电动系统
目(mù)前大型、小型、轻(qīng)型无人机广(guǎng)泛采用(yòng)的东西(xī)装置为活(huó)塞发动机系统。而出于成本(běn)和使用方便的考虑(lǜ),微型无人机中普遍(biàn)使用的是电动(dòng)动力(lì)系统。电动动力系统主要(yào)由动(dòng)力电机、动力电源、速调(diào)系(xì)统三部分(fèn)组(zǔ)成。
1.动力电机
微(wēi)型无人机使用的动力电(diàn)机可以分为两类(lèi):有刷电(diàn)动机和无刷电(diàn)动机。其(qí)中有(yǒu)刷电动机由于效率(lǜ)较低,在去人(rén)机领域已(yǐ)逐(zhú)渐(jiàn)不再使用。
电动机(jī)的型号主(zhǔ)要以尺寸为依据。比如,有刷370电机,是指它不包括(kuò)轴(zhóu)的长度是37mm;无刷外(wài)电子2208电机是(shì)指它定子线圈的直径是22mm,不包(bāo)括轴电(diàn)子线圈的长度是8mm。当(dāng)然(rán)有一些型号是说它相当于某级别的(de),还(hái)有一些事厂(chǎng)家(jiā)自(zì)己命名的(de)。电动机的技术指标很多,与(yǔ)无人机动力特征最相关的两(liǎng)个是转(zhuǎn)速(sù)和(hé)功率(lǜ)。转速一般用kV来表示(shì),所谓kV是(shì)指每伏(fú)特(V)能达到的(de)每分(fèn)钟转速。比(bǐ)如,使用kV1000的电机,11.1V的电池,电机转速应该是1000×11.1=11100,每分(fèn)钟11100转。
无人机使用电动机作为动力具有其他动力(lì)装置无法比(bǐ)拟的优点,如结构简单、重量轻、使用方便,可使无人机我的噪声和红外(wài)特征(zhēng)很小,同时又能提供(gòng)与内燃机(jī)不相上下(xià)的比功率。它尤其适合作为低空、低速、微型无人机的动力。如美国FQM-151A“指针”手抛式(shì)无人机使用一台300W衫钴电动机,法国(guó)“方位角”便携式(shì)轻型无人机(jī)使用一台(tái)600W无刷直流(liú)电机(jī),俄罗斯“蜻蜓”短程监(jiān)视和环境监控无(wú)人(rén)机使用一台7.5kW电机。
2.动力电源
动力电源主(zhǔ)要为电(diàn)动机的运转提供(gòng)电能。通(tōng)常采用化学电池来作为电动无人(rén)机的动力电源,主要包(bāo)括镍氢(qīng)电池(chí)、镍铬(gè)电池、锂聚合物、锂(lǐ)离子动(dòng)力(lì)电(diàn)池。其中,前两种电池因重量重,能量密度低,现(xiàn)已基本上被锂聚合物(wù)动(dòng)力电池取代。
表示电池性能的(de)标称有很(hěn)多(duō),无人机(jī)动力(lì)系统设计中最关心的是电压、容量和放电能力。电池(chí)的电压用伏(fú)特(V)。
镍氢电(diàn)池(chí)的(de)标称(chēng)电压是1.2V,充电(diàn)后电压可(kě)达1.5V,放电后的保护电压(yā)为1.1V;
锂聚(jù)合物电池的标称电压是3.7V,充(chōng)电(diàn)后电压可达4.2V,放电后的(de)保(bǎo)护电压为3.6V。
电池的容(róng)量是(shì)用毫安(ān)时(mAh)来表示的,它的意思是电(diàn)池以某个电流来(lái)放电能维持一(yī)小(xiǎo)时。
电池的放(fàng)电能力是以倍率(C)来表(biǎo)示的,它的意(yì)思是说按照电(diàn)池的标称容量最大可达到多大(dà)的放电电流(liú)。例如,一个1000mAh、10C的电池,最大放电电流可达1000×10=10000毫安(ān),即10安培(A)。
根据欧姆定理,我们知道,电压等于电流乘以电阻,所以电压和电阻是定数时,电池的放电电流也是(shì)一(yī)定的(de)。
3.调速系统(tǒng)
动(dòng)力电机的调速系统(tǒng)成(chéng)为电调,全程为(wéi)电子调速器,简(jiǎn)称ESC。针对动(dòng)力电(diàn)机不同,可分为有刷电调和无刷电调。它根据控制信号调节(jiē)电(diàn)动机的转速。
对于它们的连接(jiē),一(yī)般情况如下:
(1)电(diàn)调的(de)输入(rù)线(xiàn)与电池连接;
