浅谈无人机飞行器

1、浅谈无人机飞行器及其应用 *经过一个学期的课程学习，我对无人机及其应用有了一个大致的了解，尽管是该课程是选修课，我也确实从中学到了很多自己平时所接触不到的知识。下面，根据我所学到的内容以及自己所查阅到的资料，我将就无人机及其应用这一方面进行一个简单的阐述。 无人机，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。无人机实际上是无人驾驶飞行器的统称，从技术角度定义可以分为：无人直升机、无人固定翼机、无人多旋翼飞行器、无人飞艇、无人伞翼机这几大类。无人机广泛应用在现在社会中，由于其无需人员驾驶，所以能执行更危险的任务，现在无人机技术广泛的应用在侦查搜索领域，美国将无人机技术作为主要发展方

2、向，已经实现了无人机航母着陆，无人机技术必将成为下个领域技术竞争的又一个领域。无人机飞行空气动力及飞行姿态参数 作用在飞行器上的基本外力是推力、升力、阻力和地心引力 (或重力），如图所示。另外，作用于俯仰轴、滚转袖和偏航轴的角力矩会引起飞行器绕这些轴旋转。升力.阻力和旋转力矩可 根据动压，机翼面积和尺度减小系数计算出来综合这些量的表达 式就是决定飞行器性能的基本空气动力学方程。 基本空气动力学方程 q=V 这里的是空气密度，V是速度。作用在飞机机翼上的力是q，机翼面积S和尺度减小系数的函数。其中，尺度减小系数取决于雷诺 (Reynold)数、马赫（Mach)数和机翼截面形状。升力和阻力定义如下

3、 空气动力学人力中的第三个力是俯仰力矩，它必须包括在空间上产生力矩的附加项。通常把翼弦c作为力臂长度。俯仰力矩的知识对理解稳定性和控制至关重要。 而在控制无人机的过程中所要收集的飞行参数主要有位置参数、运动参数、遥控遥测参数、主系统状态参数和报警参数，其中运动参数包括俯仰角，滚转角，偏航角。依据以上参数，就可以很好地了解飞行器的飞行状况。无人机飞行性能及稳定性无人机的飞行性能主要包括几方面：爬升飞行能力，滑翔飞行能力，航程，续航时间等。爬升飞行能力：定常、直线飞行的飞机，作用其上的各种力达到平衡，如图2.14 所示。状态的运动方程可写成：第一个方程乘以速度V可得：这里TV是推进系统输送给飞行器

4、的功率，也叫做可用功率 (Power Available, PA)。DV是维持飞行所需的功率，也叫做需求功率（Power Required，PR)。由于Vsin等于爬升速率dh/dt，则上一公式可改写成：可用功率可根据引擎和螺旋桨数据得到，其表达式为：PA=HP式中：HP=马力 =螺旋桨效率由于PR等于阻力乘以速度，我们前面讨论中把阻力分量作为速度的函数就是切实可行的。PA，PR与速度的关系如下图所示。 由图可见，最大爬升速率发生在两条曲线间最大距离所对应的速度。 在这个点上两曲线的斜率或导数也刚好相等。相对最大爬升速率的速度可从图上读出或计算出来。最大或最小空速也可从图上直接读出。滑翔飞行能

5、力： 飞行器滑翔能力由其下沉速率来度量，用运动公式及平衡公式很容易确定下沉速率。由于L/D（升阻比）较高、着陆角度很小，大多数无人机着陆时并不使用大功率。这意味着即使是拦网式回收，着陆也需要长跑道或大片净空。为了使用小型机场来回收无人机，克服这一缺点的方法之一是利用如挡板等产生阻力的装置来降低着陆时产生的L/D。这些装置会增加系统复杂性，也会带来额外的成本。另一个方法是加装翼伞，这也会降低L/D。航程： 无人机的航程总是一个重要特征量。航程理论上易于计算，可实阮上要获得航程却困难重重。当飞行器在重心变化状态下飞行时， 在其飞行能力范围之内燃料可以换算成有效载荷，因此航程取决于有效载荷。续航时间

6、： 如果已知对应最小需求马力的速度，则续航时间可计算出来。可用下式对续航时间进行简便粗略的估算。 续航时间=t=R/Vm 对应最小需求功率的速度Vm为：公式中为飞行高度处的空气密度与海平面空气密度的比值。稳定性：飞行器的稳定性包括静态稳定性、动态稳定性、横向稳定性、纵向稳定性静态稳定性：一架飞行器要维持飞行就必须是稳定的。静态稳定性指作用在飞上的各种力（推力、重力及航空动力学上的各种力）合成于一个方向上。在飞机遭受阵风或其他外力扰动后，合力仍有把飞机机身恢复到初始平衡位置的趋势。如果飞行器静态是不稳定的，那么即使是微小的扰动都会使得飞行器远远偏离初始的飞行状态。一架静态稳定的飞机在干扰消失后有

