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飛機(jī)電動(dòng)及螺旋槳?jiǎng)恿ο到y(tǒng)理論知識(shí)
無(wú)人機(jī)使用電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力具有其他動(dòng)力裝置無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、使用方便，可使無(wú)人機(jī)我的噪聲和紅外特征很小，同時(shí)又能提供與內(nèi)燃機(jī)不相上下的比功率。那么，下面是小編為大家整理的飛機(jī)電動(dòng)及螺旋槳?jiǎng)恿ο到y(tǒng)理論知識(shí)，歡迎大家閱讀瀏覽。
電動(dòng)系統(tǒng)
目前大型、小型、輕型無(wú)人機(jī)廣泛采用的東西裝置為活塞發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。而出于成本和使用方便的考慮，微型無(wú)人機(jī)中普遍使用的是電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)。電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)主要由動(dòng)力電機(jī)、動(dòng)力電源、速調(diào)系統(tǒng)三部分組成。
1.動(dòng)力電機(jī)
微型無(wú)人機(jī)使用的動(dòng)力電機(jī)可以分為兩類(lèi)：有刷電動(dòng)機(jī)和無(wú)刷電動(dòng)機(jī)。其中有刷電動(dòng)機(jī)由于效率較低，在去人機(jī)領(lǐng)域已逐漸不再使用。
電動(dòng)機(jī)的型號(hào)主要以尺寸為依據(jù)。比如，有刷370電機(jī)，是指它不包括軸的長(zhǎng)度是37mm;無(wú)刷外電子2208電機(jī)是指它定子線(xiàn)圈的直徑是22mm，不包括軸電子線(xiàn)圈的長(zhǎng)度是8mm。當(dāng)然有一些型號(hào)是說(shuō)它相當(dāng)于某級(jí)別的，還有一些事廠家自己命名的。電動(dòng)機(jī)的技術(shù)指標(biāo)很多，與無(wú)人機(jī)動(dòng)力特征最相關(guān)的兩個(gè)是轉(zhuǎn)速和功率。轉(zhuǎn)速一般用kV來(lái)表示，所謂kV是指每伏特(V)能達(dá)到的每分鐘轉(zhuǎn)速。比如，使用kV1000的電機(jī)，11.1V的電池，電機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)該是1000×11.1=11100，每分鐘11100轉(zhuǎn)。
無(wú)人機(jī)使用電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力具有其他動(dòng)力裝置無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、使用方便，可使無(wú)人機(jī)我的噪聲和紅外特征很小，同時(shí)又能提供與內(nèi)燃機(jī)不相上下的比功率。它尤其適合作為低空、低速、微型無(wú)人機(jī)的動(dòng)力。如美國(guó)FQM-151A“指針”手拋式無(wú)人機(jī)使用一臺(tái)300W衫鈷電動(dòng)機(jī)，法國(guó)“方位角”便攜式輕型無(wú)人機(jī)使用一臺(tái)600W無(wú)刷直流電機(jī)，俄羅斯“蜻蜓”短程監(jiān)視和環(huán)境監(jiān)控?zé)o人機(jī)使用一臺(tái)7.5kW電機(jī)。
2.動(dòng)力電源
動(dòng)力電源主要為電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)提供電能。通常采用化學(xué)電池來(lái)作為電動(dòng)無(wú)人機(jī)的動(dòng)力電源，主要包括鎳氫電池、鎳鉻電池、鋰聚合物、鋰離子動(dòng)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(dòng)力電池取代。
表示電池性能的標(biāo)稱(chēng)有很多，無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(biāo)稱(chēng)電壓是1.2V，充電后電壓可達(dá)1.5V，放電后的保護(hù)電壓為1.1V;
鋰聚合物電池的標(biāo)稱(chēng)電壓是3.7V，充電后電壓可達(dá)4.2V，放電后的保護(hù)電壓為3.6V。
電池的容量是用毫安時(shí)(mAh)來(lái)表示的，它的意思是電池以某個(gè)電流來(lái)放電能維持一小時(shí)。
電池的放電能力是以倍率(C)來(lái)表示的，它的意思是說(shuō)按照電池的標(biāo)稱(chēng)容量最大可達(dá)到多大的放電電流。例如，一個(gè)1000mAh、10C的電池，最大放電電流可達(dá)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(shí)，電池的放電電流也是一定的。
3.調(diào)速系統(tǒng)
動(dòng)力電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)成為電調(diào)，全程為電子調(diào)速器，簡(jiǎn)稱(chēng)ESC。針對(duì)動(dòng)力電機(jī)不同，可分為有刷電調(diào)和無(wú)刷電調(diào)。它根據(jù)控制信號(hào)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。
對(duì)于它們的連接，一般情況如下：
(1)電調(diào)的輸入線(xiàn)與電池連接;
(2)電調(diào)的輸出線(xiàn)(有刷兩根、無(wú)刷三根)與電機(jī)連接;
(3)電調(diào)的信號(hào)線(xiàn)與接收機(jī)連接。
另外，電調(diào)一般有電源輸出功能(BWC)，即在信號(hào)線(xiàn)的正負(fù)極之間有5V左右的電壓輸出，通過(guò)信號(hào)線(xiàn)為接收機(jī)及舵機(jī)供電。
渦噴
有人機(jī)渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為無(wú)人機(jī)渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)已在少數(shù)高速無(wú)人靶機(jī)及突放無(wú)人機(jī)中得到應(yīng)用。
小型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)構(gòu)包含四部分：壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪、噴管。壓氣機(jī)使空氣以高速度通過(guò)氣道到達(dá)燃燒室。燃燒室包含燃油入口和用于燃燒的點(diǎn)火器。膨脹的空氣驅(qū)動(dòng)渦輪，渦輪同時(shí)通過(guò)軸連接到壓氣機(jī)，使發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)運(yùn)行。從噴管拍出加速的高溫燃?xì)鉃檎麢C(jī)提供推力。
其他裝置
