动力系统(下):微型无人机的心脏

来源:宇辰网 作者:赵孜 时间:2016-05-24 分享至:
[宇辰导读]任何设备想要运动,都离不开动力。无人机由于其天然的优越性,早已经由军用技术外溢到民用领域。不过受制于续航能力,目前为小微型无人机的应用受阻。

  任何设备想要运动,都离不开动力。无人机由于其天然的优越性,早已经由军用技术外溢到民用领域。不过受制于续航能力,目前为小微型无人机的应用受阻。

  微型无人机具有体积小、质量轻等优势,在军民两用方面具有十分广阔的应用前景, 包括为野外作战提供复杂地形情况下的侦察及监视;通信中继;检测核污染或进行特殊环境下的检测;侦察建筑物内部情况;监视、监听、解救人质以及反恐怖行动等。在民用方面,微型无人机(微型无人机)可用于搜索灾难幸存者和有毒气体或化学污染以及民用航空 拍摄等。由于微型无人机诱人的应用前景,使其正成为世界上热门的技术之一。

  然而,由于尺寸、质量、续航时间等条件的严格限制,微型无人机的发展面临着诸如:低雷诺数下空气动力学特性、飞行稳定性和抗干扰性、材料与结构、微型化控制、导航系统和任务设备等关键技术难题,动力系统正是其中之一。随着几何尺寸的减小,结构质量占总飞行器质量的百分比减少,国外有专家最初提出微型无人机的设想中总飞行器质量仅占 12. 3%,而推进系统占73. 4%。15 厘米尺寸的第一代黑寡妇无人机结构质量比例也只有17%,因而,除了尽可能地减少结构质量外,还要减少微型无人机的载荷质量、提高效率、增加飞行时间,其关键在于提高推进效率。

黑寡妇/图  来源网络

  微型无人机对其动力系统的主要要求是:质量轻、体积小;能量密度和功率密度高,可以为微型无人机提供足够的飞行动力;震动小,不干扰任务设备正常工作( 如拍摄图像);噪音小以保证微型无人机的隐蔽性; 此外, 微型无人机动力系统还应易于启动,可靠性高。任何飞行器的飞行首先要解决的问题是动力问题,没有动力,飞行无从说起。目前人们提出的微型无人机动力系统方案包括电动机驱动螺旋桨、内燃机驱动螺旋桨、微型涡轮喷气发动机、人造肌肉、激光推进、核能推动电动机等。

  微型内燃机

  从能量转换效率来看,相同质量的矿物燃料燃烧释放的能量要比一般电池放出的能量多,因此有一些专家关注内燃机的运用。目前,国际上主要发展的微型内燃机有D-STAR工程公司的微型内燃机,这种发动机采用JP-8燃料,体积为0.82 厘米³,可产生74.57W的功率。埃奇特斯公司的Cox系列内燃机是世界上最小的批量生产内燃机、也是国外微型无人机采用最多的发动机,具有体积小、功率大的特点;重型航空器公司的微型内燃机,其发动机功率的等级从10W~1000W甚至更高,功率10W的发动机质量21g,直径15毫米,长45毫米,能量密度1200J/g,续航时间1h。

  虽然内燃机具有技术成熟 、能量密度高的优点,但其热效率只有5%左右,而且,内燃机的高油耗限制了微型无人机的航程和续航时间,难以满足微型无人机可靠性高的要求。此外,微型无人机对温度和湿度非常敏感,在恶劣的环境下难以使用;发动机的启动尤其是空中再启动也存在很大困难。目前,国外正在研究低噪声、振动小和运行时间长的先进内燃机技术,如:美国加利福尼亚大学与日本秋田大学和福井大学研究制作的汪克尔微型发动机 。

