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航空知识手册(cè)之四:电动、螺旋(xuán)桨动力系统

 

电动系统

目(mù)前大型、小型、轻型无人机广泛采用(yòng)的东西装置(zhì)为活塞发动机系统。而(ér)出于成本和使(shǐ)用方便的考虑,微型无人机中普遍(biàn)使用的是电动(dòng)动力系统。电动(dòng)动力(lì)系统主要由动力电机(jī)、动力(lì)电源、速(sù)调系统三部分(fèn)组成。

1.动力电(diàn)机

微型(xíng)无人机使用(yòng)的动(dòng)力(lì)电(diàn)机可(kě)以分为两类:有(yǒu)刷电(diàn)动机和无刷电(diàn)动机。其中(zhōng)有刷电动机由于效率(lǜ)较低,在去人机领域已逐渐不再使(shǐ)用。

电动机的型号主要(yào)以(yǐ)尺寸为依据。比如,有刷370电机,是指它不包括(kuò)轴的长度是37mm;无刷外电子2208电(diàn)机是指它(tā)定子线(xiàn)圈的直径是(shì)22mm,不(bú)包括轴电子线圈(quān)的长(zhǎng)度是(shì)8mm。当然有一些型号是说它相当于(yú)某级别(bié)的,还有一(yī)些事厂家自己命名的(de)。电动机(jī)的技术(shù)指(zhǐ)标很(hěn)多,与无人机动力特征最(zuì)相关的(de)两个(gè)是(shì)转(zhuǎn)速和功率。转速一(yī)般用kV来表示,所谓kV是指每伏特(V)能(néng)达到的每分钟转速。比如,使用kV1000的电机,11.1V的电池,电机转速应该是(shì)1000×11.111100,每分钟(zhōng)11100转(zhuǎn)。

无人(rén)机使用电(diàn)动(dòng)机(jī)作为动(dòng)力具有(yǒu)其他动力装置无法比拟的优点,如结构简(jiǎn)单(dān)、重量轻、使用方便,可使(shǐ)无人机我的噪声和(hé)红外特征很小(xiǎo),同时(shí)又能(néng)提供与内燃机不相上(shàng)下(xià)的比功率。它尤(yóu)其适合(hé)作为低空、低速、微型(xíng)无人机的动(dòng)力。如美国FQM-151A“指针”手抛式无人机使用一(yī)台300W衫(shān)钴(gǔ)电动(dòng)机,法国“方位角”便携式轻型无人机(jī)使(shǐ)用一台(tái)600W无刷直流电机,俄罗斯“蜻蜓”短程监视和环境监控无(wú)人机使用一台7.5kW电机。

2.动力电源

动力电源主要为(wéi)电(diàn)动机的运(yùn)转提(tí)供电能(néng)。通(tōng)常采用化学电池来作为(wéi)电动(dòng)无人机的动力(lì)电源,主要包(bāo)括镍氢电池(chí)、镍铬电池、锂聚合物(wù)、锂离子动力电池。其中,前两(liǎng)种电池因重量重,能量密度低(dī),现(xiàn)已基本上(shàng)被锂聚合物动力(lì)电池取代。

表示电池性能(néng)的标称有(yǒu)很多,无人机动(dòng)力系统设计(jì)中最(zuì)关心的是(shì)电压、容量和放(fàng)电能力(lì)。电池的电压用伏特(V)。

镍(niè)氢电(diàn)池(chí)的标称电压(yā)是1.2V,充电后电(diàn)压可达1.5V,放电后的保护电压为(wéi)1.1V

锂聚合物电池的标称电压是3.7V,充电(diàn)后(hòu)电压(yā)可(kě)达4.2V,放电后(hòu)的保护电压为3.6V

电池(chí)的(de)容(róng)量是用毫安时(mAh)来表(biǎo)示的,它的意思是电池以某个(gè)电流来(lái)放电能维持一小(xiǎo)时。

电池的放电能力(lì)是以倍率(C)来表示的(de),它的(de)意思是说按照电池的标称容量最大可达(dá)到多大的放电电流。例如(rú),一(yī)个1000mAh10C的电池,最(zuì)大放电电流可达1000×10=10000毫安,即(jí)10安培(A)。

根据欧姆定理,我们知道(dào),电压等于电流(liú)乘以电阻,所以电(diàn)压和电阻是定数时,电池的放电电流也(yě)是一定(dìng)的(de)。

3.调(diào)速系统

动力电机的调速系统成为(wéi)电调,全程为(wéi)电子(zǐ)调速器,简(jiǎn)称ESC。针对动力电机不同,可分为有(yǒu)刷电调和无刷电调。它根据控制信号调(diào)节电动机的转速。

对于它们的连接,一般情况如下:

1)电调的输入线与电池连接;

2)电调的(de)输(shū)出(chū)线(xiàn)(有刷两根(gēn)、无(wú)刷三根)与(yǔ)电(diàn)机连接;