除上述動(dòng)力系統(tǒng)外，無(wú)人機(jī)中海油少數(shù)渦軸、渦槳、渦扇等動(dòng)力裝置的應(yīng)用。從現(xiàn)有在役無(wú)人機(jī)裝置的情況來(lái)看，渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)適用于中低空、低速短距/垂直起降無(wú)人機(jī)和傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)，飛機(jī)起飛質(zhì)量可達(dá)1000kg;渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)適用于中高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)，飛機(jī)起飛質(zhì)量可達(dá)3000kg(見(jiàn)圖2.25);渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)適用于高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)和無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)，飛機(jī)起飛質(zhì)量可以很大，如“全球鷹”重達(dá)11.6t。
螺旋槳
螺旋槳是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的翼面，適用于任何機(jī)翼的誘導(dǎo)阻力，失速和其他空氣動(dòng)力學(xué)原理也都對(duì)螺旋槳適用。它提供必要的拉力或推理使飛機(jī)在空氣中移動(dòng)。螺旋槳產(chǎn)生推力的方式非常類(lèi)似于機(jī)翼產(chǎn)生升力的方式。產(chǎn)生的升力大小依賴(lài)于槳葉的形態(tài)、螺旋槳葉迎角和發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)，槳葉的不同部分有不同的實(shí)際速度。槳葉尖部線(xiàn)速度比靠近轂軸部位的要快，因?yàn)橄嗤瑫r(shí)間內(nèi)葉尖要旋轉(zhuǎn)的距離比轂軸附近要長(zhǎng)。從轂軸到葉尖安裝角的變化和線(xiàn)速度的相應(yīng)變化就能夠在槳葉長(zhǎng)度上產(chǎn)生一致的升力。如果螺旋槳葉設(shè)計(jì)成在整個(gè)長(zhǎng)度上它的安裝角相同，那么效率會(huì)非常低，因?yàn)殡S著空速的增加，靠近轂軸附近的部分將會(huì)有負(fù)迎角，而葉尖會(huì)失速。
輕型、微型無(wú)人機(jī)一般安裝定距螺旋槳，大型、小型無(wú)人機(jī)根據(jù)需要可通過(guò)安裝變距螺旋槳提高動(dòng)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(lèi)型，爬升螺旋槳和巡航螺旋槳。飛機(jī)師安裝爬升螺旋槳還是巡航螺旋槳，依賴(lài)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(shí)這增加了性能，但是在巡航飛行時(shí)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(gè)軸可能是發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)，螺旋槳是安裝在和發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸經(jīng)齒輪傳動(dòng)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(wú)人機(jī)常用定距螺旋槳，尺寸通常用X×Y來(lái)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(guò)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(wú)人機(jī)一般使用2葉槳，少數(shù)使用3葉槳或4葉槳等。根據(jù)無(wú)人機(jī)行業(yè)習(xí)慣，通常定義右旋前進(jìn)的螺旋槳為正槳，左旋前進(jìn)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(shí)際需要選用。部分螺旋槳槳葉設(shè)計(jì)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(jì)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(gè)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(gè)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?yàn)樗軌蛟谔囟l件下選擇最有效率的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。
裝配恒速螺旋槳的無(wú)人機(jī)有兩項(xiàng)選擇，油門(mén)控制和螺旋槳控制。油門(mén)控制功率輸出，螺旋槳控制調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)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(lái)確定。只要螺旋槳槳葉角位于恒速范圍內(nèi)，而不超過(guò)任何一個(gè)槳距止位，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速就能維持恒定。然而，一旦螺旋槳槳葉到達(dá)止位，發(fā)動(dòng)機(jī)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�。例如，選擇了一個(gè)特定的轉(zhuǎn)速，飛機(jī)速度降低到足夠使螺旋槳槳葉旋轉(zhuǎn)直到到達(dá)低槳距止位，如果需要空速再次降低，必須減小發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)加速到較快的速度是還會(huì)發(fā)生相同的情況。隨著飛機(jī)加速，螺旋槳槳葉增加，以維持選定的轉(zhuǎn)速直到到達(dá)高槳距止位。一旦達(dá)到止位，槳葉角就不能再增加，如果需要再加速，發(fā)動(dòng)機(jī)必須增加轉(zhuǎn)速。
在裝配恒速螺旋槳的飛機(jī)上，功率輸出由油門(mén)控制，用進(jìn)氣壓力表指示。這個(gè)儀表測(cè)量進(jìn)氣道歧管中油氣混合氣的絕對(duì)壓力，更精準(zhǔn)的說(shuō)法上測(cè)量歧管絕對(duì)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(mén)設(shè)定時(shí)，流動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的油氣就會(huì)增多，因此，歧管絕對(duì)壓力增加。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)不運(yùn)行時(shí)，歧管壓力表指示周?chē)諝鈮毫Α．?dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)后，歧管壓力指示將會(huì)降低到一個(gè)低于周?chē)諝鈮毫Φ闹怠?/p>
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