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航空知识手册之(zhī)四:电动、螺旋桨动力(lì)系统

 

电动(dòng)系统

目(mù)前大型、小型、轻型无人机广(guǎng)泛采用的东西装置为活塞发动机系统(tǒng)。而出于成(chéng)本和使用方便的考虑(lǜ),微型无(wú)人机中普遍使用(yòng)的是电动(dòng)动力系(xì)统。电(diàn)动动力系统(tǒng)主要由动力电机、动力电源、速调系统三部分组成。

1.动(dòng)力电机

微型(xíng)无人(rén)机(jī)使用的动力电机可以分为(wéi)两(liǎng)类:有刷电动(dòng)机(jī)和无刷(shuā)电动机。其中有刷电动机由于效(xiào)率较低(dī),在去人机领(lǐng)域已逐渐不再(zài)使用。

电动机的型号主要以尺(chǐ)寸为依据。比如,有刷370电(diàn)机,是指它不(bú)包括轴(zhóu)的长度是37mm;无刷(shuā)外电子2208电机是指它(tā)定(dìng)子线圈的(de)直径是22mm,不(bú)包括轴电子线圈的(de)长(zhǎng)度是(shì)8mm。当然(rán)有一些型号是说它相当于某级别的,还有一些事厂家自己命名的(de)。电动机的技术指标很多,与无人机动力特征最相(xiàng)关的两个是转速和功率。转速(sù)一(yī)般用kV来表示,所谓kV是(shì)指(zhǐ)每伏特(V)能达到(dào)的每分(fèn)钟转速。比(bǐ)如,使(shǐ)用kV1000的电机(jī),11.1V的电池,电机转(zhuǎn)速(sù)应该是1000×11.111100,每分钟11100转。

无(wú)人机使用电动机作为动力具有其(qí)他动力装置无法比拟的优点,如结构(gòu)简单、重量轻、使用(yòng)方便,可使无人机我的(de)噪声和红外特征很小,同时又能提(tí)供与内燃机(jī)不相上下的比功率。它尤其适合作为低空(kōng)、低速、微(wēi)型无(wú)人(rén)机的动(dòng)力。如美国FQM-151A“指针”手抛式无(wú)人机使用一台300W衫钴(gǔ)电动(dòng)机,法国(guó)“方位(wèi)角”便携式轻型无人机使(shǐ)用一台600W无(wú)刷直流电机(jī),俄罗(luó)斯“蜻蜓”短程监(jiān)视和环境监控无人机使(shǐ)用一台7.5kW电(diàn)机。

2.动力电源

动力(lì)电源主(zhǔ)要为电(diàn)动机的(de)运转提供电能(néng)。通(tōng)常采用化学(xué)电(diàn)池来作为(wéi)电动无人机的动力电(diàn)源,主要包(bāo)括镍氢电(diàn)池、镍铬(gè)电池、锂聚(jù)合物、锂离子(zǐ)动力电池。其中,前两(liǎng)种电池因重量重(chóng),能量密度低,现已基本(běn)上被(bèi)锂(lǐ)聚合物动力电池取代。

表示电池性(xìng)能(néng)的标称有很多,无人机动力系统设(shè)计中最关心的是电(diàn)压、容量(liàng)和放(fàng)电能力(lì)。电(diàn)池(chí)的(de)电压用伏特(V)。

镍氢电(diàn)池的标(biāo)称电压(yā)是1.2V,充电后电压可达1.5V,放电(diàn)后(hòu)的保护电压为1.1V

锂聚合物电池的标(biāo)称(chēng)电压是(shì)3.7V,充电(diàn)后电压可达4.2V,放(fàng)电(diàn)后的(de)保护电压为3.6V

电池的容量是(shì)用毫安时(mAh)来(lái)表示的,它的意思是电池以某个电流(liú)来(lái)放电(diàn)能(néng)维持(chí)一小时(shí)。

电(diàn)池(chí)的(de)放电能力是以倍率(C)来表示的,它的(de)意思是说按照电池(chí)的标称容(róng)量最大可(kě)达到多大的放(fàng)电电(diàn)流。例如(rú),一个1000mAh10C的电池,最大放电(diàn)电流可达1000×10=10000毫(háo)安,即10安培(A)。

根据欧姆定理(lǐ),我(wǒ)们知道(dào),电(diàn)压(yā)等于电流乘以电阻,所(suǒ)以(yǐ)电压和电阻(zǔ)是(shì)定数时(shí),电池(chí)的放电(diàn)电流也是一定的。

3.调速系统

动(dòng)力电机的调速系(xì)统成为电调,全程为电子调速器,简称ESC。针(zhēn)对动力电机不同,可分(fèn)为有刷电调和无刷(shuā)电调。它(tā)根据控制信号调节电动机(jī)的转速。

对于它们(men)的(de)连接,一般情况如下:

1)电(diàn)调的输入线与电池连接;

2)电调的输出(chū)线(有刷两(liǎng)根、无刷(shuā)三根)与电(diàn)机连(lián)接;

