飞机电动及螺旋桨动力系统理论知识

飞机电动及螺旋桨动力系统理论知识

电动系统

目前大型、小型、轻型无人机广泛采用的东西装置为活塞发动机系统。而出于成本和使用方便的考虑，微型无人机中普遍使用的是电动动力系统。电动动力系统主要由动力电机、动力电源、速调系统三部分组成。

1.动力电机

微型无人机使用的动力电机可以分为两类：有刷电动机和无刷电动机。其中有刷电动机由于效率较低，在去人机领域已逐渐不再使用。

电动机的型号主要以尺寸为依据。比如，有刷370电机，是指它不包括轴的长度是37mm;无刷外电子2208电机是指它定子线圈的直径是22mm，不包括轴电子线圈的长度是8mm。当然有一些型号是说它相当于某级别的，还有一些事厂家自己命名的。电动机的技术指标很多，与无人机动力特征最相关的两个是转速和功率。转速一般用kV来表示，所谓kV是指每伏特(V)能达到的每分钟转速。比如，使用kV1000的电机，11.1V的电池，电机转速应该是1000×11.1=11100，每分钟11100转。

无人机使用电动机作为动力具有其他动力装置无法比拟的优点，如结构简单、重量轻、使用方便，可使无人机我的噪声和红外特征很小，同时又能提供与内燃机不相上下的比功率。它尤其适合作为低空、低速、微型无人机的动力。如美国FQM-151A“指针”手抛式无人机使用一台300W衫钴电动机，法国“方位角”便携式轻型无人机使用一台600W无刷直流电机，俄罗斯“蜻蜓”短程监视和环境监控无人机使用一台7.5kW电机。

2.动力电源

动力电源主要为电动机的运转提供电能。通常采用化学电池来作为电动无人机的动力电源，主要包括镍氢电池、镍铬电池、锂聚合物、锂离子动力电池。其中，前两种电池因重量重，能量密度低，现已基本上被锂聚合物动力电池取代。

表示电池性能的标称有很多，无人机动力系统设计中最关心的是电压、容量和放电能力。电池的电压用伏特(V)。

镍氢电池的标称电压是1.2V，充电后电压可达1.5V，放电后的保护电压为1.1V;

锂聚合物电池的标称电压是3.7V，充电后电压可达4.2V，放电后的保护电压为3.6V。

电池的容量是用毫安时(mAh)来表示的，它的意思是电池以某个电流来放电能维持一小时。

电池的放电能力是以倍率(C)来表示的，它的意思是说按照电池的标称容量最大可达到多大的放电电流。例如，一个1000mAh、10C的电池，最大放电电流可达1000×10=10000毫安，即10安培(A)。 根据欧姆定理，我们知道，电压等于电流乘以电阻，所以电压和电阻是定数时，电池的放电电流也是一定的。

3.调速系统

动力电机的调速系统成为电调，全程为电子调速器，简称ESC。针对动力电机不同，可分为有刷电调和无刷电调。它根据控制信号调节电动机的转速。

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)电调的输出线(有刷两根、无刷三根)与电机连接; (3)电调的信号线与接收机连接。

另外，电调一般有电源输出功能(BWC)，即在信号线的正负极之间有5V左右的电压输出，通过信号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，为无人机涡轮喷气发动机的发展提供了重要的技术基础。目前小型涡轮喷气发动机已在少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、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。燃烧室包含燃油入口和用于燃烧的点火器。膨胀的空气驱动涡轮，涡轮同时通过轴连接到压气机，使发动机循环运行。从喷管拍出加速的高温燃气为整机提供推力。

其他装置

除上述动力系统外，无人机中海油少数涡轴、涡桨、涡扇等动力装置的应用。从现有在役无人机装置的情况来看，涡轴发动机适用于中低空、低速短距/垂直起降无人机和倾转旋翼无人机，飞机起飞质量可达1000kg;涡桨发动机适用于中高空长航时无人机，飞机起飞质量可达3000kg(见图2.25);涡扇发动机适用于高空长航时无人机和无人战斗机，飞机起飞质量可以很大，如“全球鹰”重达11.6t。

螺旋桨

螺旋桨是一个旋转的翼面，适用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螺旋桨适用。它提供必要的拉力或推理使飞机在空气中移动。螺旋桨产生推力的方式非常类似于机翼产生升力的方式。产生的.升力大小依赖于桨叶的形态、螺旋桨叶迎角和发动机的转速。螺旋桨叶本身是扭转的，因此桨叶角从毂轴到叶尖是变化的。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从毂轴到叶尖产生一致的升力。当桨叶旋转时，桨叶的不同部分有不同的实际速度。桨叶尖部线速度比靠近毂轴部位的要快，因为相同时间内叶尖要旋转的距离比毂轴附