3)电调的信(xìn)号线与接收(shōu)机连接。

另外,电调一般有电源(yuán)输出功能(néng)(BWC),即在信号线的正负极之间(jiān)有5V左右的电(diàn)压输出,通过信号(hào)线为接收机及舵机供电。

涡喷

有人机涡轮喷气发动机技术的发展,为(wéi)无人机涡轮喷气发动机的发展提供了重(chóng)要的技术基础。目前小型涡(wō)轮喷气(qì)发(fā)动机已在(zài)少(shǎo)数高速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(jī)、燃烧室、涡轮、喷管。压气机使空气以高速度通过气道到达燃烧室。燃烧室包含燃油(yóu)入口和用于燃烧的(de)点火器。膨(péng)胀(zhàng)的空气驱动涡轮,涡轮同时通过轴连接到压(yā)气(qì)机,使发(fā)动(dòng)机循环运行。从喷管拍出加速(sù)的高温燃气为整机提供推力。

其(qí)他装置

除上述动(dòng)力系统外,无人(rén)机中海油(yóu)少数涡轴、涡桨、涡扇等动(dòng)力装(zhuāng)置的应用。从现有在役无人机装(zhuāng)置的情况来看,涡轴发动(dòng)机适(shì)用于中低空、低速(sù)短距/垂直(zhí)起降无人(rén)机和倾转(zhuǎn)旋翼无(wú)人机,飞机起飞质量可达(dá)1000kg;涡桨发(fā)动机适用于(yú)中(zhōng)高空长航时无人机(jī),飞机起飞质量可达(dá)3000kg(见图2.25);涡扇发动机适(shì)用(yòng)于(yú)高空长(zhǎng)航时无人机和无人战斗(dòu)机,飞机起飞质(zhì)量可(kě)以很(hěn)大(dà),如“全球鹰”重达11.6t

螺旋桨

螺旋(xuán)桨是(shì)一个(gè)旋(xuán)转的(de)翼(yì)面,适(shì)用(yòng)于任何机翼的诱导阻力,失速和其他空气动力学原理也都对(duì)螺旋桨适(shì)用。它(tā)提供必要的拉力或推理使飞机(jī)在空气中移(yí)动(dòng)。螺(luó)旋桨(jiǎng)产生(shēng)推力(lì)的方式非(fēi)常类(lèi)似于(yú)机(jī)翼(yì)产生升力的方式。产生的升力大小依赖(lài)于桨叶的(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(niǔ)转的,因(yīn)此(cǐ)桨叶角从(cóng)毂(gū)轴到叶(yè)尖是变化(huà)的(de)。最大安装角在毂轴处,而最小安装角在叶尖。

螺旋桨叶扭转的原因是为了(le)从毂轴到叶(yè)尖(jiān)产生一(yī)致的升力(lì)。当桨叶旋转时,桨叶的(de)不同部分有不同的实际速度。桨(jiǎng)叶尖部线速度(dù)比靠(kào)近毂(gū)轴部位的(de)要(yào)快,因为(wéi)相同时(shí)间内叶尖要旋转的距离比毂轴附近要长。从毂轴到叶尖安装(zhuāng)角的变化和线速度(dù)的相应变化(huà)就能够在桨叶长度(dù)上产生一致(zhì)的升力。如果螺(luó)旋(xuán)桨叶设(shè)计成在整(zhěng)个长度上它(tā)的安装角(jiǎo)相同,那么效率会非常(cháng)低,因为随(suí)着空速的增加,靠近毂轴附近的部分将(jiāng)会有(yǒu)负迎角,而叶(yè)尖会(huì)失速。

轻型、微(wēi)型无人机一(yī)般安(ān)装定距螺旋桨,大型、小型无人机根(gēn)据需(xū)要可通过安装变距螺旋桨提高动力性能。

1.定距螺旋桨(jiǎng)

定距(jù)桨不能改变桨距。这种(zhǒng)螺旋桨,只有在一定的(de)空速和(hé)转(zhuǎn)速组(zǔ)合才能获得最好的效率(lǜ)。另(lìng)外,还可以把定距桨分为(wéi)两种类型(xíng),爬升螺旋桨(jiǎng)和(hé)巡航(háng)螺旋桨(jiǎng)。飞机师安装爬升螺旋桨还是巡航(háng)螺旋桨,依赖于它(tā)的预期用(yòng)途。

1)爬升螺旋桨有小的桨(jiǎng)距(jù),因此旋转阻力更多。阻力较低导致转速更高,和具有更多的功率能(néng)力,在(zài)起飞和(hé)爬(pá)升时(shí)这增加了性能,但是在(zài)巡航飞行时降低了性能(néng)。

2)巡航螺旋桨有高桨(jiǎng)距,因此旋转阻力(lì)更(gèng)多。更多(duō)阻力导致较低转速,和较(jiào)低的功率能力,它(tā)降低了起飞和爬升性能,但是增(zēng)加了高(gāo)速巡(xún)航飞行效(xiào)率。

