飛機電動及螺旋槳動力系統(tǒng)理論知識

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　　無人機使用電動機作為動力具有其他動力裝置無法比擬的優(yōu)點，如結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、使用方便，可使無人機我的噪聲和紅外特征很小，同時又能提供與內(nèi)燃機不相上下的比功率。那么，下面是小編為大家整理的飛機電動及螺旋槳動力系統(tǒng)理論知識，歡迎大家閱讀瀏覽。

飛機電動及螺旋槳動力系統(tǒng)理論知識

　　電動系統(tǒng)

　　目前大型、小型、輕型無人機廣泛采用的東西裝置為活塞發(fā)動機系統(tǒng)。而出于成本和使用方便的考慮，微型無人機中普遍使用的是電動動力系統(tǒng)。電動動力系統(tǒng)主要由動力電機、動力電源、速調(diào)系統(tǒng)三部分組成。

　　1.動力電機

　　微型無人機使用的動力電機可以分為兩類：有刷電動機和無刷電動機。其中有刷電動機由于效率較低，在去人機領(lǐng)域已逐漸不再使用。

　　電動機的型號主要以尺寸為依據(jù)。比如，有刷370電機，是指它不包括軸的長度是37mm;無刷外電子2208電機是指它定子線圈的直徑是22mm，不包括軸電子線圈的長度是8mm。當(dāng)然有一些型號是說它相當(dāng)于某級別的，還有一些事廠家自己命名的。電動機的技術(shù)指標很多，與無人機動力特征最相關(guān)的兩個是轉(zhuǎn)速和功率。轉(zhuǎn)速一般用kV來表示，所謂kV是指每伏特(V)能達到的每分鐘轉(zhuǎn)速。比如，使用kV1000的電機，11.1V的電池，電機轉(zhuǎn)速應(yīng)該是1000×11.1=11100，每分鐘11100轉(zhuǎn)。

　　無人機使用電動機作為動力具有其他動力裝置無法比擬的優(yōu)點，如結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、使用方便，可使無人機我的噪聲和紅外特征很小，同時又能提供與內(nèi)燃機不相上下的比功率。它尤其適合作為低空、低速、微型無人機的動力。如美國FQM-151A“指針”手拋式無人機使用一臺300W衫鈷電動機，法國“方位角”便攜式輕型無人機使用一臺600W無刷直流電機，俄羅斯“蜻蜓”短程監(jiān)視和環(huán)境監(jiān)控?zé)o人機使用一臺7.5kW電機。

　　2.動力電源

　　動力電源主要為電動機的運轉(zhuǎn)提供電能。通常采用化學(xué)電池來作為電動無人機的動力電源，主要包括鎳氫電池、鎳鉻電池、鋰聚合物、鋰離子動力電池。其中，前兩種電池因重量重，能量密度低，現(xiàn)已基本上被鋰聚合物動力電池取代。

　　表示電池性能的標稱有很多，無人機動力系統(tǒng)設(shè)計中最關(guān)心的是電壓、容量和放電能力。電池的電壓用伏特(V)。

　　鎳氫電池的標稱電壓是1.2V，充電后電壓可達1.5V，放電后的保護電壓為1.1V;

　　鋰聚合物電池的標稱電壓是3.7V，充電后電壓可達4.2V，放電后的保護電壓為3.6V。

　　電池的容量是用毫安時(mAh)來表示的，它的意思是電池以某個電流來放電能維持一小時。

　　電池的放電能力是以倍率(C)來表示的，它的意思是說按照電池的標稱容量最大可達到多大的放電電流。例如，一個1000mAh、10C的電池，最大放電電流可達1000×10=10000毫安，即10安培(A)。

　　根據(jù)歐姆定理，我們知道，電壓等于電流乘以電阻，所以電壓和電阻是定數(shù)時，電池的放電電流也是一定的。

　　3.調(diào)速系統(tǒng)

　　動力電機的調(diào)速系統(tǒng)成為電調(diào)，全程為電子調(diào)速器，簡稱ESC。針對動力電機不同，可分為有刷電調(diào)和無刷電調(diào)。它根據(jù)控制信號調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。

　　對于它們的連接，一般情況如下：

　　(1)電調(diào)的輸入線與電池連接;

　　(2)電調(diào)的輸出線(有刷兩根、無刷三根)與電機連接;