7、返回到初始位置的“趋势”，尽管在受到干扰时飞机或许会过冲、回转，反方向运动、再次反冲乃至最终振荡不止直至损坏。在这情况下，飞机是静态稳定的，但不是动态稳定的。如果震荡受到抑制并最终消失，就可以说该飞行器是动态稳定的。动态稳定性：为了获得动态稳定性，恢复力必须能吸收来自系统的能量。由于任何一个真实系统中总有摩擦存在，因此这通常就变得自然而然。动态稳定性是与机翼、机尾、机身等表面的运动速度成正比的各种力形成的，这些翼面都有一个称作稳定性导数的比例常数。稳定性导数与飞行器的角速度相乘得到一个力，这个力通常会减小该飞行器的角速度（也就是说吸收能量）。因此这一现象称作阻尼，是一种摩擦。由于真实系统中摩擦

8、是自然存在的，因此如果系统是静态稳定的，系统通常但非总是具有动态平衡性。当采用人工方法如运用负反馈技术的自动驾驶等来控制飞行器时，动态不稳定性就会露出它可恶的面目。这是因为控制系统中的负反馈，如果设计不当或补偿不当，会向系统注人与校正发散运动的力不同相的能量。无人机控制系统无人机控制系统，即任务规划与控制站（Mission Planning and Control Station， MPCS)是整个无人机系统的“神经中枢”。无人机控制系统控制飞行器的发射、飞行与回收，接收和处理来自有效载荷的传感器数据，控制传感器的运行（通常是实时的 。早期无人机获得的经验表明，任务规划功能对有效使用无人机系统

9、来说至关重要，因而大多数系统开发者明确地把规划功能作为任务规划与控制站的一部分。为了实现无人机的系统功能，无人机控制系统包含了下列子系统： *飞行器状态的读取和控制 *有效载荷数据的显示和有效载荷的控制 *用于规划任务、监控飞行器位置及航线的地图显示*数据链路地面终端，用于发送命令给飞行器和有效载荷、接收来自飞行器的状态信息及有效载荷数据 *一台或多台计算机，用于为操作员提供至少一个控制飞行器的界面，及控制飞行器与任务规划与控制站间的数据链路、数据流（地面计算机也可执行系统导航功能，和执行某些与自动驾驶及有效载荷控制功能相关的“外环路”低时间敏感性计算）*与其他组织的通信链路，用于指挥控制以及

10、分发无人机收集到的信息。无人机通信系统无人空中飞行器是指无人驾驶的航空器。由这种航空器及其所载的有效通信载荷与地面控制设施、用户设备等一起构成无人空中飞行器通信系统。为这种系统开发和使用的技术统称为无人空中飞行器通信技术。（The Communications on Unmanned Air Vehicle）。 这是一种可实现超视距通信的技术。由于它采用了先进的传感器和数字通信技术相结合， 大大提高了情报收集与信息传输的能力。它的长续航能力与卫星通信链路相结合，又使其可在全球任何地方实时传送和接收传感器收集的数字信号和飞机控制信号。无人空中飞行器可免除对人的生命威胁，而仍能保持有人机的许多优点

11、， 尤其是小型传感器组件能够收集所需要的信息，既可用于战场侦察监视，又可用于通信。用作通信时，机上高度可靠的控制和通信系统可为情报分析人员和战场指挥官及时提供所需要的信息,这种系统在设计中采用了市场上流行的传感器组件，其中包括光电部件、前视红外装置、合成孔径雷达、移动目标指示器和信号情报系统。无人机发射与回收系统在无人机的作战运用中，发射与回收阶段往往被认为是最困难、最关键的阶段，事实也正是如此。如果从停泊在海上一艘颠簸起伏的小型轮船上回收无人机，则需要精确的降落导航和快速反应，还需要甲板上可靠的控制设备。无人机在陆地小区域内的回收有着与海面上相似的情况，尽管在陆地上的回收平台相对稳定，但常常

12、会受到地面障碍物和变幻莫测的风向的影响。发射方法：无人机的发射方法有很多，在概念上有些十分简单，有些又十分复杂。许多发射概念源于各种大型飞行器的发射经验，另一些为一些小型无人飞行器所特有。或许最简单的发射方式源于航模的“手抛发射”。这种方式很实用，但仅适用下重量相对较轻的飞行器（大约10磅以下），这类飞行器载重量低，动力适当。普通的轮式发射同样简便，但需要一块平整好的场地并要小心翼翼地控制飞行的航向。这种方式一般需要人工操纵，从可操作性的观点看，这也许并不实用，因为操纵手的培训和熟练程度始终都是个问题。许多无人机，尤其是靶机和巡航导弹是装载在固定翼飞机上从空中发射的，这些无人机通常都具有相对较

