飛機電動及螺旋槳動力系統理論知識

飛機電動及螺旋槳動力系統理論知識

　　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點，如結構簡單、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理論知識，歡迎大家閱讀瀏覽。

　　電動系統

　　目前大型、小型、輕型無人機廣泛采用的東西裝置為活塞發動機系統。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。電動動力系統主要由動力電機、動力電源、速調系統三部分組成。

　　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，在去人機領域已逐漸不再使用。

　　電動機的型號主要以尺寸為依據。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。當然有一些型號是說它相當于某級別的，還有一些事廠家自己命名的。電動機的技術指標很多，與無人機動力特征最相關的兩個是轉速和功率。轉速一般用kV來表示，所謂kV是指每伏特(V)能達到的每分鐘轉速。比如，使用kV1000的電機，11.1V的電池，電機轉速應該是1000×11.1=11100，每分鐘11100轉。

　　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點，如結構簡單、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”短程監視和環境監控無人機使用一臺7.5kW電機。

　　2.動力電源

　　動力電源主要為電動機的運轉提供電能。通常采用化學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，無人機動力系統設計中最關心的是電壓、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時，電池的放電電流也是一定的。

　　3.調速系統

　　動力電機的調速系統成為電調，全程為電子調速器，簡稱ESC。針對動力電機不同，可分為有刷電調和無刷電調。它根據控制信號調節電動機的轉速。

　　對于它們的連接，一般情況如下：

　　(1)電調的輸入線與電池連接;

　　(2)電調的輸出線(有刷兩根、無刷三根)與電機連接;

　　(3)電調的信號線與接收機連接。

　　另外，電調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

　　有人機渦輪噴氣發動機技術的發展，為無人機渦輪噴氣發動機的發展提供了重要的技術基礎。目前小型渦輪噴氣發動機已在少數高速無人靶機及突放無人機中得到應用。

　　小型渦輪噴氣發動機機構包含四部分：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。膨脹的空氣驅動渦輪，渦輪同時通過軸連接到壓氣機，使發動機循環運行。從噴管拍出加速的高溫燃氣為整機提供推力。

　　其他裝置

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

　　螺旋槳

　　螺旋槳是一個旋轉的翼面，適用于任何機翼的誘導阻力，失速和其他空氣動力學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。螺旋槳產生推力的方式非常類似于機翼產生升力的方式。產生的升力大小依賴于槳葉的形態、螺旋槳葉迎角和發動機的轉速。螺旋槳葉本身是扭轉的，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。

　　螺旋槳葉扭轉的原因是為了從轂軸到葉尖產生一致的升力。當槳葉旋轉時，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，因為相同時間內葉尖要旋轉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變化就能夠在槳葉長度上產生一致的升力。如果螺旋槳葉設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，依賴于它的預期用途。

　　(1)爬升螺旋槳有小的槳距，因此旋轉阻力更多。阻力較低導致轉速更高，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，因此旋轉阻力更多。更多阻力導致較低轉速，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，這個軸可能是發動機曲軸的延伸。在這種情況下，螺旋槳轉速就和曲軸的轉速相同了。某些其他發動機，螺旋槳是安裝在和發動機曲軸經齒輪傳動的軸上。這是，曲軸的轉速就和螺旋槳的轉速不同了。

　　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一圈槳平面經過的距離，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，少數使用3葉槳或4葉槳等。根據無人機行業習慣，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，需要根據實際需要選用。部分螺旋槳槳葉設計成馬刀形狀，槳尖后掠，這樣可以在一定程度上提高效率。

　　2.變距螺旋槳

　　一些較舊的可調槳距螺旋槳只能在地面調節，大多數現代可調槳距螺旋槳被設計成可以在飛行中調節螺旋槳的槳距。第一代可調槳距螺旋槳只提供兩個槳距設定---低槳距設定和高槳距設定。然而，今天，幾乎所有可調槳距螺旋槳系統都可以在一個范圍內調節槳距。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動機轉速。

　　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，螺旋槳控制調節發動機轉速。

　　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，而不超過任何一個槳距止位，發動機轉速就能維持恒定。然而，一旦螺旋槳槳葉到達止位，發動機轉速講隨空速和螺旋槳載荷的變化而適當地增加或者降低。例如，選擇了一個特定的轉速，飛機速度降低到足夠使螺旋槳槳葉旋轉直到到達低槳距止位，如果需要空速再次降低，必須減小發動機轉速，就像安裝了固定槳距螺旋槳一樣。當恒速螺旋槳的飛機加速到較快的速度是還會發生相同的情況。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，發動機必須增加轉速。

　　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)。在恒定轉速和高度條件下，產生功率的大小直接和流到燃燒室的油氣混合流有關。當你增加油門設定時，流動發動機的油氣就會增多，因此，歧管絕對壓力增加。當發動機不運行時，歧管壓力表指示周圍空氣壓力。當發動機氣動后，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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