　　(3)電調(diào)的信號線與接收機連接。

　　另外，電調(diào)一般有電源輸出功能(BWC)，即在信號線的正負極之間有5V左右的電壓輸出，通過信號線為接收機及舵機供電。

　　渦噴

　　有人機渦輪噴氣發(fā)動機技術(shù)的發(fā)展，為無人機渦輪噴氣發(fā)動機的發(fā)展提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。目前小型渦輪噴氣發(fā)動機已在少數(shù)高速無人靶機及突放無人機中得到應(yīng)用。

　　小型渦輪噴氣發(fā)動機機構(gòu)包含四部分：壓氣機、燃燒室、渦輪、噴管。壓氣機使空氣以高速度通過氣道到達燃燒室。燃燒室包含燃油入口和用于燃燒的點火器。膨脹的空氣驅(qū)動渦輪，渦輪同時通過軸連接到壓氣機，使發(fā)動機循環(huán)運行。從噴管拍出加速的高溫燃氣為整機提供推力。

　　其他裝置

　　除上述動力系統(tǒng)外，無人機中海油少數(shù)渦軸、渦槳、渦扇等動力裝置的應(yīng)用。從現(xiàn)有在役無人機裝置的情況來看，渦軸發(fā)動機適用于中低空、低速短距/垂直起降無人機和傾轉(zhuǎn)旋翼無人機，飛機起飛質(zhì)量可達1000kg;渦槳發(fā)動機適用于中高空長航時無人機，飛機起飛質(zhì)量可達3000kg(見圖2.25);渦扇發(fā)動機適用于高空長航時無人機和無人戰(zhàn)斗機，飛機起飛質(zhì)量可以很大，如“全球鷹”重達11.6t。

　　螺旋槳

　　螺旋槳是一個旋轉(zhuǎn)的翼面，適用于任何機翼的誘導(dǎo)阻力，失速和其他空氣動力學(xué)原理也都對螺旋槳適用。它提供必要的拉力或推理使飛機在空氣中移動。螺旋槳產(chǎn)生推力的方式非常類似于機翼產(chǎn)生升力的方式。產(chǎn)生的升力大小依賴于槳葉的形態(tài)、螺旋槳葉迎角和發(fā)動機的轉(zhuǎn)速。螺旋槳葉本身是扭轉(zhuǎn)的，因此槳葉角從轂軸到葉尖是變化的。最大安裝角在轂軸處，而最小安裝角在葉尖。

　　螺旋槳葉扭轉(zhuǎn)的原因是為了從轂軸到葉尖產(chǎn)生一致的升力。當(dāng)槳葉旋轉(zhuǎn)時，槳葉的不同部分有不同的實際速度。槳葉尖部線速度比靠近轂軸部位的要快，因為相同時間內(nèi)葉尖要旋轉(zhuǎn)的距離比轂軸附近要長。從轂軸到葉尖安裝角的變化和線速度的相應(yīng)變化就能夠在槳葉長度上產(chǎn)生一致的升力。如果螺旋槳葉設(shè)計成在整個長度上它的安裝角相同，那么效率會非常低，因為隨著空速的增加，靠近轂軸附近的部分將會有負迎角，而葉尖會失速。

　　輕型、微型無人機一般安裝定距螺旋槳，大型、小型無人機根據(jù)需要可通過安裝變距螺旋槳提高動力性能。

　　1.定距螺旋槳

　　定距槳不能改變槳距。這種螺旋槳，只有在一定的空速和轉(zhuǎn)速組合才能獲得最好的效率。另外，還可以把定距槳分為兩種類型，爬升螺旋槳和巡航螺旋槳。飛機師安裝爬升螺旋槳還是巡航螺旋槳，依賴于它的預(yù)期用途。

　　(1)爬升螺旋槳有小的槳距，因此旋轉(zhuǎn)阻力更多。阻力較低導(dǎo)致轉(zhuǎn)速更高，和具有更多的功率能力，在起飛和爬升時這增加了性能，但是在巡航飛行時降低了性能。

　　(2)巡航螺旋槳有高槳距，因此旋轉(zhuǎn)阻力更多。更多阻力導(dǎo)致較低轉(zhuǎn)速，和較低的功率能力，它降低了起飛和爬升性能，但是增加了高速巡航飛行效率。

