无人机飞行原理-第11章

第11章.复合翼无人机基本结构1复合式旋翼无人驾驶航空器（compoundunmannedrotorcraft）：具有固定机翼和推进装置的旋翼无人驾驶航空器。2复合翼无人机就具有这两种无人机的优势，固定翼无人机具备飞行速度快、飞行高度高、飞行时间长；旋翼无人机具备垂直起降、悬停、灵活等特点。一、复合翼无人机的诞生1、两种起降方式的固定翼无人机为了摆脱对机场和跑道的依赖，甚至定点降落的要求，追求短距起降，甚至零距离起降方式，目前发展了两种起降方式的固定翼无人机：（1）依靠弹射架弹射起飞和降落伞降落或拦阻网回收的无人机（2）垂直起降固定翼无人机34弹射起飞需要携带笨重的弹射架或发射车，便捷性较差伞降易受气象的影响，在大风气象条件下，伞降的降落精度较差两种起降方式的优缺点：5拦阻网回收方式同样需要携带专用的回收设备，便携性也差垂直起降无人机的降落方式不需要额外的设备来保障无人机的起飞和降落，但是需要增加较多的重量，会降低无人机的续航性能2、垂直起降固定翼无人机的发展思路（1）配备一套动力系统，其布局形式有尾座式垂直起降固定翼、倾转旋翼无人机等。（2）配备两套动力系统，其典型的布局形式有复合翼无人机。6尾座式无人机倾转旋翼无人机在复合翼无人机快速发展之前，尾座式垂直起降固定翼无人机和倾转旋翼无人机是当时无人机的研发重点，但是这两种布局形式的技术难度高、机械结构复杂、对材料、飞控、动力系统要求苛刻，而且在使用的过程中可靠性较低。所以在与弹射起飞固定翼无人机的较量中，垂直起降固定翼无人机的市场占有率并不高。相比于一套动力系统，两套动力系统的设计方案的技术难度低、没有复杂的机械结构、可靠性和实用性高。经过近几年的发展，复合翼无人机在垂起降固定翼无人机中脱颖而出，这是一种经过市场选择和考验的布局形式。73、复合翼无人机8复合翼无人机综合了多旋翼无人机和固定翼无人机的优点，实现了固定翼无人机的垂直起降，这使得它的能够在没有跑道的山区、船舶等地方起降。除此之外，利用多旋翼的垂直升降能力，可以实现固定翼无人机的垂直爬升避障和原地迫降，大大提高了无人机的飞行安全性。复合翼无人机组成二、复合翼无人机的飞行模式9复合翼无人机完成一次飞行任务会经历多个阶段，其飞行过程如图：根据复合翼无人机的飞行过程可以看出，它的飞行状态可以分为三大类：垂直起降飞行、过渡阶段飞行以及固定翼巡航飞行。各飞行状态的特点：1、垂直起降飞行状态是以多旋翼为主，旋翼提高无人机所需的全部升力，具有多旋翼无人机的主要特性；2、固定翼巡航飞行状态是以固定翼为主，由机翼提供大部分升力，具有固定翼无人机的主要特性；3、过渡阶段飞行的特性则较为复杂，这是复合翼无人机独有的特性。此类飞行状态是多旋翼无人机和固定翼无人机共同提供飞行所需的升力，共同参与无人机的控制。10三、复合翼无人机的基本结构11复合翼无人机包含了多旋翼系统和固定翼系统两种，通过相关的结构将两个系统结合在一起，如图，通过飞控计算机实现两个系统的协调控制。1、多旋翼系统12多旋翼系统由机体结构、动力装置和飞控组成。多旋翼系统组成多旋翼系统的功用包括：1)多旋翼系统主要保障了复合翼无人的起降阶段；2)多旋翼系统的载重能力决定了复合翼无人机的最大起飞重量；3)多旋翼系统的可靠性决定复合翼无人机在起降阶段的安全性；4)多旋翼系统在复合翼无人机的迫降和固定翼飞行阶段的尾旋改出中都发挥

