电(diàn)动系(xì)统
目前(qián)大(dà)型(xíng)、小型、轻(qīng)型无人机广泛采用的东西装置(zhì)为活(huó)塞发动机(jī)系统。而出于成本和使用方便的考(kǎo)虑(lǜ),微(wēi)型无人机(jī)中普遍使用的(de)是(shì)电动(dòng)动(dòng)力系统。电动动力系统主要由动力(lì)电机、动力电源、速调系(xì)统(tǒng)三(sān)部(bù)分(fèn)组成。
1.动力电机
微型无人机(jī)使用的动力电机可以分为两(liǎng)类:有刷电动机(jī)和无刷电动机。其(qí)中有刷电动机由于(yú)效率较(jiào)低,在去人机领域已逐(zhú)渐不再(zài)使用。
电(diàn)动机的型号主要以尺寸为依(yī)据。比如(rú),有刷(shuā)370电机,是指它不包括轴的长度是37mm;无刷外电子2208电机是指它定子(zǐ)线圈的直径是22mm,不包括轴(zhóu)电子线圈的(de)长度是8mm。当然有一些(xiē)型号是说它相当于某级别的,还有一些事(shì)厂家自己命名(míng)的(de)。电动机的技术指标很多,与无(wú)人机(jī)动力特征(zhēng)最相关的(de)两个是转速(sù)和功(gōng)率(lǜ)。转速一般用kV来表示,所谓kV是指每伏特(V)能达到的(de)每分钟转速。比如(rú),使用kV1000的电机,11.1V的电池(chí),电机转速应该是1000×11.1=11100,每分钟(zhōng)11100转。
无人机使用电(diàn)动机作(zuò)为动力具有其他动力装置无法比(bǐ)拟的优点,如结构简单(dān)、重量轻(qīng)、使(shǐ)用方便,可使(shǐ)无人机我的(de)噪声(shēng)和红外特征很小,同(tóng)时又(yòu)能提供(gòng)与内燃(rán)机不相上下的比功率(lǜ)。它尤其适合作为低空、低速、微(wēi)型无人机的动力。如美国(guó)FQM-151A“指(zhǐ)针(zhēn)”手抛式(shì)无人机使用一台300W衫钴电动机,法国“方位角”便携(xié)式轻(qīng)型无人机使用一台600W无刷直流电机,俄罗斯“蜻蜓”短程(chéng)监视和环境监控无人机使用一台7.5kW电机。
2.动力电(diàn)源
动力电(diàn)源主要为电动机的运转(zhuǎn)提供电能。通常采用化学电池来作(zuò)为电动无人(rén)机的动力电源,主要包(bāo)括镍氢电池、镍铬电池、锂聚(jù)合物、锂离(lí)子动力电池。其中,前两种电池因重量重,能量密(mì)度(dù)低,现已基本(běn)上被锂聚(jù)合物动力电池取代。
表示(shì)电池(chí)性能的(de)标称有(yǒu)很多,无人机(jī)动力(lì)系统设计中最(zuì)关心的是(shì)电压、容量和(hé)放电能力。电池的(de)电压(yā)用伏特(V)。
镍氢电池(chí)的标称电压(yā)是1.2V,充电后电压可达1.5V,放电后的保护(hù)电压为1.1V;
锂(lǐ)聚合物电池的标称电压是3.7V,充电(diàn)后电压可(kě)达4.2V,放电后的保护电压为(wéi)3.6V。
电池的容量是用毫安时(shí)(mAh)来表示的,它的意思是(shì)电池以某个电流来(lái)放电能维持一小时。
电池的放电能力是以倍(bèi)率(C)来表示(shì)的,它的意思是说按照电池的标称容量最大可达(dá)到多大(dà)的放电电流。例如,一个1000mAh、10C的电池(chí),最大放电电流(liú)可达1000×10=10000毫安,即10安(ān)培(A)。
根据欧姆(mǔ)定理(lǐ),我们知道,电压等于(yú)电(diàn)流乘以电阻,所以电压和电阻是(shì)定(dìng)数时,电池的放电电流也是一定(dìng)的。
3.调速系统
动力电(diàn)机(jī)的调(diào)速系统成(chéng)为电调,全程为(wéi)电子调速器,简称ESC。针(zhēn)对动力电机不同,可分为(wéi)有刷电调和无刷电调。它根据控制信号调节电(diàn)动机的转速。
对于它们的连接,一般(bān)情况如下:
(1)电(diàn)调的输(shū)入线与电池连接;
(2)电(diàn)调的(de)输出线(有刷(shuā)两根、无(wú)刷(shuā)三(sān)根(gēn))与电(diàn)机(jī)连接;
(3)电调的信(xìn)号线与接收机连接。