  微型喷气发动机 

  国外正在发展中的微型喷气发动机包括微型涡轮发动机(Microtur bineengine,微型涡旋发动机)和过氧化氢火箭/涡轮组合发动机以及脉冲喷气发动机等。在国外,美国多所大学和公司正在进行微型涡旋发动机的研究,其它发达国家对此也十分重视并正在开展有关的研究。美国麻省理工学院从1994年开始研究基于微机电系统的微型涡轮发动机、微型涡轮发电机及微型火箭发电机。

  微型涡轮发动机的直径为 20毫米、厚3毫米,材料为Si 或SiC,质量1g ~ 2g,可产生10W~ 20W的电功率或 0. 05 N~ 0. 1N的推力,并且每小时消耗不到 15g的氢。稍大型的可以采用碳氢燃料,产生100W的功率。基准发动机将用甲烷作燃料,材料为碳化硅。

  这种发动机由 6层硅片叠堆而成,气流轴向流经第1片和第2片,然后转 90°,从第3片的压气机转子和扩压器径向流出。当气流继续沿径向流到燃烧室进气孔时,燃料喷入并与之混合。接着,混合气又转为轴向流入第4片内的燃烧室,经点火燃烧后燃气继续转向,沿径向向内流经第 5片内的涡轮 导向叶片和转子叶片。最后,燃气转向轴向由在第6层内的喷管排出。

  这种发动机的优点是:功率密度与同类大发动机的相同;机构紧凑、尺寸小;由于采用MEMS加工技术,产品的标准化程度高、成本较低;模块化结构,可多个联合使用;用途多样,可作为便携电源、推进动力、机翼附面层和环流控制器吹风以及电子设备等。目前,麻省理工已完成了基准发动机的设计和零部件制造方法的研究,压气机、涡轮、燃烧室和空气轴承的试验已经结束。2001年第一季度,基准微型涡喷发动机已经开始运转。

  目前,采用空气轴承的涡轮转速已达到1.3×106r/min,采用氢/空气混合的硅基燃烧室已可连续运转。麻省理工还研制出了带催化剂的硅材料微型燃烧室,并在碳氢燃料中进行了试验。基于过氧化氢的火箭/涡轮组合发动机出现于20世纪90年代后期,英国防务评估与研究局(DERA)推进部提出一种用于微型无人机的以过氧化氢和煤油或其它相近物质为燃料的火箭/涡轮组合发动机。它的工作原理是:过氧化氢在催化剂的作用下产生蒸汽和高温氧气,氧气与位于火箭发动机尾部的小燃烧室中的煤油发生反应,产生的高速排气推动一个与涡轮耦合的涵道风扇。

  这种发动机具有单位推力大、排气红外信号低、无污染、无 毒、可储存、无需点火系统、性能与微型燃气涡轮发动机可比等许多优点,并且由于采用了成熟的技术,其技术风险小。奎奈蒂克公司从2001年开始实施为期三年的微型无人机发动机研究计划,目的是发展满足微型无人机要求(推动质量为100g的微型无人机飞行1h)的发动机样机。该发动机质量为1.6g,采用过氧化氢/煤油混合燃料,可产生0.0621N的推力。目前,该公司正在制造一体化的飞行尺寸的推进系统。

  微型电动机

  电动机驱动螺旋桨是目前微型无人机应用最多的动力形式。电动机也具有体积小、噪音小、容易控制、使用维护方便、可靠性高等许多其它动力系统所不具备的优点。基于商业化的支持, 高现实性和低成本, 电动机对微型无人机来说仍然是目前最 有前途的驱动装置之一。

  国外具有代表性的几种微型无人机有: 美国航空环境公司的黑寡妇无人机;桑德斯公司的微星;MLB公司研制的Trochoid无人机等都采用电动机作为无人机的动力系统。电动机已可以做得非常微型化,而且为电动机提供能量的能源种类也比较多,比如电化学电池、燃料电池、微型涡轮发电机、热光电发电机、太阳能电池以及波束能量系统等等,并且这些电源除了用于驱动电动机、还可以为飞行器上其它设备直接提供能源。尤其是微型无刷直流电动机近几年的发展,进一步提高了动力效率。作为一种比较成熟的动力系统,电动机将依然会是未来微型无人机比较现实的主要动力装置,并将得到持续、有活力的发展。