3)电调的信号线(xiàn)与(yǔ)接收机连接。

另(lìng)外,电调一般有电(diàn)源输出功能(BWC),即在信号线的正(zhèng)负极之间有5V左(zuǒ)右的电压输(shū)出,通过信号线为接收机及(jí)舵(duò)机供(gòng)电。

涡(wō)喷

有人机涡轮喷气发动(dòng)机(jī)技术的发展(zhǎn),为无人机涡轮喷气发动机的(de)发(fā)展提供(gòng)了(le)重要的技术基础。目(mù)前小型涡轮喷(pēn)气发动机已在少数(shù)高速(sù)无人靶(bǎ)机及突放(fàng)无(wú)人机(jī)中得到应用。

小型涡(wō)轮喷气发动机机构包(bāo)含四部分:压气(qì)机、燃烧室(shì)、涡轮、喷管。压气机(jī)使空气(qì)以(yǐ)高速度通过气道到达燃(rán)烧室。燃烧室包含燃油入(rù)口和用于燃烧的点火器。膨(péng)胀的空气驱动涡轮,涡轮同(tóng)时通过(guò)轴连接(jiē)到压气机,使发动机循(xún)环(huán)运行。从喷(pēn)管拍出加(jiā)速的(de)高(gāo)温燃气为整机提供推力。

其他(tā)装置

除上述动力系统(tǒng)外,无人机(jī)中海油少数(shù)涡(wō)轴、涡桨、涡扇(shàn)等动(dòng)力装置的应用。从(cóng)现有(yǒu)在役无(wú)人(rén)机(jī)装置的情况来看,涡轴发动机适用于中低空(kōng)、低速(sù)短(duǎn)距/垂直起降无人机和倾转(zhuǎn)旋翼无人机,飞机起飞质量可达1000kg;涡桨发动机(jī)适用(yòng)于(yú)中高空长航时无人机,飞机(jī)起(qǐ)飞(fēi)质量可(kě)达3000kg(见图(tú)2.25);涡扇发动机适用于高空长航(háng)时(shí)无人机和无人战斗机,飞机起飞质量可以很(hěn)大(dà),如“全球(qiú)鹰”重达11.6t

螺旋桨

螺旋(xuán)桨(jiǎng)是一个(gè)旋转的翼(yì)面,适(shì)用于(yú)任何机翼的诱导阻力,失速(sù)和其他空气动力学原理也都对螺旋桨适用。它提供必(bì)要(yào)的(de)拉力或推理(lǐ)使飞机在空(kōng)气中移动。螺(luó)旋桨产生推力的(de)方式非(fēi)常类似于机翼产生(shēng)升力的方(fāng)式。产生的升力大小依(yī)赖(lài)于桨叶的形态、螺旋桨叶迎角和发动(dòng)机的(de)转速(sù)。螺旋(xuán)桨叶本身是扭转的(de),因此桨叶角从毂(gū)轴到(dào)叶尖是变化的。最大安装角在毂轴处,而最小安装角在叶(yè)尖。

螺旋(xuán)桨(jiǎng)叶扭转的(de)原因是为了(le)从(cóng)毂轴到叶尖产生一致的升力。当桨叶旋转时,桨(jiǎng)叶的不同部分(fèn)有不(bú)同的实际速(sù)度。桨叶尖部线速度(dù)比靠近毂轴部位的要快,因为相同时(shí)间内叶尖(jiān)要(yào)旋转的(de)距离比毂轴附近要长。从毂轴到(dào)叶尖安装角的变化和(hé)线速度的相应变化就能(néng)够在(zài)桨叶(yè)长度上产(chǎn)生一致(zhì)的升力(lì)。如果(guǒ)螺旋桨叶设计成在整(zhěng)个长(zhǎng)度上它的安(ān)装角相同,那么效率会非常(cháng)低,因为(wéi)随(suí)着空速(sù)的增(zēng)加,靠近毂轴附近的部分将会(huì)有负迎角,而叶尖会失速(sù)。

轻(qīng)型、微型无人机一般安装定距螺旋桨,大型、小型(xíng)无人机(jī)根据需要(yào)可通(tōng)过安装(zhuāng)变距螺旋桨提高动力性能。

1.定距螺旋桨

定距桨不能改变桨距。这种螺旋桨,只(zhī)有(yǒu)在一(yī)定的空(kōng)速和(hé)转速(sù)组合才能获得最好的效率。另外,还可以把定距桨分为两种类型,爬升螺旋桨和巡航螺旋桨(jiǎng)。飞机师安装爬升螺旋桨还是巡(xún)航螺旋桨,依(yī)赖(lài)于它的预期用(yòng)途(tú)。

1)爬升(shēng)螺旋(xuán)桨(jiǎng)有小的桨距,因此旋转阻力(lì)更多。阻力(lì)较低(dī)导致(zhì)转(zhuǎn)速更高,和具有更多的功率能力,在起飞和爬升时(shí)这(zhè)增加了性能,但是在巡航(háng)飞行时降(jiàng)低(dī)了性能。

2)巡航螺旋桨有高桨(jiǎng)距,因此旋转(zhuǎn)阻力更(gèng)多(duō)。更多(duō)阻力(lì)导(dǎo)致较(jiào)低转速,和较低(dī)的功率(lǜ)能力,它降低了起飞和爬升性能,但是增加了高速巡航飞行效率。