螺旋桨通常安装在轴上,这个轴可能是发(fā)动机(jī)曲轴的延(yán)伸。在这种情况下,螺旋桨转(zhuǎn)速(sù)就和曲轴的转速相(xiàng)同了。某些其他发(fā)动机,螺旋(xuán)桨(jiǎng)是安装在和(hé)发动机(jī)曲轴(zhóu)经齿轮传动(dòng)的轴上。这是,曲轴(zhóu)的转速就(jiù)和螺旋桨的转速不(bú)同了。

轻型(xíng)、微信(xìn)无人机常用(yòng)定距螺(luó)旋桨(jiǎng),尺寸通常用X×Y来表示,其中X代表螺旋桨直径,单位(wèi)为(wéi)英(yīng)寸(in),Y代表螺距,即(jí)螺旋桨在空(kōng)气中旋转一圈桨平面经(jīng)过的距离,单位为英寸(in)。例如(rú),22×10的螺旋桨尺(chǐ)寸为(wéi):桨(jiǎng)径22in,约为55.88cm,螺距10in,约为25.4cm

轻型、微型无人机一般使(shǐ)用2叶桨(jiǎng),少数使用3叶桨或4叶(yè)桨等。根据(jù)无人机行业习惯,通常定义右旋前进的(de)螺(luó)旋桨为正桨(jiǎng),左旋前进的(de)螺旋桨为(wéi)反桨。桨(jiǎng)径20in以下(xià)的螺旋(xuán)桨有木材(cái)、工(gōng)程塑料或碳纤维等(děng)材质,需要(yào)根据实际需要(yào)选用。部分螺(luó)旋桨(jiǎng)桨叶设计成马刀形状,桨(jiǎng)尖后掠,这(zhè)样(yàng)可以在一定程度上提高(gāo)效(xiào)率。

2.变(biàn)距螺旋桨(jiǎng)

一些较旧的可调桨距(jù)螺旋(xuán)桨只(zhī)能在地面(miàn)调节,大多数现代(dài)可调桨(jiǎng)距螺旋桨被设计成可以在飞行中调节螺旋(xuán)桨的(de)桨距。第(dì)一代可调桨(jiǎng)距螺旋桨只提供两个桨距(jù)设(shè)定---低桨距设定和高桨(jiǎng)距设定。然(rán)而,今天,几乎所(suǒ)有(yǒu)可调桨距螺旋桨(jiǎng)系统都可以在(zài)一(yī)个范围内调节桨(jiǎng)距。恒速螺旋桨比其他螺(luó)旋(xuán)桨更有效(xiào)率(lǜ)是因为它能够在特定条件下选(xuǎn)择最有(yǒu)效率的发动机转速。

装(zhuāng)配恒速螺旋桨的无(wú)人(rén)机有两项选择,油门控制和螺旋桨控制。油门控制功率输出,螺旋桨控(kòng)制调(diào)节发动机转速。

恒速螺旋桨(jiǎng)的桨叶角范围由螺(luó)旋桨的(de)恒速(sù)范围和高低(dī)桨距止(zhǐ)位来(lái)确定。只要螺旋桨桨叶角位于恒(héng)速范围内(nèi),而不超过任何(hé)一个桨距止位,发动机转速(sù)就能(néng)维持恒定(dìng)。然而,一旦螺旋桨桨叶到达止位,发动机转(zhuǎn)速讲随空速(sù)和螺(luó)旋(xuán)桨载荷的(de)变化而适(shì)当地增加或者降低。例如,选择了一个特(tè)定(dìng)的(de)转速,飞机速度降低到(dào)足够使螺旋桨桨叶(yè)旋(xuán)转直到到达低桨距止位(wèi),如果需要空速再次降低,必须减小发动机转速,就像安装(zhuāng)了固定(dìng)桨距螺(luó)旋桨一样。当(dāng)恒速螺(luó)旋(xuán)桨的飞(fēi)机(jī)加速到较快的速度是还会发生相同的情况。随(suí)着飞机加速,螺(luó)旋桨桨叶增加,以(yǐ)维持选定的转速直(zhí)到到达高(gāo)桨距止位。一旦达到止(zhǐ)位,桨叶角就不能再增加,如果需要(yào)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,功率(lǜ)输出由油门控(kòng)制,用进气(qì)压力表指示(shì)。这个仪表测(cè)量进气道歧(qí)管中油气混合气的(de)绝对(duì)压力,更精准(zhǔn)的说法上测量歧管绝(jué)对(duì)压力(MAP)。在恒(héng)定转速和(hé)高度条件下,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(nǐ)增(zēng)加(jiā)油门设定时(shí),流动发动(dòng)机的(de)油(yóu)气就会增多,因此,歧管绝对压力增(zēng)加(jiā)。当(dāng)发动机不(bú)运行时,歧管压力表指示周(zhōu)围空气压(yā)力。当发动机气动后,歧管压力指示将会降低(dī)到一个低(dī)于周围空气压力的值。

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