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任务5 多旋翼无人机飞行原理

多旋翼无人机通过调节多个电机转速来改变螺旋桨转速,实现升力的变化,进而达到控制飞行姿态的目的。

以四旋翼无人机为例。飞行原理如图 2-15 所示,电机 1 和电机 3 逆时针旋转的同时,电机 2 和电机 4 顺时针旋转,因此无人机平衡飞行时,陀螺效应和空气动力扭矩效应全被抵消。与传统的直升机相比,四旋翼无人机的优势是各个旋翼对机身所产生的反扭矩与旋翼的旋转方向相反,因此当电机 1 和电机 3 逆时针旋转时,电机 2 和电机 4 顺时针旋转,可以平衡旋翼对机身的反扭矩。

图2-15 四旋翼无人机飞行原理

一般情况下,多旋翼无人机可以通过调节不同电机的转速来实现 4 个方向上的运动,分别为垂直、俯仰、横滚和偏航,如图 2-16 所示。

图2-16 运动方向

(1)垂直运动,即升降控制

如图 2-16(a)所示,两对电机转向相反,可以平衡其对机身的反扭矩,当同时增加四个电机的输出功率,旋翼转速增加使得总的拉力增大,当总拉力足以克服整机的重力时,四旋翼无人机便离地垂直上升;反之,同时减小四个电机的输出功率,四旋翼无人机则垂直下降,直至平衡落地,实现了沿Z轴的垂直运动。当外界扰动量为零时,在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时,无人机便保持悬停状态。由此可见,保证四个旋翼转速同步增加或减小是垂直运动的关键。

(2)俯仰运动,即前后控制

如图 2-16(b)所示,电机 1 的转速上升,电机 3 的转速下降,电机 2、电机 4 的转速保持不变。为了不因为旋翼转速的改变引起四旋翼飞行器整体扭矩及总拉力改变,旋翼 1 与旋翼 3转速改变量的大小应相等。由于旋翼 1 的升力上升,旋翼 3 的升力下降,产生的不平衡力矩使机身绕Y轴旋转,方向如图 2-16(b)所示。同理,当电机 1 的转速下降,电机 3 的转速上升,机身便绕Y轴向另一个方向旋转,实现飞行器的俯仰运动。

(3)横滚运动,即左右控制

与俯仰运动的原理相同,如图 2-16(c)所示,改变电机 2 和电机 4 的转速,保持电机 1 和电机 3 的转速不变,便可以使机身绕X轴方向旋转,从而实现飞行器横滚运动。

(4)偏航运动,即旋转控制

四旋翼无人机偏航运动可以借助旋翼产生的反扭矩来实现。旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩,为了克服反扭矩影响,可使四个旋翼中的两个正转,两个反转,且对角线上的各个旋翼转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关,当四个电机转速相同时,四个旋翼产生的反扭矩相互平衡,四旋翼无人机不发生转动;当四个电机转速不完全相同时,不平衡的反扭矩会引起四旋翼无人机转动。如图 2-16(d)所示,当电机 1 和电机 3 的转速上升,电机 2 和电机 4 的转速下降时,旋翼 1 和旋翼 3 对机身的反扭矩大于旋翼2 和旋翼 4 对机身的反扭矩,机身便在富余反扭矩的作用下绕Z轴转动,从而实现飞行器的偏航运动。

【课程育人】
中国第一架无人机——长空一号

20世纪60年代,由于苏联援助的取消、专家的撤离,解放军空军试验用的拉-17无人靶机严重缺失,国家下决心搞自己的无人靶机。长空一号(CK-1)高速无人机由位于巴丹吉林沙漠的空军某试验训练基地二站在1965-1967年成功定型,主要负责人是被誉为“中国无人机之父”的中国工程院院士赵煦将军。

1966年12月6日,长空一号首飞成功。实际上长空一号就是仿制拉-17的产品,从开始仿制到总体设计成功用了三个月。后转由南京航空学院具体负责,曾由中航二集团的常州飞机制造厂负责生产。在南航,长空一号于1976年底设计定型,总设计师为该校的郭荣伟。长空一号研制成功后,在我国空空武器等试验中发挥了重要作用。长空一号是一架大型喷气式无线电遥控高亚音速飞机,可供导弹打靶或防空部队训练。长空一号经过适当改装可执行大气污染监控、地形与矿区勘察等任务。该机采用典型高亚音速布局,机身细长流线,机翼平直,展弦比大。水平尾翼呈矩形,安装在垂直尾翼中部。机身前、后段为铝合金半硬壳式结构。发动机及其进气道装在机身下部的吊舱内。