　　螺旋槳通常安裝在軸上，這個軸可能是發(fā)動機曲軸的延伸。在這種情況下，螺旋槳轉(zhuǎn)速就和曲軸的轉(zhuǎn)速相同了。某些其他發(fā)動機，螺旋槳是安裝在和發(fā)動機曲軸經(jīng)齒輪傳動的軸上。這是，曲軸的轉(zhuǎn)速就和螺旋槳的轉(zhuǎn)速不同了。

　　輕型、微信無人機常用定距螺旋槳，尺寸通常用X×Y來表示，其中X代表螺旋槳直徑，單位為英寸(in)，Y代表螺距，即螺旋槳在空氣中旋轉(zhuǎn)一圈槳平面經(jīng)過的距離，單位為英寸(in)。例如，22×10的螺旋槳尺寸為：槳徑22in，約為55.88cm，螺距10in，約為25.4cm。

　　輕型、微型無人機一般使用2葉槳，少數(shù)使用3葉槳或4葉槳等。根據(jù)無人機行業(yè)習(xí)慣，通常定義右旋前進的螺旋槳為正槳，左旋前進的螺旋槳為反槳。槳徑20in以下的螺旋槳有木材、工程塑料或碳纖維等材質(zhì)，需要根據(jù)實際需要選用。部分螺旋槳槳葉設(shè)計成馬刀形狀，槳尖后掠，這樣可以在一定程度上提高效率。

　　2.變距螺旋槳

　　一些較舊的可調(diào)槳距螺旋槳只能在地面調(diào)節(jié)，大多數(shù)現(xiàn)代可調(diào)槳距螺旋槳被設(shè)計成可以在飛行中調(diào)節(jié)螺旋槳的槳距。第一代可調(diào)槳距螺旋槳只提供兩個槳距設(shè)定---低槳距設(shè)定和高槳距設(shè)定。然而，今天，幾乎所有可調(diào)槳距螺旋槳系統(tǒng)都可以在一個范圍內(nèi)調(diào)節(jié)槳距。恒速螺旋槳比其他螺旋槳更有效率是因為它能夠在特定條件下選擇最有效率的發(fā)動機轉(zhuǎn)速。

　　裝配恒速螺旋槳的無人機有兩項選擇，油門控制和螺旋槳控制。油門控制功率輸出，螺旋槳控制調(diào)節(jié)發(fā)動機轉(zhuǎn)速。

　　恒速螺旋槳的槳葉角范圍由螺旋槳的恒速范圍和高低槳距止位來確定。只要螺旋槳槳葉角位于恒速范圍內(nèi)，而不超過任何一個槳距止位，發(fā)動機轉(zhuǎn)速就能維持恒定。然而，一旦螺旋槳槳葉到達止位，發(fā)動機轉(zhuǎn)速講隨空速和螺旋槳載荷的變化而適當(dāng)?shù)卦黾踊蛘呓档汀＠纾x擇了一個特定的轉(zhuǎn)速，飛機速度降低到足夠使螺旋槳槳葉旋轉(zhuǎn)直到到達低槳距止位，如果需要空速再次降低，必須減小發(fā)動機轉(zhuǎn)速，就像安裝了固定槳距螺旋槳一樣。當(dāng)恒速螺旋槳的飛機加速到較快的速度是還會發(fā)生相同的情況。隨著飛機加速，螺旋槳槳葉增加，以維持選定的轉(zhuǎn)速直到到達高槳距止位。一旦達到止位，槳葉角就不能再增加，如果需要再加速，發(fā)動機必須增加轉(zhuǎn)速。

　　在裝配恒速螺旋槳的飛機上，功率輸出由油門控制，用進氣壓力表指示。這個儀表測量進氣道歧管中油氣混合氣的絕對壓力，更精準的說法上測量歧管絕對壓力(MAP)。在恒定轉(zhuǎn)速和高度條件下，產(chǎn)生功率的大小直接和流到燃燒室的油氣混合流有關(guān)。當(dāng)你增加油門設(shè)定時，流動發(fā)動機的油氣就會增多，因此，歧管絕對壓力增加。當(dāng)發(fā)動機不運行時，歧管壓力表指示周圍空氣壓力。當(dāng)發(fā)動機氣動后，歧管壓力指示將會降低到一個低于周圍空氣壓力的值。

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