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航空知识手册之四(sì):电动、螺旋桨动力系统

 

电动(dòng)系统(tǒng)

目前大型、小型、轻型(xíng)无人(rén)机广泛采用的东西装置为活塞发动机系统。而出于成(chéng)本(běn)和使用方便的考虑,微型(xíng)无人机中普遍使用的是电(diàn)动(dòng)动力(lì)系统。电动(dòng)动力系统主要由(yóu)动力电机、动力电源、速(sù)调系统三部(bù)分组成。

1.动力电机

微型无人机使用的动(dòng)力电机可以分为两(liǎng)类:有刷电(diàn)动机和(hé)无刷电动(dòng)机。其中有刷电动(dòng)机由于(yú)效率较低,在(zài)去人机领域已逐渐不再使用。

电动机的型号主要以(yǐ)尺寸为依据(jù)。比如,有刷370电机,是指(zhǐ)它不包括轴(zhóu)的长度是37mm;无刷外电(diàn)子2208电(diàn)机(jī)是指(zhǐ)它定(dìng)子线圈的直径是22mm,不包括轴电(diàn)子线(xiàn)圈(quān)的长度是8mm。当然(rán)有一些型号是(shì)说它相当(dāng)于(yú)某级别的(de),还有(yǒu)一些事厂家自己命名的。电(diàn)动机的技术指(zhǐ)标很多,与无人(rén)机动力特(tè)征最相(xiàng)关的两个(gè)是转速和功率。转速一般用kV来表示,所谓kV是指每伏特(V)能达到的每分钟转速。比(bǐ)如,使(shǐ)用kV1000的电(diàn)机,11.1V的电池,电机(jī)转速应该(gāi)是1000×11.111100,每(měi)分钟11100转。

无(wú)人机使(shǐ)用电动(dòng)机作为(wéi)动(dòng)力具有其他动(dòng)力(lì)装置(zhì)无法比(bǐ)拟的优点,如结构简单(dān)、重量轻、使用方便,可使无人机我(wǒ)的噪声(shēng)和红外(wài)特(tè)征(zhēng)很小,同时又(yòu)能提供与内燃机(jī)不相上下的比功率(lǜ)。它尤其(qí)适合作为低空(kōng)、低速、微型无人机的动力。如美国FQM-151A“指(zhǐ)针(zhēn)”手抛式(shì)无(wú)人机使用一台300W衫钴电动机,法(fǎ)国“方(fāng)位角”便携式轻型无人机使用一(yī)台600W无(wú)刷直流(liú)电机,俄(é)罗斯(sī)“蜻(qīng)蜓”短程监视和环境监控(kòng)无人机使用一台7.5kW电机。

2.动力(lì)电源

动力电源主要为电(diàn)动机(jī)的(de)运转提供(gòng)电能。通常采用化学电池来作为(wéi)电动无人机的动力电源,主要包括(kuò)镍氢(qīng)电池、镍铬电池、锂聚合物、锂离子动力电池(chí)。其(qí)中,前两种电(diàn)池因重量重,能量密度低(dī),现已基本(běn)上被锂聚(jù)合物动力(lì)电池取代。

表示电池性能的标称有很多,无人机动(dòng)力系(xì)统设计(jì)中最关(guān)心的(de)是电(diàn)压(yā)、容量和放电能力。电池的电压用伏特(V)。

镍氢电池的标(biāo)称电压是1.2V,充电后(hòu)电压可达1.5V,放电后的保(bǎo)护电压为1.1V

锂聚合物电池的标称电压是3.7V,充(chōng)电(diàn)后电压可达4.2V,放(fàng)电(diàn)后的(de)保护(hù)电压为3.6V

电(diàn)池的容量是用毫(háo)安时(mAh)来表示的(de),它的意思是(shì)电池以某个电(diàn)流来放电能维持一小时。

电池的(de)放电能(néng)力是(shì)以(yǐ)倍率(C)来表示的,它的意思是说(shuō)按(àn)照电池的标称容量最大可达到多大的放电(diàn)电流。例如,一个1000mAh10C的电(diàn)池(chí),最大放电电(diàn)流可达1000×10=10000毫安(ān),即10安(ān)培(A)。

根(gēn)据欧姆(mǔ)定理,我们知道(dào),电压等于电流乘以电阻,所以电压和电阻(zǔ)是定数时,电池的(de)放电电(diàn)流也(yě)是一(yī)定的。

3.调速系统

动力电机的调速系统成为(wéi)电调(diào),全程为电子调速器,简(jiǎn)称ESC。针对动(dòng)力电机(jī)不(bú)同,可(kě)分为有刷(shuā)电调和无刷电调(diào)。它(tā)根据控制信号调节电动机的转速(sù)。

对于它们(men)的连接,一(yī)般(bān)情况如下(xià):

1)电调的输入线(xiàn)与电(diàn)池连接;

2)电调的(de)输出线(有刷(shuā)两根、无刷三根)与电机连接;

