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        論四旋翼的旋翼結(jié)構(gòu)對續(xù)航時(shí)間的影響

        2015-05-30 12:27:17張雁慶
        科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào) 2015年30期

        張雁慶

        摘 要:以大疆飛行為代表的微型飛行器公司近年來發(fā)展迅速,日漸完善的飛控性能使得四旋翼飛機(jī)操作變得非常友好。但是這些先進(jìn)旋翼飛機(jī)的典型續(xù)航時(shí)間卻非常短,如DJ的最新旋翼飛機(jī)PlatForm3,其續(xù)航時(shí)間只有22 min,這成為制約旋翼飛機(jī)進(jìn)一步應(yīng)用發(fā)展的瓶頸。續(xù)航時(shí)間的改善比較大的程度上依賴電源技術(shù)的發(fā)展,但是從旋翼氣動特性上的優(yōu)化也有著顯著的效果,該文從理論角度推導(dǎo)到了旋翼結(jié)構(gòu)對旋翼飛機(jī)懸停效率的影響,并對比了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),給出了提升從旋翼結(jié)構(gòu)角度改善續(xù)航時(shí)間的幾點(diǎn)因素。

        關(guān)鍵詞:旋翼飛機(jī) ?續(xù)航時(shí)間 ?懸停效率 ?旋翼結(jié)構(gòu)

        中圖分類號:V27 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1674-098X(2015)10(c)-0050-03

        1 續(xù)航時(shí)間是旋翼飛機(jī)現(xiàn)階段的更廣泛應(yīng)用瓶頸

        近些年,以四旋翼為代表的無人微型飛行器得到大家的熱捧,取得了令人震撼的發(fā)展,其中以大疆(DJ)為典型代表,在短短幾年內(nèi)占據(jù)全球60%的市場,這些成功,是眾多條件如市場和技術(shù)等成熟的產(chǎn)物,尤其是飛控導(dǎo)航技術(shù)的進(jìn)步。在技術(shù)研究方面,關(guān)于四旋翼的研究也逐漸變得熱門。隨著這些技術(shù)的成熟,現(xiàn)在的四旋翼有些已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)傻瓜飛行,如DJ的最新旋翼飛機(jī)PlatForm3,可以實(shí)現(xiàn)避障、懸浮,其控制性能基本可以實(shí)現(xiàn)傻瓜飛行。但是這些先進(jìn)的微型四旋翼續(xù)航時(shí)間卻很短,例如,大疆無人機(jī)采用2600 mAh電源,續(xù)航時(shí)間只有25 min,派諾特四軸飛行器采用1200 mAh電源,續(xù)航時(shí)間只有12 min。這使得四旋翼的應(yīng)用受限,在一些要求長航時(shí)的領(lǐng)域:如偵察,探測,救援等其任務(wù)半徑會大大縮減,如果能提升這些飛機(jī)的續(xù)航時(shí)間,其發(fā)展將會有更廣空的空間。

        影響續(xù)航時(shí)間的因素主要有兩個:電源容量和推進(jìn)效率,提升電源容量可以直接提高續(xù)航時(shí)間,但是,具有超大容量的電池要么太大,要么太貴,我們可以期待新技術(shù)對電源系統(tǒng)的改進(jìn),但在現(xiàn)有技術(shù)下,我們可以通過改善旋翼的推進(jìn)效率來節(jié)省能源,進(jìn)而提升續(xù)航時(shí)間。所以該文通過對四旋翼升力動力學(xué)特性進(jìn)行動力學(xué)建模,分析了提升四旋翼續(xù)航特性的主要因素,指出了關(guān)于續(xù)航時(shí)間最大化的四旋翼最佳結(jié)構(gòu)和工作參數(shù),為提高四旋翼續(xù)航時(shí)間提供了理論支撐。

        2 旋翼結(jié)構(gòu)對續(xù)航性能建模

        2.1 懸停狀態(tài)效率的重新定義

        顯而易見,續(xù)航時(shí)間受制于兩個因素:其一是載重,電源容量相等的情況下,越重的飛機(jī)其續(xù)航時(shí)間會越小,另一個因素就是電源功率。對于傳統(tǒng)的研究,續(xù)航時(shí)間是一個很關(guān)注的特性,這個性能定義為[1]:,這對于要求高機(jī)動性能的旋翼飛機(jī)的續(xù)航能力有著比較重要的意義,例如軍用飛機(jī),而隨著四旋翼等微型飛機(jī)進(jìn)入廣大玩家,這種飛機(jī)靜懸浮時(shí)間會占據(jù)任務(wù)周期比較多的時(shí)間,所以靜懸浮能源特性就會有著比較重要的影響,但是上述定義顯然不能衡量這個特性,因?yàn)楫?dāng)飛行器移動速度為0時(shí),上述效率的定義結(jié)果為0,但是此時(shí)如處于懸浮狀態(tài),則會消耗一定的能源,但是此時(shí)消耗的能源是有意義的,所以該式并不能有效的涵蓋所有工況的性能,而此時(shí)任務(wù)載重和能源消耗的比值則有著明顯的靜懸浮意義,所以該文以這個特性進(jìn)行續(xù)航能力的研究:。

        2.2 旋翼特性建模

        圖1為旋翼速度三角形關(guān)系,從中我們可以得到通過旋翼對流量有貢獻(xiàn)的氣流速度為:,通過動量定理,升力可以表示為:

        ,這是從理論得到的形式,考慮到實(shí)際情況諸如葉片中心的軸的影響等,可以改寫為:。事實(shí)上,在文獻(xiàn)[1]中升力被定義為:,對比兩式形式,可以看出在角速度和半徑影響上兩者是一致的,這說明得出過程是正確的,而且相比更為精確,考慮到了旋翼傾角的顯示影響。

        扭矩模型:從動力學(xué)角度來看,扭矩推動空氣,使其獲得速度,單位旋翼面積單位時(shí)間掃過的空氣體積為:,這部分氣體獲得的動量為:,所以可以得到:

        。這也是理論的,考慮到實(shí)際因素的影響,可以表示為:,在文獻(xiàn)[1]中,扭矩被定義為:。這是非常相似的,而且更加細(xì)致,考慮到了葉片寬度和傾角等因素,綜上,關(guān)于懸停效率因子需要的升力和扭矩建模是合理的,精細(xì)的,可以作為基準(zhǔn)模型進(jìn)行分析。

        3 模型分析及結(jié)果討論

        通過上述模型聯(lián)立,我們便有:,其中是旋翼在水平面占據(jù)的高度,所以最后得到有關(guān)懸停效率的表達(dá)式為:。對該模型進(jìn)行分析,我們需要知道KL和KN,文獻(xiàn)[2-3]給出了充分的旋翼實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),基于這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),可以確定KL和KN的數(shù)值。由于文獻(xiàn)[2-3]中的數(shù)據(jù)針對的是機(jī)動狀態(tài)測試,沒有懸停的數(shù)據(jù),但是可以進(jìn)行外推獲取其對應(yīng)的升力,如圖2。

        結(jié)果分析:從文獻(xiàn)中得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行外插后獲得了懸浮

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