动力系统的效率与什么有关?

来源:宇辰网 作者:宇辰网 时间:2017-02-15 分享至:
[宇辰导读]效能的提高是一个各方面因素平衡的结果。

固定翼飞机的推力方向是沿运动方向的反方向,其升力由机翼两侧的压力差和空气对机翼的作用力提供,旋翼或螺旋桨产生的推力方向与升力方向垂直,匀速飞行时,旋翼或螺旋桨产生的推力等于空气阻力,而与升力的大小无关,一些经过良好设计的飞机可以在推力远远小于飞机重力的情况下飞行。

但是直升机不同,旋翼或螺旋桨产生的推力必须大于重力,飞机才能在空中悬停,而要实现起飞,运动,旋翼或螺旋桨产生的推力必须大于重力。因为旋翼的主轴并非完全竖直,旋翼产生的力沿水平方向的分力提供动力,沿竖直方向的分力提供升力,尾翼产生与主翼转动方向相反的旋转力矩防止飞机自旋(多轴飞行器通过各个轴之间的配合消除旋转力矩)。

不仅如此,固定翼飞机可以短暂关闭发动机,仅仅凭借惯性滑翔产生升力,可以大大节约燃料,但是直升机在飞行过程中不能关闭发动机。这是直升机相比于固定翼飞机在续航上的先天劣势。

出于成本和使用方便的考虑,小、微型无人机中普遍采用的是电动动力系统,而电动的动力系统主要包含电机、电调(控制电机转速)、螺旋桨以及电池。动力系统各个部分之间是否匹配、动力系统与整机是否匹配,直接影响到整机效率、稳定性,

首先我们把多轴无人机的重量分成两部分,分别为结构重量和电池重量。结构重量指无人机的机体结构,飞控系统,伺服系统和电机螺旋桨的重量。

现时无人机的电池主要以锂聚合物电池为主,特点是能量密度大、重量轻、耐电流数值较高等等,这些特性都是较为适合无人机的。手机领域也有部分使用锂聚合物电池,但充、放电能力远远不及无人机的这些电池(单片电芯放电能力理论值超过400安)。而由于这些电池用于无人机的动力系统,所以也会被叫做“动力电池”。电池的重量在充放电的过程中不会改变,是一个固定值。

但是由于锂电池的能量密有限,想要在锂电池领域取得突破性的进展,近期可能比较困难,大家都在期待尽快突破锂电池的技术瓶颈。与此同时,有人也在积极的开发的新能源,比如太阳能薄膜、燃料电池等。太阳能、氢能等新能源电动机也有望为小型无人机提供更持久的生存力。

提升动力系统效能的一个方面就是减轻无人机的重量,在减轻重量这一层,必须从材料入手。用塑料和金属部件组成的消费级无人机固然可以实现“飞行”这一功能,但工业级无人机的目的是飞得更远、更平稳,就需要采用碳纤维材料了,碳纤维的价格要比铝合金的要高,不过随着经济的发展,它的价格逐渐趋于平民化。

而且使用轻质的碳纤维材料,能减少无人机能源消耗,对环境保护也有重要的意义,从长远角度看,经济效益显着。大多数金属的疲劳极限是其抗拉强度的30%~50%,而碳纤维复合材料的疲劳极限可达到抗拉强度的70%~80%,在使用过程中减少突发性事故,安全性高,寿命长。碳纤维材料能在不降低硬度的情况下,将重量减少三分之一。对于提高效能是很有用的。

 

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