(2)电调的(de)输(shū)出线(有刷两根、无(wú)刷三根)与(yǔ)电机连接(jiē);
(3)电调的信号线(xiàn)与接(jiē)收机连接。
另外,电调一般有电源输出功能(BWC),即在信号(hào)线的正负极之间有5V左右(yòu)的电压输(shū)出,通过信号线为接收机及舵(duò)机供(gòng)电。
涡喷
有人机涡轮喷气发动(dòng)机技术的发展,为无人机涡轮喷气发动机的发展提供了重要(yào)的(de)技术基础。目前(qián)小型涡轮喷气发动机已在少(shǎo)数高速无人靶机及突放(fàng)无人机(jī)中得到(dào)应(yīng)用。
小型(xíng)涡轮喷气发动机(jī)机构包含四部分(fèn):压气机、燃烧室、涡轮、喷管。压气机(jī)使(shǐ)空气以高速(sù)度通过(guò)气道到达(dá)燃烧室。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,涡轮同时通过轴连接到压气(qì)机(jī),使发动机循环运行。从(cóng)喷管拍出加速的高温燃气为整机提供推(tuī)力。
其他装置
除(chú)上述动力系统外,无(wú)人机中海油少数涡轴、涡桨、涡扇等(děng)动力装置的应用。从现有(yǒu)在役(yì)无人机装置的(de)情(qíng)况来看,涡轴(zhóu)发动机(jī)适用于中(zhōng)低(dī)空、低速(sù)短距/垂直起降无人(rén)机和倾转旋翼无人机,飞机起飞质量可达1000kg;涡桨发动机适用于中高空长航时无人机,飞机起(qǐ)飞质量可达(dá)3000kg(见图2.25);涡扇发(fā)动机适用于高空长航时无人机(jī)和无(wú)人战斗机,飞机起飞质量可以很大,如(rú)“全球鹰”重达11.6t。
螺旋桨
螺旋桨是一个旋(xuán)转的翼面,适用于(yú)任何机翼的诱导(dǎo)阻力(lì),失速和其他空气(qì)动力学原理也都对螺旋(xuán)桨适用。它提供必要的拉力(lì)或(huò)推理(lǐ)使飞机在空(kōng)气中移(yí)动(dòng)。螺旋桨产生推力的方式非常类似于机翼(yì)产生升力的方式(shì)。产生的升力大小依赖(lài)于桨叶的形态、螺旋桨叶迎角和(hé)发(fā)动(dòng)机的转速。螺旋桨叶本(běn)身是扭(niǔ)转的,因(yīn)此(cǐ)桨叶角从(cóng)毂轴到(dào)叶尖是变(biàn)化的。最大安(ān)装角(jiǎo)在毂轴处,而(ér)最小(xiǎo)安装角在叶尖。
螺(luó)旋桨叶扭转(zhuǎn)的原因(yīn)是为了从毂轴到叶(yè)尖产生一致的升力。当桨叶旋(xuán)转时,桨(jiǎng)叶的不同部分有不同的(de)实(shí)际速(sù)度。桨叶尖部线(xiàn)速度比(bǐ)靠近毂轴部位的要快,因为相(xiàng)同时间内叶尖要(yào)旋转的距离比毂轴附近要(yào)长。从毂轴到(dào)叶尖(jiān)安装角(jiǎo)的(de)变(biàn)化和线速度的相应变(biàn)化就能(néng)够在桨叶长(zhǎng)度上产生一致的升力。如果螺旋桨叶(yè)设计成在整个长度上(shàng)它(tā)的(de)安装角相同,那么效率(lǜ)会非常低(dī),因为随着空速的增加,靠近毂轴附近的部分将会有负迎角,而叶尖会失速。
轻型、微型(xíng)无人机一般(bān)安装定(dìng)距螺旋桨,大型、小型无人(rén)机根据需要可通过安装变距螺旋桨提高动力性能。
1.定(dìng)距螺旋(xuán)桨
定距桨不能改变桨距。这种(zhǒng)螺旋桨,只有在一定的空速(sù)和转速(sù)组合才能获得最好的效率。另外,还可以(yǐ)把定距桨分为两(liǎng)种类型(xíng),爬升螺旋桨(jiǎng)和巡航螺旋桨。飞机师安装爬升螺旋桨(jiǎng)还是巡航螺旋桨(jiǎng),依(yī)赖于它的预期用途。
(1)爬(pá)升螺旋桨有小的桨距,因此(cǐ)旋转阻力更多。阻力(lì)较低导致转速(sù)更高,和具有更多的功率(lǜ)能(néng)力,在起飞(fēi)和爬升(shēng)时这增加了性能,但是在巡航飞(fēi)行时降低了性能。
(2)巡航螺旋桨有(yǒu)高桨距,因此旋转阻力更多。更多阻力导(dǎo)致(zhì)较低转(zhuǎn)速,和(hé)较低的功率能力(lì),它降低(dī)了起飞和(hé)爬升性能,但是增加(jiā)了高速巡航飞行(háng)效率。