着重要作用。机体结构多旋翼系统的机体结构通常指的是机臂。机臂是连接多旋翼系统和固定翼系统的结构，在复合翼无人机整机承载过程中，机臂是主要的承力点，因此机臂需要很高的强度和可靠性。机臂也经常作为尾翼的尾撑使用。13动力装置目前主流的多旋翼动力驱动方式是以电池驱动电机，电机带动螺旋桨产生拉力。因此，多旋翼系统的动力装置组成包括电池、电子调速器、电机、螺旋桨组成。14旋翼系统动力系统151)电池多旋翼系统要求电池在起降阶段能够提供较大的功率，而在固定翼阶段电池又成为额外载重，会降低无人机的续航时间，因此希望这部分重量尽可能的小。锂电池是多旋翼中应用最广泛的电池，其优点是拥有较大的放电能力，且能量密度比较大。2)电子调速器电子调速调是控制电机转速的重要元器件。电调的两个主要功能分别是：第一，将锂电池的直流电转化为电机所需的交流电；第二，将飞控计算机的脉宽信号转化为控制电机转速的信号，即三相交流电的频率。163)电机电机是驱动螺旋桨旋转的直接动力源，它是一种将电能转化为机械能的装置。电机可以分为有刷电机和无刷电机，无人机大都使用无刷电机。电机是由定子和转子组成的，按定子的位置可以将电机分为内转子电机和外转子电机。外转子电机成为无人机主要使用对象。无刷外转子电机结构如图。无刷外转子电机结构图4)螺旋桨螺旋桨是为多旋翼无人机提供升力和直接控制力的部件。从材料和结构来看，带泡沫夹心的碳纤维螺旋桨是无人机应用最广泛的螺旋桨，这类螺旋桨不仅重量轻而且强度高。从气动角度来看，多旋翼无人机的螺旋桨具有大螺距的特点，这类螺旋桨可以在来流速度相对较小的时候产生较大的静拉力。17旋翼螺旋桨桨叶2、固定翼系统固定翼系统主要由机体结构、航电系统、推进系统和任务载荷组成。18复合翼无人机的固定翼系统主要运行在巡航作业阶段。固定翼系统与多旋翼系统相比，其优点在于：可靠性高、气动效率高、飞行稳定性好、操控简单、平台振动小。固定翼系统组成1)机体结构复合翼无人机中常见的布局形式有常规布局、V尾布局、飞翼布局和鸭翼布局。这些布局形式主要是气动方面的不同，机体结构的形式基本类似，即蒙皮骨架的结构形式。机体结构是无人机的受力和传力部件。结构设计追求的是在保证一定的结构强度和刚度的前提下，尽可能的降低结构重量。机体结构部件包括机翼、机身、尾翼。19固定翼系统的机体结构2)航电系统航电系统是固定翼系统的控制系统，包含飞控计算机、舵机、气压计、GPS、磁罗盘、线缆等部件。飞控计算机根据控制指令和各类传感器的信号，通过对舵机和发动机（电机）的转速的控制实现预定的飞行轨迹。20固定翼系统的航电系统3)推进系统固定翼系统的推进系统是指复合翼无人机的平飞动力总成，包含电源系统或燃油系统、电机或发动机以及螺旋桨。平飞所需推力是由螺旋桨的拉力提供的，螺旋桨是由发动机或电机驱动的。21油动无人机推进系统电动无人机推进系统4)任务载荷任务载荷是为了某项飞行任务，无人机搭载的设备。复合翼无人机常集成的载荷有测绘相机、激光雷达、光电吊舱、多光谱相机等。22航测相机倾斜摄影相机多光谱相机高光谱相机光电吊舱激光雷达四、旋翼系统与固定翼系统的匹配关系1、固定翼系统对多旋翼系统的影响受到固定翼系统结构尺寸的影响，会限制多旋翼螺旋桨的直径大小，影响螺旋桨的效率；由于固定翼系统的存在会降低多旋翼的抗风性能；固定翼系统造成无人机迎风面积增加，在多旋翼的操控时产生较大的阻尼，阻尼的增加就要求旋翼螺旋桨产生更大的操纵力。更重的电机、电调、电池和螺旋桨，降低了无人机性能。232、多旋翼系统对固定翼系统的影响在巡航阶段，多旋翼系统的死重不仅会降低复合翼无人机的续航能力和载重能力，在总体设计的过程中，这部分重量还会像滚雪球一样被放大；外露的旋翼系统部件会增加巡航时的阻力。24五、起降阶段的影响因素影响复合翼无人机起降的主要因素有安全高度、安全速度以及风速风向等。1)安全高度设置安全高度是为了避免飞机在加减速阶段撞到建筑或树木上，安全高度由起降点周围的环境决定。2)安全速度安全速度是旋翼系统锁桨（起飞阶段）和启动（降落阶段）的判断速度，安全速度是与固定翼系统失速速度相关的速度，一般失速速度乘上一个安全系数，因此失速速度和安全系数决定了安全速度的大小。3)风速风向风速和风向直接影响着无人机起飞和降