另外(wài),电调一般有(yǒu)电(diàn)源输(shū)出(chū)功(gōng)能(BWC),即在信号线的(de)正负极(jí)之间(jiān)有5V左(zuǒ)右的电压输出(chū),通过信号线为(wéi)接收(shōu)机及舵机(jī)供(gòng)电。
涡喷
有人机(jī)涡(wō)轮喷气发动(dòng)机技术的发展,为无人机(jī)涡轮喷气发动机的发展提供(gòng)了(le)重要(yào)的技术基(jī)础。目前小(xiǎo)型涡轮喷气发动机已在少数高速(sù)无人靶机及突放无人机中得到应用。
小型涡轮喷气发动机机构包含四部分:压气机、燃(rán)烧室、涡(wō)轮(lún)、喷管。压气机(jī)使空(kōng)气以高(gāo)速度通过气道到达燃(rán)烧(shāo)室。燃(rán)烧室包含燃油(yóu)入(rù)口和用于燃烧的点火器。膨(péng)胀的空气(qì)驱动涡轮(lún),涡轮同时通(tōng)过轴连接到(dào)压气机,使(shǐ)发动机循(xún)环运(yùn)行。从喷管(guǎn)拍出加(jiā)速的高温燃气为整(zhěng)机(jī)提供(gòng)推力。
其他装(zhuāng)置
除上述动力(lì)系(xì)统外,无(wú)人(rén)机中海油少数涡轴、涡桨、涡扇(shàn)等动力装置的应用(yòng)。从现有在役无人机装置的情况来看,涡轴发动机适用于中低空、低速短距/垂直起降(jiàng)无人(rén)机和倾转旋翼无(wú)人机,飞机起飞(fēi)质(zhì)量可达1000kg;涡桨发动机适用于中高空长(zhǎng)航时(shí)无人机(jī),飞机起飞质量可达3000kg(见图2.25);涡扇发动(dòng)机适用于高空长航时(shí)无(wú)人(rén)机和(hé)无(wú)人(rén)战斗机,飞(fēi)机起(qǐ)飞质量可以很大,如“全(quán)球鹰”重达11.6t。
螺旋桨(jiǎng)
螺(luó)旋(xuán)桨(jiǎng)是(shì)一个旋转的翼面,适用于任(rèn)何机翼(yì)的(de)诱导(dǎo)阻力,失速和其他空气动力学原理也(yě)都(dōu)对螺旋桨适用。它提(tí)供(gòng)必要的拉(lā)力或推理使飞机在空气中移动。螺(luó)旋桨产生推力(lì)的方式非常类似于机翼产生升(shēng)力的(de)方式。产生的升力大(dà)小(xiǎo)依赖于(yú)桨叶的形(xíng)态、螺旋桨叶(yè)迎(yíng)角和发动(dòng)机的转速。螺旋桨叶本身是(shì)扭(niǔ)转的,因此(cǐ)桨叶角从毂轴到叶尖(jiān)是变化的。最大(dà)安(ān)装角在(zài)毂轴处,而(ér)最小安装角在(zài)叶(yè)尖。
螺旋桨叶扭转的原因是为了从毂(gū)轴到叶尖产生一致(zhì)的升力。当桨叶旋转时,桨(jiǎng)叶的(de)不同部(bù)分有(yǒu)不(bú)同的实际速度。桨叶尖部线(xiàn)速度比靠近毂(gū)轴部(bù)位的要快,因为相同时(shí)间内叶尖要旋转的(de)距离比毂轴附(fù)近要(yào)长。从毂(gū)轴到叶尖安装角的变化和线速(sù)度的相应变化就能够在桨叶长度上产生一致的升(shēng)力(lì)。如(rú)果螺(luó)旋(xuán)桨(jiǎng)叶设计(jì)成在整个(gè)长度上它的安(ān)装角相同,那么效率会(huì)非常低,因为随(suí)着(zhe)空速的增加,靠近毂轴附近的部分将会有负迎角,而叶尖会失速(sù)。
轻型、微型(xíng)无人机一(yī)般安装定距螺旋桨,大型、小型无人机根据需要(yào)可通过安装变距螺旋桨提高(gāo)动力性能。
1.定(dìng)距螺旋桨
定距桨不能改变桨距。这种螺(luó)旋桨,只(zhī)有在一定的空速和(hé)转速组(zǔ)合才能获得最好的效(xiào)率。另外,还可以把定(dìng)距桨分为两种类型,爬(pá)升螺旋桨和巡航螺旋桨(jiǎng)。飞机师(shī)安装爬升螺旋桨还是巡航螺旋桨,依(yī)赖于它(tā)的预期用途。
(1)爬(pá)升螺(luó)旋(xuán)桨有(yǒu)小的桨距,因此旋转阻力更多。阻力较低导致转速更高,和具有更(gèng)多的(de)功率能力(lì),在(zài)起飞和爬升时这增加了性能(néng),但是在巡(xún)航飞行时降低了性能。
(2)巡航螺旋(xuán)桨有高(gāo)桨距,因此旋(xuán)转阻(zǔ)力更多。更多阻力导(dǎo)致较低(dī)转速,和较低(dī)的功率能力,它降低了起飞和(hé)爬(pá)升性能,但是增加了高速(sù)巡(xún)航(háng)飞行(háng)效(xiào)率(lǜ)。
