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浅析旋翼无人机飞行平台构型特点及应用

  法国人保罗·科尔尼研制出一架全尺寸载人直升机,并在同年11月13日试飞成功,在20世纪90年代之后,随着微机电系统研究的成熟,重量只有几克的MEMS惯性导航系统被开发和运用,加之电子信息技术的高速发展,为多旋翼无人机飞控系统的成熟提供了良好条件。

  无人机按不同平台构型来分,主要有固定翼无人机,旋翼无人机和复合型无人机,[2]其中旋翼无人机包括多旋翼无人机和无人直升机。与固定翼无人机相比,旋翼无人机具有些方面独特的优势,例如,起飞和着陆场地要求低,不需要跑道或弹道、可垂直起降、空中定点悬停等。

  顾名思义,多旋翼无人机是根据有几个螺旋桨来定义的。以常规布局的四旋翼为例,依靠四个螺旋桨产生升力和推力,通过相邻两个螺旋桨正反布置来抵消反扭力。机械结构上只需保持重量分布的均匀且重心位于中心板的垂线上,结构简单,机身振动小。在飞行力学上来看,多旋翼无人机是靠螺旋桨转速的变化,来调整力和力矩的,从而实现多旋翼无人机的飞行运动。但是,对多旋翼无人机的桨叶来说, 一方面,桨叶尺寸越大,越难迅速▼▼▽●▽●改变其速度。也正是因为如此,直升机主要是靠改变桨距而不是速度来改变升力。另一方面,在大载重下,桨叶的刚性需要进一步提高。不可变距的桨叶上下振动会导致刚性大的桨叶很容易折断,因此,桨叶的柔性是很重要的,它可以减少桨叶来回旋转对桨叶根部的影响。所以,大载重多旋翼无人机的大桨叶少见。[3]

  电动多旋翼无人机具有原理简单,可靠性高,造价低,维护★-●=•▽简单,灵活轻便等一系列优势。由于无▷•●刷电机、电池和飞◇=△▲控技术的发展,使得在小载荷,低速度,短距离的应用场合,电动多旋翼近年来取得了很大的成功,在许多领域得到了广泛应用。例如,植保,航拍等。

  在工业无人机应用领域,无人机工业应用市场上更多的载荷、更大的航程、更强的环境适应能力等需求, 电动多旋翼的发展受制于电池能量密度短时间内无法取得可量产性重大突破,以及气动和控制原理上的劣势, 依靠增加电池容量、 增加旋翼个数、 放大机型尺寸等方法来获得更高的载荷能力和飞行时间。

  油动多旋翼无人机采用多个发动机提供动力,每个发动机带动一个旋翼,旋翼螺距★◇▽▼•固定, 通过调整发动机节气门控制转速改变升力,旋翼直接安装在发动机的转轴上,无需传动结构[4]。优点是无需减速箱传动结构,载重量大、续航时间长。但是,油动多旋翼无人机的驱动方式和控制原理与大尺寸电动多旋翼无人机基本上是一样的,同样受到空气动力学原理的限制,大尺寸固定桨导致飞行速度小,抗风能力差,震动大。

  通过调整发动机节气★△◁◁▽▼门控制转速的变化比大尺寸电动多旋翼无人机控制电机转速的响应速度更慢,飞控的控制效果更差。虽然油动多旋翼无人机相对无人直升机省去了一个变速箱传动结构,但是增加了更多的发动机个数。发动机个数多,意味着维护工作量成倍增大,出故障的可能性也大,因而运行的安全性也大大地降低了。

  油动多旋翼无人机由于技术原理上的缺陷,目前只适合用于贴近地面低速飞行的农业植保领域。在需要大载重并且较高速度、 较大航程、较高飞行高度的应用领域无法与无人直升机竞争。

  油电混合多旋翼,按照动力方式划分,可分为油发电型与油加电型两种。油发电直驱方案具有机械结构简单,维护方便,载重量相对较大等优点,是目前应用较多的方案。[5]油发电型其实就是普通的电动多旋翼将驱动电机的动力电池换成了油动发电机装置。通过油动发电,利用了燃油的高能量密度,大大提高了续航时间。通过直流电驱动无刷电机和旋翼,保留了电驱动操纵灵活的特点。但是由于部分载重能力需要用于搭载油动发电装置和燃油, 使得该种机型的载荷能力较小,并且震动和噪音也比电动多旋翼要大。汽油发电机的工况受●海拔高度、温度等环境影响较大,维护保养的便利性和可靠性均不如电池。油电混合多旋翼无人机在载荷尺寸小重量轻, 工作环境较好, 低速度低高度长航时的应用场合具有优势。由于其动力功率受制于发电机,而发电机功率的增大会导致体积和重量的急剧增加,所以不适合用于需要较大载荷能力的应用场合。而无人直升机可以同时具备较大载重能力,较高巡航速度,较高飞行高度和较长航程的飞行性能。

  无人直升机的构型原理大多在有人直升机平台的基础上,根据无人直升机的特性◇…=▲研而来。从气动布局,结构形式等方面进行了简化与优化。由于直升机研发的技术复杂性和可靠性要求高等原因,采用正向专门设计的无人直升机,绝大多数上都是空机重量小于 200kg,有效载荷低于 50kg 的轻小型无人直升机,而更大△▪▲□△级别的无人直升机研发,大多选择成熟的有人直升机平台进行无人化技术改造。目前的◆■技术和市场方向, 也应定位于轻小型无人直升机这一细分领域。常见的直升机形式有,单旋翼带尾桨,共轴双旋翼,纵列双旋翼,交叉双旋翼等。

