电动系(xì)统
目前大型、小型、轻型无人机广(guǎng)泛(fàn)采(cǎi)用的东西装置为活(huó)塞发动机系统。而出于成本(běn)和使用方便的(de)考虑,微型无人机中普遍使用的(de)是电动动(dòng)力系统。电动(dòng)动力(lì)系统主(zhǔ)要由动力电机、动力电(diàn)源、速调系统三部分组成。
1.动力(lì)电机
微型无人机使用的动力(lì)电机可以分为两类:有刷电动机和无刷电动机。其中(zhōng)有(yǒu)刷电(diàn)动机由(yóu)于效率(lǜ)较低,在去人机领域已逐渐不再使用(yòng)。
电动机的型号主(zhǔ)要(yào)以尺寸为依据(jù)。比(bǐ)如,有刷370电(diàn)机,是指它(tā)不(bú)包括(kuò)轴的长度是37mm;无刷(shuā)外电子2208电机是指它定子线圈的直径是22mm,不包括(kuò)轴电(diàn)子线圈的长度是8mm。当然(rán)有(yǒu)一些型号(hào)是说它相当(dāng)于某(mǒu)级别的,还有一些事(shì)厂(chǎng)家自(zì)己命名的(de)。电动机的技术指(zhǐ)标很多,与无(wú)人机动力特征最(zuì)相关的两个是转(zhuǎn)速和功率。转速一般用kV来表(biǎo)示,所(suǒ)谓(wèi)kV是(shì)指每伏特(V)能达到的每(měi)分钟转速。比如,使(shǐ)用kV1000的电机(jī),11.1V的电池,电(diàn)机转速应该是1000×11.1=11100,每分(fèn)钟11100转。
无人机使(shǐ)用电动机(jī)作为动力具有其(qí)他动力装置无法(fǎ)比(bǐ)拟(nǐ)的优点(diǎn),如结构(gòu)简单、重量轻(qīng)、使用方便,可使无(wú)人(rén)机(jī)我的噪声和红(hóng)外特征很(hěn)小(xiǎo),同时(shí)又能提供与内燃机不相上(shàng)下的比功率。它尤其适(shì)合作为低空、低速、微型无人机的动力。如(rú)美国(guó)FQM-151A“指(zhǐ)针”手抛(pāo)式无人(rén)机(jī)使用一台(tái)300W衫钴(gǔ)电动机,法国“方(fāng)位角(jiǎo)”便携(xié)式轻型(xíng)无人机使用一台600W无刷直流电机,俄罗斯“蜻(qīng)蜓”短程(chéng)监视和环境监控无人(rén)机使用一(yī)台7.5kW电机。
2.动力电源(yuán)
动力电源主要为电动机的运转提供电(diàn)能。通(tōng)常采用化学电池(chí)来作为电动无人机(jī)的(de)动力电源,主要包括镍(niè)氢电池、镍铬电池、锂聚合物、锂离子(zǐ)动力电池。其中,前两种电池因重(chóng)量重,能量密度低(dī),现已基本上(shàng)被锂(lǐ)聚合(hé)物动力(lì)电池取代(dài)。
表示电池(chí)性能的标称有很多(duō),无人(rén)机动(dòng)力系统设计中(zhōng)最关(guān)心的是电压、容量和放电能力。电(diàn)池的电(diàn)压(yā)用伏特(V)。
镍氢电池的标称电压是1.2V,充电后电压可达1.5V,放电后的保护电压为1.1V;
锂聚合物(wù)电池的标称电压是3.7V,充电后电(diàn)压可达4.2V,放电后的保(bǎo)护电压为(wéi)3.6V。
电池的容(róng)量是用毫安时(shí)(mAh)来表示的,它(tā)的(de)意思是电(diàn)池以某个电流来(lái)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),它的意思(sī)是(shì)说按照电池的(de)标称容量最(zuì)大可达到多大的放电电流。例如,一个1000mAh、10C的电池,最大放(fàng)电(diàn)电流(liú)可达(dá)1000×10=10000毫安,即10安培(A)。
根据欧(ōu)姆定(dìng)理,我们知道,电压等于电流乘以电阻,所以(yǐ)电压和电阻是定数时,电池(chí)的放(fàng)电电(diàn)流也是一(yī)定的。
3.调速(sù)系统
动力电机的(de)调速系统成为电调,全程为电子调速器,简(jiǎn)称ESC。针对动力(lì)电机不同,可分(fèn)为有刷电调和无刷电(diàn)调。它根据控(kòng)制信号调节电动机的转速。
对于(yú)它们的连接,一般情况(kuàng)如下:
(1)电(diàn)调的输入(rù)线与电池(chí)连接;
(2)电调的输出线(有刷两根、无刷三根)与电机连(lián)接;
