对压力,更精准的说法上测量歧管(guǎn)绝对压力(MAP)。在恒定转速和高度条件下(xià),产(chǎn)生功率(lǜ)的大小直接和流到燃烧室的油气混合流(liú)有关。当你增(zēng)加油门(mén)设定时,流动发动机的油气就(jiù)会增多,因此(cǐ),歧(qí)管绝(jué)对压力增加。当发动机不运行时,歧管压力(lì)表(biǎo)指示周围空气(qì)压力。当发动机气动(dòng)后,歧管压力指示(shì)将会降(jiàng)低到一个低于周围空气压力的值。

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