  单旋翼带尾桨直升机构造简单, 操纵灵便,确有其显著的优点。[6]但是,尾桨需要不停运转以平衡主旋翼产生的扭矩,要消耗发动机10%以上的功率。由于需要尾桨提供扭力因此机身需要设计的更长尺寸更大, 重心范围小。尾桨不但易产生有害震动和噪声,也是故障的多发部位。单旋翼带尾桨的构型被广泛应用于轻小型无人直升机, 但其载重比、 便利安全性等指标并不突出。但是就目前看,单旋翼带尾桨平台技术成熟度最高。

  单旋翼带尾桨最杰出的代表就是奥地利西贝尔公司的 S100 无人直升机,其最大起飞重量为 200kg,任务载荷 50kg,续航时间 4 h。验收试验中,气温超过 35℃,地面风速达到 46km/h。该机达到了 3962m的飞行高度 ( 在接近最大起飞重量的条件下 ) ,飞行速度超过 185km/h,还验证了搭载一套25kg有效载荷续航超过 6h 的能力。

  S100 采用 50HP转子发动机提供动力, 应用了非常先进的一体式复合材料机身和结构设计,使得其空重得到有效控制,不但具有良好的飞行性能指标, 而且最大滞空时间也达到了 6 小时(普通的载人直升机一般也就 4 小时)。虽然 S100 的先进设计已经有效地减轻了空重,将最大起飞重量控制到了 200kg,而最大有效载荷能力也仅为 50 kg。[7]

  共轴双旋翼直升机最显著的特征是两副旋翼绕同一轴线转动,两副旋翼转向相反,即可抵消旋翼产生的反扭力。对于航向运动,上下旋翼总距差动产生不平衡扭矩,即可实现航向操纵。常用的差动形式有半差动和全差动。

  在相同直升机量级下,共轴双旋☆△◆▲■翼直升机,优点有结构更为紧凑,外形尺▽•●◆寸小,飞行稳定性好,悬停效率高。实用升限大,爬升速度大,续航时间长,载荷能力大。缺点是操纵机构和机械传动复杂, 并且其关键部件的材料要求较高, 导致其出现机械故障和失效的风险大大增加,平台系统可靠性与稳定性降低。

  共轴有人机经典之作就是卡莫夫的共轴双旋翼直升机,目前也开始涉猎共轴无人直升机。从目前俄罗斯公布的数据看,“角鲨”机身长3.7米,旋翼直径6米,最大起飞重量490千克,任务载荷120千克。这一级别的无人直升机可以应用的范围非常广泛。例如军事侦察,电子战平台,高空消防等。飞行•□▼◁▼高度2000米,最大飞行速度130km/h,有效载荷120kg。[8]

  提起纵列式双旋翼直升机,大家都会想到美国CH-47直升机。为短距离的大载重物流运输而生。这种构型的直升机具有两副主旋翼,一前一后,转向相反。用于提供升力和抵消反扭力。依靠同向的总距变化来使得纵列式双旋翼直升机滚转运动,反向的总距变化实现航向运动,在结构形式上两副旋翼完全一致。在传动形式方面,由于两副桨叶具有重叠部分,必须要保证两副旋翼同步转动。因此两个主旋翼由一个同步变速装置联结传动, 以保证两个主旋翼即使在发动机失效的情况下也保持同步转动。

  在相同直升机量级下,纵列式双旋翼的最大优势是具有较大的重心范围, 和良好的纵向稳定性, 可以运送尺寸较大的货物。运载能力大。同时对于大载重的消防场景也有广阔的前景。纵列式双旋翼构型的主要缺点是复杂而又延伸较长的同步机械传动装置,对机械设计要求较高。同时重量集中在机身中部,航向力矩太长,所以航向操纵的滞后性也比较明显;其次,对风向变化不够敏感。体现◁☆●•○△在航向控制上,依靠两副旋翼反响总距变化,也具有滞后性。

  近年来随着物流无人机的热潮,一飞智控自主研制的泰坦○▲-•■□无人直升机,克服了上述缺点。造出一款全新的纵列式无人直升机平台。其具有较大◆●△▼●的货仓容量和较高的巡航速度,能满足绝大多数支线]

  在传动形式上与纵列式双旋翼具有同样的原理,需要靠传动结构来避免两副桨叶不发生喷碰撞。横向轴距小,但在传动结构形式上更为紧凑。可靠性与稳定性高。另外,再利用倾斜交错空间来避免两副主旋翼碰撞。两副旋翼横向倾斜一定角度。航向运动是通过增加其中一副旋翼总距完成的。横滚和俯仰运动是通过两副旋翼的的周期变距来是实现。

  其优点是具有更高的升力效率和载重能力。交叉式双旋翼抗风能力强, 在大载重情况下的稳定性较好,其缺点是最大飞行速度不如单旋翼带尾桨。

  主要用于航测和航拍。该机基本参数,任务载荷50kg,最大飞行速度80km/h,最大起飞重量88kg。如果只是搭载任务相机设备5kg左右,飞行时长可达4h。可见,交叉双旋翼不愧为空中大力士。[10]

  对需求按照需求分析矩阵进行多维度的论证与分析。选择最符合需求的无人机平台。故无人机的发展的驱动力是无人机行业应用,对于旋翼无人机平台而言,各种飞行平台均具有本身的优势与劣势,只有结合特定的行业应用,发挥平台最大优势。才能推动无人机的快速发展。

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