(3)电调的信号(hào)线与接收(shōu)机(jī)连(lián)接。
另外(wài),电调一般有(yǒu)电源输出功能(BWC),即在信号(hào)线的正负(fù)极(jí)之间有5V左(zuǒ)右的电压(yā)输出(chū),通过信号线为接(jiē)收机及舵(duò)机供电。
涡喷
有人(rén)机(jī)涡轮喷气(qì)发动机(jī)技术(shù)的发展,为无(wú)人机涡轮(lún)喷气发动机的发展(zhǎn)提(tí)供了重要的技(jì)术基础。目前(qián)小型涡轮喷(pēn)气发动机已在少数高速无人靶机(jī)及突放无人(rén)机中得到(dào)应用。
小型涡轮(lún)喷(pēn)气(qì)发动机机构包(bāo)含四部(bù)分:压气机、燃(rán)烧(shāo)室、涡轮、喷管。压气机使空气以高速度通(tōng)过气道到达(dá)燃烧室(shì)。燃烧室包含燃油入(rù)口和用于燃烧的点火器。膨胀的空气驱(qū)动涡轮(lún),涡轮同(tóng)时(shí)通(tōng)过轴连接到压气机,使发动(dòng)机(jī)循环运行。从喷管拍出加速的高温燃(rán)气为整机提供推力。
其(qí)他装置
除(chú)上述动力系统外,无人机中海油少数涡(wō)轴(zhóu)、涡桨、涡扇(shàn)等动力装置的应用。从现(xiàn)有在役无(wú)人机装置的(de)情况来看,涡(wō)轴发动机适(shì)用于中低空、低(dī)速(sù)短(duǎn)距/垂(chuí)直(zhí)起降无人机(jī)和倾转旋翼无人(rén)机(jī),飞机起飞质量可达1000kg;涡桨发动机适(shì)用于中高空长航时无人机,飞机(jī)起飞质量可达3000kg(见(jiàn)图2.25);涡(wō)扇发动机适用(yòng)于高空(kōng)长航时无人机和无人战斗机,飞机起飞质量可以很大,如“全球鹰”重达11.6t。
螺(luó)旋(xuán)桨
螺旋桨是一个旋转的翼(yì)面,适(shì)用于任何机翼的(de)诱导阻力,失速和其(qí)他空(kōng)气动力学原理(lǐ)也都对螺旋桨适用。它提(tí)供(gòng)必(bì)要的拉力或推理(lǐ)使(shǐ)飞机(jī)在空(kōng)气(qì)中移动(dòng)。螺(luó)旋桨产(chǎn)生推力的方式非常类似于机翼产(chǎn)生升力的(de)方式。产生的(de)升力大(dà)小依赖于桨叶的形态(tài)、螺旋桨叶迎角和发(fā)动机(jī)的转速。螺旋桨叶本身(shēn)是扭转的,因此(cǐ)桨叶(yè)角(jiǎo)从毂轴到叶(yè)尖是变化(huà)的。最大安(ān)装角在毂轴(zhóu)处(chù),而最小安(ān)装角在叶尖。
螺旋桨叶(yè)扭转的(de)原因是为了从毂轴到叶尖(jiān)产生一致的升力。当桨叶旋转时,桨叶的(de)不同部分有不同的实(shí)际速度(dù)。桨叶尖部线速(sù)度比(bǐ)靠近毂轴部位的要快,因为(wéi)相同时间(jiān)内叶尖要旋(xuán)转的(de)距离比毂(gū)轴(zhóu)附近要(yào)长。从毂轴到叶尖安装(zhuāng)角的变化和线速度的相(xiàng)应(yīng)变化就能够在(zài)桨叶长度(dù)上产生一(yī)致的升力。如果螺(luó)旋(xuán)桨叶设计(jì)成在(zài)整个长度(dù)上(shàng)它(tā)的安(ān)装角相同,那么效率会非常低(dī),因为随着空速的增(zēng)加,靠近毂轴附近的(de)部分将会有(yǒu)负迎角,而叶尖会失速。
轻(qīng)型、微型无人(rén)机一般安装定距(jù)螺旋(xuán)桨,大型(xíng)、小型无人机根据需要可(kě)通过安装(zhuāng)变(biàn)距螺旋桨提高动力(lì)性能。
1.定距螺旋桨(jiǎng)
定距桨不(bú)能改变桨距。这种螺旋桨,只有在一定的空速和(hé)转速组合才能获得最好的效率。另外(wài),还可(kě)以把(bǎ)定距桨分为两种类型,爬升螺(luó)旋桨和巡航(háng)螺旋桨。飞机(jī)师安装(zhuāng)爬升(shēng)螺旋桨(jiǎng)还是巡航螺旋桨,依赖于它的预(yù)期用途。
(1)爬升螺旋桨有小(xiǎo)的桨距(jù),因(yīn)此(cǐ)旋(xuán)转阻力更多。阻(zǔ)力较低导致转速更高,和具有更多的功率能(néng)力,在起飞和爬升时这增加了性能(néng),但(dàn)是在巡航飞(fēi)行时(shí)降低了性能。