螺旋桨通常安装(zhuāng)在轴上(shàng),这个(gè)轴可能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(mǒu)些(xiē)其他发动机,螺旋(xuán)桨是安(ān)装(zhuāng)在和(hé)发动(dòng)机曲轴(zhóu)经齿(chǐ)轮传动的(de)轴上。这是,曲(qǔ)轴的转(zhuǎn)速就和螺旋桨的转速不(bú)同了。
轻型、微(wēi)信无(wú)人机常用定距螺(luó)旋桨,尺寸通常用(yòng)X×Y来表示,其(qí)中X代表螺旋桨(jiǎng)直径(jìng),单位为英(yīng)寸(in),Y代表(biǎo)螺距,即(jí)螺旋桨在空气中旋(xuán)转一圈桨平面经过的距离(lí),单位为(wéi)英寸(cùn)(in)。例如,22×10的螺旋桨尺寸为:桨径22in,约(yuē)为55.88cm,螺距(jù)10in,约为25.4cm。
轻(qīng)型、微型无人机(jī)一(yī)般使用2叶(yè)桨,少数使用3叶桨或4叶桨等。根(gēn)据无人机行业(yè)习惯,通常定义右(yòu)旋前进的螺旋桨为正桨,左旋前进的螺旋桨为反桨(jiǎng)。桨径20in以下的(de)螺(luó)旋桨有木材、工程(chéng)塑(sù)料或碳(tàn)纤维等材质,需要根据实际需要选(xuǎn)用。部(bù)分螺(luó)旋桨桨叶设计成马刀(dāo)形状,桨尖后掠,这样可(kě)以在一定(dìng)程度上(shàng)提(tí)高效率。
2.变距螺旋桨
一些较旧的可调桨距(jù)螺旋桨只能在地面调节,大(dà)多数现代可调桨距螺旋(xuán)桨被设计成可以(yǐ)在飞行中(zhōng)调节螺旋桨的桨距。第一代可调桨距螺旋桨只提供两个桨距设定---低桨距设定和(hé)高桨距设定。然而,今天,几乎所有(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。恒(héng)速螺旋桨比其(qí)他螺旋桨更有效率是因为它能够在特定条件下(xià)选择最有效率(lǜ)的发动机转速。
装(zhuāng)配恒(héng)速(sù)螺旋桨的(de)无人机有两(liǎng)项选择,油门控制和螺(luó)旋桨控制。油门控制功率输出,螺旋桨控制调节发(fā)动机转速。
恒速螺旋桨的桨叶角范(fàn)围由螺旋桨的(de)恒速范(fàn)围和高(gāo)低桨距止位来确定。只要螺旋桨桨叶角位(wèi)于恒速范围内,而不超过任何一(yī)个桨距止位,发动机(jī)转速(sù)就能维持恒定。然而(ér),一旦螺旋(xuán)桨桨叶到达止位,发动机转速讲随空速和螺旋(xuán)桨载(zǎi)荷的变化(huà)而适当(dāng)地增加或者降低。例如,选择了一个特定的转速(sù),飞机速度降(jiàng)低到(dào)足够使螺旋(xuán)桨桨叶旋转直到到达低(dī)桨距止位,如果需要空速再次降低,必须(xū)减(jiǎn)小发动机转速,就像安(ān)装了固定桨距螺旋桨一样。当(dāng)恒速螺旋桨的飞机(jī)加速到较快(kuài)的速度是还会发生相同的(de)情况。随着飞(fēi)机加速,螺旋桨桨叶增加,以维持选定(dìng)的转速直到到达高桨(jiǎng)距(jù)止位。一旦达到止位,桨叶角就(jiù)不能再增加,如果需要再(zài)加速(sù),发动机必须增(zēng)加转速。
在装配恒(héng)速(sù)螺(luó)旋桨的飞机上,功(gōng)率输出(chū)由油门控(kòng)制,用进气压(yā)力表指示。这个仪表测(cè)量(liàng)进气(qì)道歧管中油气(qì)混合气的绝对压力,更精准(zhǔn)的说法上测量歧(qí)管绝对压力(lì)(MAP)。在恒定转速和高度(dù)条件下,产生(shēng)功率的(de)大小直(zhí)接和流到燃烧室(shì)的油气(qì)混(hún)合流有关。当你增加(jiā)油门设定时,流(liú)动发动机的油气(qì)就(jiù)会增(zēng)多,因此,歧(qí)管(guǎn)绝对压力增加。当(dāng)发动机不运行(háng)时,歧管压力(lì)表指示周围空气压力(lì)。当发(fā)动机气动后,歧管压力指示将会降(jiàng)低(dī)到一(yī)个低于周围(wéi)空气压力的值。

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