翼尖短舱、尾翼翼尖、进气道唇口、机头与机尾罩均用玻璃钢制造。中单翼结构的矩形机翼采用不对称翼剖面,有2°的下反角,机翼安装角为0°45'。机翼翼尖处吊有两个翼尖短舱。水平尾翼安装在垂直尾翼中部,平尾和垂尾均采用对称翼剖面的矩形翼面。机翼和尾翼均为铝合金单梁式薄壁结构。机载设备、自动驾驶仪分别装在前后段,机身中段为压力供油式油箱。设计中直接利用机身外壳作为油箱壁,节省了质量。改进型号的机翼下有两个小型副油箱。长空一号的起飞非常有特色,采用一架可回收的发射车进行助推起飞。在一张澳大利亚“金迪维克”小车图片的启示下,赵煦找到了地面起飞车的灵感。飞机固定在发射车的三条短滑轨上,发动机舱底部有一推力销,用于固定。起飞时飞机发动机启动,带动发射车开始滑跑。当滑跑速度达到275km/h,飞机已经得到足够的升力可以升空。这时推力销在发射车上的冷气作动筒作用下拔开,飞机脱离发射车,开始爬高。发射车因无动力而减速,随后地面人员发出无线电指令,抛出制动伞,并控制刹车使发射车停住。

发射车可重复使用。发射车内装有航向自动纠偏系统,确保在1000m滑跑距离内航向偏离维持在30m内。发射车助推起飞固然减小了无人机本身的复杂程度,但与空投或火箭助推起飞方式相比,较为复杂和麻烦,当然好处是省却了调用有人飞机作为母机。拉-17靶机使用空投方式放飞。

长空一号起飞85s后,开始转入机上程序机构控制飞行,之后由地面站通过雷达信息和其他手段,发出适当的无线电指令进行遥控。长空一号C型能进入地面武器射击区域2~8次,提供射击机会。

拉-17使用的是推力较小的发动机,长空一号后来改用一台改进的WP-6涡喷发动机,尾喷口改装成固定式,可通过改变发动机转速来调节推力,海平面额定静推力21.1kN,最大静推力24.5kN。该发动机原为歼-6所采用。整体油箱的容量为820L,燃油质量600 kg,B、C型加副油箱后,燃油质量达840 kg。由于WP-6发动机推力比原来的发动机大7倍,而长空一号外形不变,使得起飞过程中不可避免地产生了过早升力矩,致使靶机起飞试验一直有问题。后来采取了与一般飞机起飞时减小低头力矩、增强升力相反的方法,在长空一号起飞时加大其低头力矩解决了这一问题。

长空一号的降落和其他无人机相比略显笨拙,实际上是一种硬着陆。当其在无线电指令指引下进入预定着陆场地时,在500m高度自动拉起,然后进入无动力下滑。接地时保持较大的攻角,尾部首先着地,靠发动机吊舱和尾喷口吸收部分撞击能量,实现主体部分回收。机体经修复后即可再次使用。这种不完全的重复使用,对使用费用、维护难度有负面作用。

目前长空一号已经改为火箭助推发射起飞。这一改进最大的好处是长空一号不再需要平坦而长的跑道,起飞也更加迅速灵活。同时也改用了回收伞的方式,最大限度保护了飞机本身。

长空一号由机上程序机构控制,可按预定设计的航线飞行。也可由地面站的地面领航员经无线电指令遥控飞行。自主飞行时,依靠KJ-9自动驾驶仪稳定和控制飞机。自动驾驶仪有俯仰、滚转、航向和高度四个通道,分别控制飞机的升降舵、副翼、方向舵的偏角和发动机工作状态。每个通道互相独立、互相交联。自动驾驶仪的部件包括陀螺平台和航向陀螺、速率陀螺仪组、程序机构、商度信号器、放大器、变流机及电动舵机等。

遥控飞行时,机上由天线、高频组合、接收机和发射机组成的应答器负责接收地面信号,然后识别指令,引导靶机。机上另装有遥控指令接收机,通过接收机-译码器单元,可以传输24个遥控指令到自动驾驶仪或其他需要操纵的装置。地面人员还可通过无线电遥测设备来监控自动控制系统及其他设备的工作。遥测系统有52个通道,能连续向地面提供飞行速度、高度、攻角、发动机温度及转速等信息。

该机的主电源是一台由发动机驱动的直流发电机,通过变流器向某些设备提供交流电。另有后备银锌电瓶,在发动机出故障时可切换供电,保证飞行。

长空一号作为靶机使用时,能往返进入射击区域2-3次,以便进行多次训练。因长空一号本身体积很小,为在视觉上模拟体积较大的敌机,机上一般装有曳光管或拉烟管。机上还装有红外增强翼尖吊舱、被动式雷达回波角反射器,机尾带红外曳光弹为4枚“海鹰”1号曳光弹,增强红外和雷达特征。靶机如未被击落,可遥控其着陆回收。

思考题

1.为了克服“旋转翼”旋转产生的反作用(),常见的做法是加一个小型旋翼(尾桨)。

A.力

B.力矩

C.扭矩

2.电动机分为两类:()电动机、()电动机。

A.有磁

B.无磁

C.有刷

D.无刷

3.电动动力系统主要由电动机、()、动力电源组成。

A.电池

B.调速系统

C.无刷电动机

4.流体的速度越快,静压力(),速度越慢,静压力()。

A.越小

B.越大

C.不变

5.以下选项中不属于锂电池基本参数的是()。

A.放电倍率

B.电池容量

C.电池品牌 ND5ArNKW2Xn+o2dsiK3VKm9EQkwp50tc3uw8Vj1Aez62RrJjw7igOTp9U8nd6a76

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