13、高的失速，由涡轮喷气发动机提供动力。这类飞行器通常也可以在地面上利用火箭助推发射。如果可以使用一块干河床或者一条长跑道那么车载发射是一种费用低廉而且实用的方法。旋转发射系统是无人机的一种新颖别致的发射方式，这个系统有一个环形的轨道或跑道，中央的标杆上固定有一个托车，无人机就放置在托车上。发动机启动时，托车松脱并开始沿着轨道旋转加速，当旋转速度达到发射速度时，无人机脱离托车，沿环形轨道的正切方向起飞。此外，还有“飞轮弹射器”。回收系统：和发射器一样，无人机的回收也有多种可行的选择。定翼无人机最常用的回收方法是滑道回收，例如跑道降落。要实施这种回收方法，无人机必须装有着陆用的轮胎，同时它的控制系统

14、必须能够完成典型定翼飞机的拉平操纵。一种经常使用的适于跑道降落的技术是给无人机装备一个尾钩，并在跑道上安装减速齿轮。使用这种方法，只需在飞机着陆滑行期间进行方向控制，基本不需要机上刹车。另外，除了滑道回收，也可以使用阻拦网，或进行伞降回收、中空回收等。典型无人机及应用介绍典型无人机：美系：机型众多“全球鹰”“全球鹰”是目前世界上首次中途不停留穿越大西洋的无人机，该机可完成跨洲飞行，可在距发射区5500多公里的范围内活动，可在目标上空1.8万米处停留24小时。“巨无霸”X-48BX-48B无人机的成功首飞，证明了“翼身合一”设计的成功。它把无尾的扁平机身与机翼融合为一体，这种设计既能减少空气阻力

15、，减小雷达反射截面，降低飞行时的燃料消耗，还能增大升力，增加飞行里程，提高运载能力。“微星”“微星”无人机把陀螺、三轴加速度计、定位系统及电子线路封装在一个小小的硅片上，总重仅100克。欧系：设计超前欧洲“神经元”“神经元”无人战斗机，由法国、希腊、意大利、西班牙、瑞典、瑞士等国共同研制，法国达索公司为项目主承包商。该机可发射“风暴阴影”巡航导弹等防区外打击武器，实现超视距防区外精确打击。法国AVE-DAVE-D是世界上最早具备自主飞行控制的无人机之一。该机采用隐身设计，整个机角呈三角形，表面由众多不同反射方向的小平面构成。机身后缘有3个襟翼，尾部有V形等弦后掠尾翼。该机大多数构件采用复合材料

16、制造，机身和翼表面有吸波涂层。据达索公司称，该机的雷达等效反射面积，小到如同一只麻雀。英国“微风”先前无人侦察机的飞行时间记录，是由美国“全球鹰”创造的，时间为30小时24分钟。2008年，英国研制的一种太阳能无人侦察机，连续飞行87小时37分钟，远远超过“全球鹰”。俄系：理念先进“远东羊茅”2008年，俄陆军武备战力提升的亮点之一，就是“远东羊茅”无人机的服役。“远东羊茅”采用稍微后掠的机翼和双梁尾翼，利用空气弹射器发射，伞降回收。“远东羊茅”可执行距作战接触线300-350公里的纵深侦察任务，是俄军同类系统中最先进的无人机。“鳐鱼”“鳐鱼”无人机在2007年莫斯科航展上首次展出，比美国的X

17、-47B略大。该机采用后掠翼，看上去像一只很大的蝙蝠。无人机民用案例：无人机智能电网巡线。在山东，由山东电力集团公司自主研发的同步智能电力线路无人飞机巡查系统，在500千伏带电线路上试飞成功，这次的飞行是无人机巡线纳入巡检常态化应用的第一步。这只如同超级大号蜻蜓搬的无人机具有4只与众不同的“眼镜”，可以通过搭载高清照相机、摄像机，清楚的看到塔杆和输电线路出现的各种难题，并且还能够应用红外测温仪，使得无人直升机可以在红外条件下检测到导线、间隔棒的发热；如果导线发生放电和电晕等现象，无人直升机搭载的紫外成像仪可以大显身手。这一“大蜻蜓”仅用时18分钟，就完成了对220千伏寿海线6基杆塔的巡检，这以速度远远快于人工巡查。而这一项目的组组长王骞介绍说，“在正常天气条 件下，无人直升机空中作业40分钟就可以完成寿海线14基杆塔、5000千米输电线路的巡检任务，极大地降低了巡线作业风险、成本、时间和劳动强度”。无人机遥控喷洒农药。7月22日，浮梁县湘湖镇的兰田村，一架遥控无人机背着喷雾器正在向水稻田里喷洒农药，当地的种粮大户对此表示青睐