3)电调的信(xìn)号线与接收机连接。

另外,电调一(yī)般有电源输出(chū)功能(BWC),即在(zài)信号线的正负极(jí)之间有5V左右的电压输出(chū),通过信号线为(wéi)接(jiē)收机及舵机供电。

涡喷(pēn)

有人机涡轮喷气发动机技术的发展,为无人机涡轮喷气(qì)发动机的发展提供了(le)重要的技术基(jī)础。目前小型涡轮喷气发动机已在少数高速无人靶机及突放无人机中得(dé)到应用。

小(xiǎo)型涡轮(lún)喷(pēn)气发动机机(jī)构(gòu)包含四部(bù)分:压气机、燃烧室(shì)、涡轮、喷管。压气机使空(kōng)气(qì)以高速(sù)度(dù)通过气道到达燃烧室。燃烧室包含燃油入口和用于(yú)燃烧的点火器。膨胀(zhàng)的空气驱动涡轮,涡轮同时(shí)通过轴连接到压气机,使发(fā)动机循环运行。从(cóng)喷管拍出加速的高温燃气为整机提(tí)供(gòng)推(tuī)力。

其他装置(zhì)

除上述动(dòng)力系(xì)统外,无(wú)人机(jī)中海油(yóu)少数涡轴、涡(wō)桨(jiǎng)、涡(wō)扇等动力装置(zhì)的(de)应用。从现有在役无(wú)人机装(zhuāng)置(zhì)的情况来看,涡(wō)轴发(fā)动机(jī)适用于中低空、低速短距/垂直(zhí)起降无人机(jī)和倾转旋翼无人机,飞机起飞质量可(kě)达(dá)1000kg;涡桨发动机适用于中高空长航时(shí)无人(rén)机(jī),飞机(jī)起(qǐ)飞质量(liàng)可达3000kg(见(jiàn)图(tú)2.25);涡扇发动机适用于高(gāo)空长航时无人机和无人战斗机,飞机(jī)起飞质量可以(yǐ)很大,如“全球鹰”重(chóng)达11.6t

螺旋桨

螺旋(xuán)桨是(shì)一个旋转的(de)翼面,适用(yòng)于任何(hé)机翼的诱导阻力,失速和其他空气动力学原理也都对螺旋(xuán)桨(jiǎng)适(shì)用(yòng)。它提供(gòng)必(bì)要的拉力或推(tuī)理使飞机在空气中移动。螺旋(xuán)桨产生推力的方式非常类似于机翼产生(shēng)升(shēng)力的方(fāng)式。产生的升力大(dà)小依赖(lài)于(yú)桨叶的(de)形态、螺旋桨叶迎角和发动机的转速。螺旋桨叶(yè)本身是扭转的,因此桨(jiǎng)叶角从毂轴到(dào)叶尖是(shì)变化的(de)。最大安(ān)装角在毂轴处,而最小安装角在叶尖。

螺旋桨叶扭转的原因是为了从毂轴到叶尖产(chǎn)生一致的升力(lì)。当桨叶旋转(zhuǎn)时,桨叶的不(bú)同部分有不同的(de)实际速度(dù)。桨(jiǎng)叶尖部线速度比(bǐ)靠近毂轴部(bù)位的(de)要快,因为相同(tóng)时间内(nèi)叶尖要旋(xuán)转的距离比毂轴附近要长(zhǎng)。从(cóng)毂轴到叶(yè)尖(jiān)安装角的(de)变化和线速度的相应变化就(jiù)能够在桨(jiǎng)叶长度(dù)上产生一致的升力。如(rú)果螺旋桨叶设计(jì)成在整(zhěng)个长度上(shàng)它的安装角相同(tóng),那(nà)么(me)效率(lǜ)会非常低(dī),因为随着空速(sù)的增(zēng)加,靠近毂轴(zhóu)附近的部分将会有(yǒu)负迎角,而叶尖会失速。

轻型(xíng)、微型无人机一般安装(zhuāng)定距螺旋(xuán)桨,大型、小型无人机(jī)根据(jù)需要可通过安(ān)装变距螺旋桨提高动力性(xìng)能。

1.定距螺旋(xuán)桨

定(dìng)距桨不能改变桨距(jù)。这种螺旋桨(jiǎng),只有在一定的空速和(hé)转速组合才(cái)能(néng)获得最好的效率。另(lìng)外,还可以把定距桨分为两种类(lèi)型,爬升螺旋桨和(hé)巡航螺旋桨。飞机师安装(zhuāng)爬升螺旋(xuán)桨还是(shì)巡航螺旋桨,依赖于(yú)它(tā)的预期用途。

1)爬升螺旋(xuán)桨有小的桨距,因此旋转阻力更多(duō)。阻力较(jiào)低导致转速更高,和具有更多的功(gōng)率能力(lì),在(zài)起飞和爬升时这(zhè)增加了性能(néng),但是在巡航飞行时降低了(le)性能(néng)。