(2)巡(xún)航(háng)螺旋桨有(yǒu)高桨距(jù),因此旋转(zhuǎn)阻力更多。更多阻力导(dǎo)致较(jiào)低(dī)转速,和较低的功率能力,它(tā)降低了起飞和(hé)爬(pá)升性能,但是增加了高速巡航飞行效率。
螺旋(xuán)桨通常安装在轴上,这(zhè)个轴可能(néng)是发动机曲轴的延伸。在这种情况下,螺旋桨转速就和曲轴的转速相同了。某些其他发(fā)动机,螺旋桨是(shì)安(ān)装(zhuāng)在和(hé)发(fā)动机曲轴经齿轮传动的轴上。这是,曲轴的转(zhuǎn)速就和(hé)螺旋桨的转(zhuǎn)速不同了。
轻(qīng)型(xíng)、微信无人机常用定距螺旋桨,尺寸(cùn)通常用X×Y来表示,其中X代(dài)表螺旋桨直径(jìng),单位为英(yīng)寸(cùn)(in),Y代表螺(luó)距,即螺旋桨在空气中旋(xuán)转一圈桨平面(miàn)经过(guò)的距(jù)离,单位为英寸(in)。例如,22×10的螺旋桨尺寸为:桨(jiǎng)径22in,约为(wéi)55.88cm,螺距(jù)10in,约(yuē)为25.4cm。
轻型、微型无人机一般使(shǐ)用(yòng)2叶桨,少(shǎo)数使用3叶桨或4叶桨等。根(gēn)据无人机行业习惯,通常定义右(yòu)旋前进的(de)螺旋桨为正桨,左旋前进的螺旋桨为反桨。桨径20in以(yǐ)下的螺旋桨有木材、工程塑料或(huò)碳纤维等材质,需要根据(jù)实际(jì)需要选用。部分螺旋桨(jiǎng)桨(jiǎng)叶设计成马刀形状(zhuàng),桨(jiǎng)尖后掠,这样可以在一定程度上提(tí)高效率。
2.变距螺旋桨
一些(xiē)较旧的可调桨距螺旋桨只能在(zài)地面调节,大多数现代可调桨距(jù)螺旋桨(jiǎng)被设计成可以在飞行中调节螺旋桨的桨距(jù)。第一代可调桨距螺旋桨(jiǎng)只提供两(liǎng)个桨距设定---低(dī)桨距(jù)设定和高桨距设定。然而,今天,几乎所有可调桨距螺旋桨系统都可以在一个(gè)范围内调节桨(jiǎng)距。恒速(sù)螺旋桨比其他螺旋桨更有效率(lǜ)是因为(wéi)它能够在特定条件下选择最(zuì)有(yǒu)效率的发动机(jī)转(zhuǎn)速。
装配恒速螺旋桨的无人机有两项选择,油(yóu)门控制和螺(luó)旋桨控制。油门控制功(gōng)率输出,螺旋桨控(kòng)制调节发动(dòng)机转(zhuǎn)速。
恒速螺旋桨的桨(jiǎng)叶角范围由螺旋(xuán)桨的(de)恒速范(fàn)围和(hé)高低桨距止位来(lái)确定。只(zhī)要螺旋桨桨叶角(jiǎo)位于(yú)恒速范(fàn)围内,而不超过任何(hé)一个桨(jiǎng)距止位,发动机(jī)转速就能(néng)维(wéi)持恒定。然而,一旦螺旋桨(jiǎng)桨(jiǎng)叶(yè)到达止位,发动机(jī)转(zhuǎn)速讲随空速和螺(luó)旋桨载荷的变化(huà)而适当地增加(jiā)或者降(jiàng)低。例如,选(xuǎn)择了一个特定的(de)转速,飞机速度降低到足够使螺旋桨桨叶旋转(zhuǎn)直到到达低桨距止位,如果需要空(kōng)速(sù)再次降低,必(bì)须减小发动机转速,就像安装了固定(dìng)桨距螺旋桨一样。当(dāng)恒速螺旋桨(jiǎng)的飞机加速(sù)到较(jiào)快的速度是(shì)还会(huì)发(fā)生相同的情况。随着飞机(jī)加(jiā)速,螺(luó)旋桨桨叶增加,以维持(chí)选定的转速(sù)直到到达高桨距(jù)止位。一旦(dàn)达到(dào)止位,桨叶角就不(bú)能再增加,如果需要再加速,发动机必须增(zēng)加转速。
在装配恒速螺旋桨的飞机(jī)上(shàng),功率输出由油门(mén)控(kòng)制,用进气压力表指示。这(zhè)个仪表测量进气道歧管中油气混(hún)合气的绝对(duì)压力,更精准(zhǔn)的说法上测(cè)量歧管绝对压力(MAP)。在(zài)恒(héng)定转速和高(gāo)度(dù)条件(jiàn)下,产生功率的大小直接和流到燃烧室的油气混合流有关。当你增加(jiā)油门设(shè)定时(shí),流动发动机的油气就会增(zēng)多(duō),因此(cǐ),歧管绝对压力增(zēng)加。当发(fā)动机不运行时,歧管压力表指示周围空气压力。当发动机气动后,歧管(guǎn)压力指示将会(huì)降(jiàng)低到一个低于(yú)周围空气压力的值。

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