螺旋桨通常安装在轴上,这个轴(zhóu)可能是发动机曲轴的(de)延(yán)伸。在这种情况下,螺旋(xuán)桨转(zhuǎn)速就(jiù)和曲轴的(de)转速相同了(le)。某些(xiē)其他发动机,螺旋桨(jiǎng)是安(ān)装在和(hé)发动机曲轴经齿(chǐ)轮传动的轴上。这(zhè)是,曲轴的转速(sù)就和(hé)螺旋桨的转速不同了。

轻型、微信无人机常用(yòng)定距螺(luó)旋桨,尺(chǐ)寸通(tōng)常用X×Y来表示,其中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(zài)空气中(zhōng)旋转一圈桨(jiǎng)平面经过的(de)距(jù)离,单位(wèi)为英寸(in)。例如(rú),22×10的(de)螺旋桨尺寸为:桨径22in,约为55.88cm,螺距10in,约(yuē)为(wéi)25.4cm

轻型、微型无人机(jī)一般使用2叶(yè)桨,少数使用(yòng)3叶桨或(huò)4叶桨等。根据(jù)无人机行业习惯(guàn),通常定义右旋前进的螺旋桨为(wéi)正桨,左旋前进的螺旋桨为反桨。桨径20in以下的螺(luó)旋桨有木材、工程塑(sù)料或碳纤维等材质(zhì),需要根(gēn)据(jù)实际需要选(xuǎn)用。部(bù)分螺旋桨桨叶(yè)设计成马刀形状,桨尖后掠,这样可以在(zài)一(yī)定程度上提高效(xiào)率(lǜ)。

2.变距(jù)螺旋桨

一(yī)些较旧的可(kě)调桨距螺旋桨只(zhī)能在地面调节,大多数(shù)现代可调桨距螺旋(xuán)桨被(bèi)设计(jì)成可以(yǐ)在(zài)飞行中调节螺旋桨的桨(jiǎng)距。第一(yī)代可调桨距(jù)螺旋桨只提(tí)供两个桨距(jù)设定---低桨距设定和(hé)高桨(jiǎng)距设定。然而,今天,几乎所有可调桨距螺旋桨(jiǎng)系统(tǒng)都可以在一个(gè)范(fàn)围内调节桨距。恒速螺旋桨(jiǎng)比其他螺旋桨(jiǎng)更(gèng)有效率是因为它能够在特定条件(jiàn)下(xià)选择最有(yǒu)效(xiào)率的发动机转(zhuǎn)速。

装配恒速螺旋桨的(de)无人机有两项选(xuǎn)择,油(yóu)门控制和螺旋桨控制(zhì)。油门控制(zhì)功率输出,螺旋桨控制调节发动机转速(sù)。

恒速(sù)螺旋(xuán)桨(jiǎng)的桨(jiǎng)叶角范围由螺旋桨(jiǎng)的恒速范围和高低桨距(jù)止位来(lái)确定。只要螺旋桨桨(jiǎng)叶角位于恒(héng)速范(fàn)围内(nèi),而不超过任何一个桨距止位,发动机转速就(jiù)能维持恒定(dìng)。然而,一(yī)旦螺(luó)旋桨桨叶到达止位,发(fā)动机转(zhuǎn)速讲(jiǎng)随空速和螺旋桨载荷的变化(huà)而适当地(dì)增加或者降(jiàng)低。例如,选(xuǎn)择了一个特定(dìng)的(de)转速,飞机速度降低到足够使(shǐ)螺(luó)旋桨桨叶旋转直到到达低桨(jiǎng)距止位,如果(guǒ)需要空(kōng)速再次降低(dī),必须(xū)减小发动(dòng)机转(zhuǎn)速,就像安装了固定桨距螺旋桨一样(yàng)。当恒速螺旋桨的飞机加速到较快的速度是还会发生相同的情(qíng)况。随着飞机加速,螺旋桨桨叶增加(jiā),以维持(chí)选定的转速直到到达高桨距止位。一旦达到止位,桨叶角就不(bú)能再增加,如果需要再(zài)加速,发动机必(bì)须增加转速。

在装配恒(héng)速螺(luó)旋桨的飞机上(shàng),功率输(shū)出由油门控(kòng)制,用进气压力表指示。这个仪表(biǎo)测(cè)量进气(qì)道歧管中油气混合气的绝(jué)对(duì)压力,更(gèng)精准的(de)说法上测量歧管绝(jué)对压力(lì)(MAP)。在恒定转速和高度条(tiáo)件下,产生功率的大小直接和流(liú)到燃烧室的油气混合流有关。当你增加油(yóu)门(mén)设(shè)定(dìng)时,流动发动(dòng)机的油气就会增(zēng)多(duō),因此,歧管绝对压力增加(jiā)。当发(fā)动机不运行时,歧管压力表(biǎo)指示周(zhōu)围空气压力。当发动机气动(dòng)后,歧管压力指示将(jiāng)会降(jiàng)低到一个低于周围(wéi)空气压力的值。

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