螺旋(xuán)桨通常安装在轴上,这个轴可能是发动(dòng)机曲轴的延伸。在这种情(qíng)况下,螺旋(xuán)桨转速就和曲轴(zhóu)的转速相同了(le)。某些(xiē)其他发动(dòng)机,螺旋桨是安装在和(hé)发动机曲轴经齿轮传动(dòng)的轴上。这(zhè)是,曲轴的转速(sù)就和螺(luó)旋桨(jiǎng)的转(zhuǎn)速(sù)不同了。
轻型、微信无人机常用定距螺旋桨,尺寸通常用X×Y来表示(shì),其中X代表螺旋桨直径,单位为英寸(cùn)(in),Y代(dài)表螺距(jù),即螺旋桨(jiǎng)在空气中旋转(zhuǎn)一圈(quān)桨平面(miàn)经过(guò)的距离,单位为英寸(in)。例如,22×10的(de)螺旋(xuán)桨尺(chǐ)寸为:桨(jiǎng)径22in,约为55.88cm,螺距10in,约为25.4cm。
轻(qīng)型、微型无人机(jī)一般(bān)使用2叶(yè)桨,少数使用3叶桨或4叶桨等。根(gēn)据(jù)无人机行业习惯,通常定义右旋前进的螺旋(xuán)桨(jiǎng)为(wéi)正桨,左旋前进的螺旋(xuán)桨(jiǎng)为反桨。桨径20in以下的螺旋桨有木(mù)材、工程塑(sù)料(liào)或碳纤维等材质,需(xū)要根(gēn)据实际需要选用。部分螺旋桨桨叶设(shè)计成马刀形状,桨尖后掠,这样可(kě)以在一定程度上(shàng)提高(gāo)效率。
2.变距螺旋桨
一些(xiē)较旧的可调桨距螺旋桨只(zhī)能在地面调节,大多数现代(dài)可调(diào)桨距螺旋桨被设计成可以在飞行中(zhōng)调节螺旋桨的(de)桨距。第一代可调桨距螺旋桨只提供两个桨(jiǎng)距设定---低(dī)桨(jiǎng)距设定和高桨距(jù)设定。然而(ér),今天,几乎所有可调桨(jiǎng)距螺旋桨系统都可以在(zài)一个范围内(nèi)调节桨(jiǎng)距。恒(héng)速螺旋桨比其他(tā)螺旋桨更有效率是因为(wéi)它能够在(zài)特定条件下选(xuǎn)择最有效率的发动(dòng)机转速。
装配恒速螺旋桨(jiǎng)的无人(rén)机有两项(xiàng)选择,油门控(kòng)制和螺旋桨控制。油门控制功率输(shū)出,螺旋桨控制调节发动(dòng)机(jī)转速。
恒速螺旋桨的(de)桨叶(yè)角范围由螺旋桨的恒速范围和高低桨距(jù)止位来确定。只(zhī)要螺旋(xuán)桨桨叶角位于恒速范围(wéi)内,而不超过任何一个桨距止位,发动(dòng)机转速就能维持恒定。然(rán)而,一旦螺(luó)旋(xuán)桨(jiǎng)桨叶到达止位,发动机转速讲随空速和螺(luó)旋桨(jiǎng)载荷的变化(huà)而适当地增加或者降(jiàng)低。例如(rú),选择了一个特定的(de)转速,飞机速度(dù)降低(dī)到足够使螺旋(xuán)桨(jiǎng)桨叶旋转(zhuǎn)直到到(dào)达低桨(jiǎng)距止位(wèi),如果需要空速(sù)再次(cì)降低,必须减小发动机转速,就像安装了固(gù)定桨距螺旋桨一样。当恒速螺(luó)旋(xuán)桨(jiǎng)的飞机(jī)加速到较快(kuài)的速度是还会发生相(xiàng)同的(de)情(qíng)况。随着飞机加速,螺(luó)旋(xuán)桨桨叶增加,以维持(chí)选定的转速直到(dào)到达(dá)高桨距止位。一旦达到止(zhǐ)位,桨叶角就不能再增加,如果需要再加速,发动机必须增加转(zhuǎn)速。
在装配恒速螺(luó)旋桨的飞机上,功率输出由油(yóu)门(mén)控制,用进气压力表指示。这个仪(yí)表测量进气道歧管中油气混合气的绝对压力(lì),更(gèng)精(jīng)准的说法(fǎ)上测量(liàng)歧(qí)管绝(jué)对压力(MAP)。在恒定转速和高(gāo)度条件下,产生功率的大小直接和流到燃(rán)烧室的油气(qì)混合流有(yǒu)关。当(dāng)你增(zēng)加油门设定时,流动发动(dòng)机的油气就(jiù)会增多,因此,歧管绝对压(yā)力增加。当发动机不运行时,歧管压力(lì)表指示周围(wéi)空气压(yā)力(lì)。当发动机气动后,歧管压力指示将会降低到一个低于周围空气压力的(de)值。

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