  其它微型动力系统 

  除上述的微型内燃机发动机、微型喷气发动机和微型电动机之外, 国内外还在积极研究包括人造肌肉、激光推进甚至核能等其它动力系统。

  人造肌肉主要用于10g以下扑翼机的推进,它利用化学或电流以及一种类似橡胶的物质发挥机械传动、齿轮和滑轮的作用。美国Stanford研究所研制的扑翼机就是由人造肌肉驱动,看上去像橡胶软管,两端带有电针;佐治亚技术研究院的微型无人机Entomopter计划研究所使用的是一种被称作“往复式化学肌肉(RCM) ”,它在化学能的驱动下,可以使扑翼产生扑动,通过直接转换,RCM甚至还可以为机上微系统提供少量电能。目前,人造肌肉还基本处于实验室研究阶段,需要解决包括提高电能转为机械能效率、聚合物胶体制造、动作控制等大量技术难题,距实际应用还有比较长的距离。

  激光推进是一种新的推进机构,它是利用激光能使流体产生运动量,使用反作用取得推力的方法,可用于微型无人机。一般可以通过在微型无人机机体后端安装铝片,通过从地面向该铝片照射激光,向机体提供飞行所需的推力,但其推力远远低于所需激光输出的功率。与人造肌肉一样,激光推进技术也远远没有达到实际应用的程度。

  核能推进是一种全新的推进机构,就是利用微量的放射性物质衰变所产生的电能驱动微型无人机。现在,威斯康星大学的一组工程师已经开始了一个利用核能来提供能量的项目,但这些发电机是与向家庭和工厂提供电力的核电厂完全不同的。这些微型装置的能源不是靠转动的涡轮机来发电,而是利用微量的放射性物质,通过它们的衰变来产生电能。人们曾用这种方法给心脏起搏器以及探索太阳系外层黑暗空间的航天器等各种装置提供能源。

  威斯康星大学的核能工程教授布兰查德说:“以前还从没在我们现在所讨论的规模上做过这种事”。布兰查德所领导的研究小组正设法开发这项技术,这项研究得到了美国能源部一项45万美元的拨款。布兰查德还说:“最适合这种技术的元素是1898年由居里夫妇发现的钋”。放射性物质已被广泛应用在许多装置中,包括烟雾探测器以及一些复印机上也使用条状的放射性物质消除纸张间的静电。但是,如果核电要成为未来的微型“机器”能源,这项技术必须缩小到微观的水平。事实上,世界各地有数十个实验室已经在研制被称作MEMS的微型机电设备,它是当今高科技领域的关键课题之一。如果微量反射性物质所产生的电能能用于这些微型机电设备,那将是微型无人机发展史上的一次飞跃。

  小结:微型无人机具有飞行器体积小、质量轻等优势,在军用民用两方面具有广阔的应用前景,由于对其尺寸、质量、续航时间等条件的严格限制,微型无人机的发展面临着诸多关键性技术难题,动力系统正是其中之一。然而, 随着微型无人机技术的不断发展和进步, 动力系统的诸多问题会逐步得到解决, 以此推动微型无人机技术的不断向前发展。

  注:本文部分内容引自包强、倪国旗、李如年、张国新、隋毅所著《微型无人机动力系统研制分析》。




更多无人机行业资讯,请关注宇辰网微信,扫描下方二维码免费阅读。


声明:宇辰网尊重行业规范,每篇文章都注明有明确的作者和来源;宇辰网的原创文章,请转载时务必注明文章作者和"来源:宇辰网",不尊重原创的行为将受到宇辰网的追责
如果您觉得文章不错,请分享

关注宇辰

每周十大热门文章

喜欢就买

推荐