2)巡航螺旋桨有高桨距(jù),因(yīn)此旋转阻力更(gèng)多(duō)。更多阻力导(dǎo)致较低转(zhuǎn)速,和较低的功率能力(lì),它降低了(le)起(qǐ)飞和爬(pá)升性能,但是增加了高速(sù)巡航飞行效率。

螺旋桨通常安(ān)装在轴上,这(zhè)个轴可(kě)能是发动机曲轴的延伸。在这种情况下,螺旋桨(jiǎng)转速就和曲轴的转速相同了。某些(xiē)其(qí)他发动机(jī),螺旋桨是安装在和(hé)发动机曲(qǔ)轴经齿轮传动(dòng)的(de)轴上。这是,曲轴(zhóu)的转速就和螺旋桨(jiǎng)的转速不同(tóng)了。

轻型、微信(xìn)无人机常用定距螺旋桨,尺寸通常用X×Y来(lái)表示,其中X代表螺旋桨直径,单位为英寸(cùn)(in),Y代表(biǎo)螺距(jù),即螺旋桨(jiǎng)在空气中旋转一圈桨平面经过(guò)的距(jù)离,单位为英寸(in)。例如,22×10的螺(luó)旋(xuán)桨尺(chǐ)寸为:桨径22in,约为55.88cm,螺距10in,约为25.4cm

轻(qīng)型、微型无(wú)人机一般(bān)使用2叶桨,少数使用3叶(yè)桨或4叶桨(jiǎng)等。根(gēn)据无人(rén)机行业习(xí)惯,通常定义右旋前进的(de)螺旋(xuán)桨为正(zhèng)桨(jiǎng),左旋前进的(de)螺旋桨为反桨。桨径20in以下的螺旋桨(jiǎng)有(yǒu)木材、工程塑料或(huò)碳纤维等材质,需要根(gēn)据实(shí)际需(xū)要选用。部分螺旋桨桨叶(yè)设计(jì)成马刀形状,桨尖后掠,这样可以在一定程度(dù)上(shàng)提高效(xiào)率。

2.变距螺旋(xuán)桨

一些较(jiào)旧的可(kě)调桨距螺(luó)旋桨只能在地面(miàn)调节,大多数现代可调桨(jiǎng)距螺旋桨被设计成可(kě)以在(zài)飞(fēi)行中调节(jiē)螺旋桨的桨距。第一代(dài)可调桨距螺旋(xuán)桨只提供两个桨距设定---低桨距设定和高桨(jiǎng)距设定(dìng)。然(rán)而,今天,几乎所(suǒ)有可调桨距螺旋桨系统都可以在一个范围内调节桨(jiǎng)距。恒速螺旋桨比其他螺旋桨更有效率是因为它能够在(zài)特定条件下(xià)选择最有效率的发动机转速。

装(zhuāng)配恒速螺旋(xuán)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(gōng)率(lǜ)输出,螺(luó)旋桨控制(zhì)调节发动机转(zhuǎn)速。

恒速螺旋桨的桨叶角范(fàn)围由螺旋(xuán)桨的恒速范围和高低桨距止位来确定。只要螺(luó)旋桨(jiǎng)桨叶角位于恒速范围内,而不超过任何一个桨距(jù)止位,发动机转速就能维持(chí)恒定(dìng)。然而,一旦螺旋桨桨叶到达止位,发动机转速讲随空速和螺旋桨载荷(hé)的变化而(ér)适当地增加或者降低。例如,选择了一(yī)个特定的转速,飞机速(sù)度降低(dī)到足够使螺(luó)旋桨桨叶旋转直到(dào)到达低桨距(jù)止位,如果需(xū)要(yào)空速再次降低,必(bì)须减小(xiǎo)发动机转速,就像安装(zhuāng)了固定桨距螺旋桨一样。当恒(héng)速螺旋(xuán)桨的飞机加(jiā)速到较(jiào)快的速(sù)度是还会发生相同的情况。随着飞机加速,螺旋桨桨叶增加,以维持选定的转速直到到达(dá)高桨距止位。一旦达到(dào)止(zhǐ)位,桨叶角就不能再增(zēng)加,如果(guǒ)需要(yào)再加(jiā)速,发动机必(bì)须增加转速。

在装配恒速螺旋桨(jiǎng)的飞(fēi)机上,功率输出由油门控制,用进(jìn)气压力表指示。这个仪表测量(liàng)进气(qì)道歧管中(zhōng)油气(qì)混合气的绝(jué)对(duì)压力,更精准的(de)说法上测量歧管绝对压力(MAP)。在恒定转速和(hé)高度条件下,产生(shēng)功率的大小直接和流到燃烧室(shì)的(de)油气混(hún)合流有关。当你增加(jiā)油门设定时,流动发动机的油气就会增多,因此,歧(qí)管绝对压(yā)力增加。当发动机不运行时,歧管压(yā)力表指示周围空气压力。当发动机气动后,歧管压力(lì)指示(shì)将(jiāng)会降低到一个低于周围(wéi)空气压力的值。

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