近要长。从毂轴到叶尖安装角的变化和线速度的相应变化就能够在桨叶长度上产生一致的升力。如果螺旋桨叶设计成在整个长度上它的安装角相同，那么效率会非常低，因为随着空速的增加，靠近毂轴附近的部分将会有负迎角，而叶尖会失速。

轻型、微型无人机一般安装定距螺旋桨，大型、小型无人机根据需要可通过安装变距螺旋桨提高动力性能。

1.定距螺旋桨

定距桨不能改变桨距。这种螺旋桨，只有在一定的空速和转速组合才能获得最好的效率。另外，还可以把定距桨分为两种类型，爬升螺旋桨和巡航螺旋桨。飞机师安装爬升螺旋桨还是巡航螺旋桨，依赖于它的预期用途。

(1)爬升螺旋桨有小的桨距，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力，在起飞和爬升时这增加了性能，但是在巡航飞行时降低了性能。

(2)巡航螺旋桨有高桨距，因此旋转阻力更多。更多阻力导致较低转速，和较低的功率能力，它降低了起飞和爬升性能，但是增加了高速巡航飞行效率。

螺旋桨通常安装在轴上，这个轴可能是发动机曲轴的延伸。在这种情况下，螺旋桨转速就和曲轴的转速相同了。某些其他发动机，螺旋桨是安装在和发动机曲轴经齿轮传动的轴上。这是，曲轴的转速就和螺旋桨的转速不同了。

轻型、微信无人机常用定距螺旋桨，尺寸通常用X×Y来表示，其中X代表螺旋桨直径，单位为英寸(in)，Y代表螺距，即螺旋桨在空气中旋转一圈桨平面经过的距离，单位为英寸(in)。例如，22×10的螺旋桨尺寸为：桨径22in，约为55.88cm，螺距10in，约为25.4cm。

轻型、微型无人机一般使用2叶桨，少数使用3叶桨或4叶桨等。根据无人机行业习惯，通常定义右旋前进的螺旋桨为正桨，左旋前进的螺旋桨为反桨。桨径20in以下的螺旋桨有木材、工程塑料或碳

纤维等材质，需要根据实际需要选用。部分螺旋桨桨叶设计成马刀形状，桨尖后掠，这样可以在一定程度上提高效率。

2.变距螺旋桨

一些较旧的可调桨距螺旋桨只能在地面调节，大多数现代可调桨距螺旋桨被设计成可以在飞行中调节螺旋桨的桨距。第一代可调桨距螺旋桨只提供两个桨距设定---低桨距设定和高桨距设定。然而，今天，几乎所有可调桨距螺旋桨系统都可以在一个范围内调节桨距。恒速螺旋桨比其他螺旋桨更有效率是因为它能够在特定条件下选择最有效率的发动机转速。

装配恒速螺旋桨的无人机有两项选择，油门控制和螺旋桨控制。油门控制功率输出，螺旋桨控制调节发动机转速。

恒速螺旋桨的桨叶角范围由螺旋桨的恒速范围和高低桨距止位来确定。只要螺旋桨桨叶角位于恒速范围内，而不超过任何一个桨距止位，发动机转速就能维持恒定。然而，一旦螺旋桨桨叶到达止位，发动机转速讲随空速和螺旋桨载荷的变化而适当地增加或者降低。例如，选择了一个特定的转速，飞机速度降低到足够使螺旋桨桨叶旋转直到到达低桨距止位，如果需要空速再次降低，必须减小发动机转速，就像安装了固定桨距螺旋桨一样。当恒速螺旋桨的飞机加速到较快的速度是还会发生相同的情况。随着飞机加速，螺旋桨桨叶增加，以维持选定的转速直到到达高桨距止位。一旦达到止位，桨叶角就不能再增加，如果需要再加速，发动机必须增加转速。 在装配恒速螺旋桨的飞机上，功率输出由油门控制，用进气压力表指示。这个仪表测量进气道歧管中油气混合气的绝对压力，更精准的说法上测量歧管绝对压力(MAP)。在恒定转速和高度条件下，产生功率的大小直接和流到燃烧室的油气混合流有关。当你增加油门设定时，流动发动机的油气就会增多，因此，歧管绝对压力增加。当发动机不运行时，歧管压力表指示周围空气压力。当发动机气动后，歧管压力指示将会降低到一个低于周围空气压力的值。