【導讀】近年來無人機市場的發(fā)展,多旋翼無人機以優(yōu)良的操控性能和可垂直起降的方便性等優(yōu)點迅速獲得了廣大消費群體的關注,成為迄今為止最熱銷的產(chǎn)品。多旋翼無機人相較于其它無人機具有得天獨厚的優(yōu)勢,與固定翼飛機相比,它具有可以垂直起降,可以定點盤旋的優(yōu)點;與單旋翼直升機相比,它沒有尾槳裝置,因此具有機械結構簡單、安全性高、使用成本低等優(yōu)點。
多旋翼無人機的諸多優(yōu)點使它在無人機b端市場前景被看好,但也面臨著許多的問題,在電力巡航、物流運輸、消防、植保等領域電動無人機的載重及續(xù)航時間成為制約其發(fā)展的重要因素。此時,燃油動力多旋翼無人機憑借其大載重與長航時的優(yōu)點為b端市場帶來曙光。
油動多旋翼常見分類
常見的油動多旋翼無人機有四旋翼、六旋翼、八旋翼,多旋翼其最大特點就是具有多對旋翼,并且每對旋翼的轉(zhuǎn)向相反,用來抵消彼此反扭力矩。
多旋翼無人機在飛行過程中需要不斷地調(diào)整各個旋翼產(chǎn)生的升力來保持飛行姿態(tài)的平穩(wěn)。常用改變升力的方式有兩種。一種是發(fā)動機轉(zhuǎn)速恒定,通過調(diào)整螺旋槳的螺距改變升力,稱為變槳距方式;另一種是螺旋槳的螺距恒定,通過調(diào)整發(fā)動機轉(zhuǎn)速改變升力,稱為調(diào)速方式。兩種方式各有什么特點呢?
變槳距,也稱為變距、調(diào)距:優(yōu)點是響應速度快。缺點是需要復雜的機械結構來調(diào)整槳距,造價成本高,維護費用也高。
調(diào)速,也稱為變轉(zhuǎn)速、變速。優(yōu)點是機械結構簡單,調(diào)速多發(fā)直驅(qū)方式無傳動結構,發(fā)動機直接驅(qū)動螺旋槳。造價成本較低,維護費用低。缺點是響應速度較慢。
常見油動多旋翼能源提供方式有純油動和油電混合兩種類型。純油動按控制方式又可分為上面所說的油動變槳距和油動調(diào)速;油動變槳距又可細分為單發(fā)傳動和多發(fā)傳動;常見的油動調(diào)速只有多發(fā)直驅(qū)類型。油電混合常見的只有調(diào)速控制方式一種,又可分為油發(fā)電和油加電兩種。
油動單發(fā)傳動變槳距多旋翼
采用一個發(fā)動機提供動力,通過復雜的傳動結構將動力傳到各旋翼并改變旋轉(zhuǎn)方向。各旋翼轉(zhuǎn)速相同,以調(diào)整螺旋槳螺距的方式改變升力保持姿態(tài)平穩(wěn)。
優(yōu)點:發(fā)動機數(shù)量少,發(fā)動機的維護工作量小。響應速度快。
缺點:發(fā)動機動力傳輸?shù)礁餍淼膫鲃訖C械結構復雜,各旋翼又需要獨立的變槳距機械結構,導致機械結構非常復雜,機身整體重,制造成本高,機械維護難度大,總體維護費用高。
油動多發(fā)傳動變槳距多旋翼
采用多個發(fā)動機提供動力,每個發(fā)動機帶動一個旋翼,各發(fā)動機轉(zhuǎn)速相同,以調(diào)整螺旋槳螺距的方式改變升力保持姿態(tài)平穩(wěn)。發(fā)動機和旋翼之間需要傳動結構??梢允褂谜崔D(zhuǎn)發(fā)動機,也可以只使用正轉(zhuǎn)發(fā)動機,通過傳動機構換向。
優(yōu)點:傳動結構簡單,響應速度快。
缺點:發(fā)動機個數(shù)多,發(fā)動機維護工作量大。各旋翼又需要獨立的傳動結構和變槳距機械結構,機械結構較復雜,機身整體重,制造成本高,總體維護費用高。
油動多發(fā)直驅(qū)多旋翼(燃油直驅(qū)多旋翼)
常見油動調(diào)速多旋翼都是采用多發(fā)調(diào)速直驅(qū)方式,通常稱為油動直驅(qū)多旋翼。
油動直驅(qū)多旋翼采用多個發(fā)動機提供動力,每個發(fā)動機帶動一個旋翼,旋翼螺距固定,通過調(diào)整發(fā)動機節(jié)氣門控制轉(zhuǎn)速改變升力,旋翼直接安裝在發(fā)動機的轉(zhuǎn)軸上,無需傳動結構。
優(yōu)點:無需傳動結構、機械結構簡單,零部件個數(shù)少、制造成本低,維護費用較低。
缺點:發(fā)動機個數(shù)多,發(fā)動機維護工作量大。機身整體較重,效率與響應速度一般。
油電混合多旋翼
油電混合多旋翼,按照動力方式劃分 ,可分為油發(fā)電與油加電共同發(fā)電兩種。
油發(fā)電多旋翼
油發(fā)電多旋翼是以單個發(fā)動機提供動力帶動發(fā)電機發(fā)電,再以此電能驅(qū)動各旋翼上的電機產(chǎn)生升力,無需配備動力電池。各旋翼直接固定在電機轉(zhuǎn)軸上,無傳動結構。
優(yōu)點:只消耗燃油,補充能源便捷。電機響應速度較快。
缺點:需要發(fā)動機和發(fā)電機,機身整體較重,載重量較小。
油加電多旋翼
油加電多旋翼一般以單個發(fā)動機帶動主旋翼提供升力,多個電動旋翼調(diào)整姿態(tài),需配備動力電池。旋翼直接固定在電機或發(fā)動機的轉(zhuǎn)軸上,無傳動結構。
優(yōu)點:無需發(fā)電機,無傳動結構,機身整體較輕。電機響應速度較快。
缺點:需要添加燃油和攜帶動力電池,補充能源不便捷。
以上各種方案基本都有成功首飛的案例。由于多發(fā)直驅(qū)方案具有機械結構簡單,維護方便,載重量大等顯著優(yōu)點,目前已有較好的商業(yè)應用。
其中,深圳常鋒信息技術有限公司全自主研發(fā)生產(chǎn)的天馬-1植保無人機搭載智能噴灑系統(tǒng),采用RTK定位技術、雙天線測向技術、厘米級雷達測高技術,具有載荷量大、噴灑精準、定位精度高、抗地磁干擾、仿地形飛行和全自主作業(yè)等特點,可大幅提高作業(yè)效率,降低作業(yè)成本。已在新疆等地推廣使用。
多旋翼未來發(fā)展趨勢
油動多旋翼的發(fā)展趨勢主要在于兩方面,一個是發(fā)動機,一個是旋翼。
電噴:電噴發(fā)動機是采用電子控制裝置,取代傳統(tǒng)的機械系統(tǒng)(如化油器)來控制發(fā)動機的供油過程。使用電噴發(fā)動機具有省油、提升可靠性、提升響應速度及環(huán)境適應力等優(yōu)點。
啟發(fā)一體化:目前市場上的發(fā)動機使用的電機有直流電動機和帶有調(diào)節(jié)器的交流發(fā)電機,分屬啟動系統(tǒng)和充電系統(tǒng),分別固定在發(fā)動機體上,安裝布置不方便,所需安裝空間大,零部件多故障率高。缺乏有效的監(jiān)控控制器,發(fā)電效率不高,不能隨機械需求快速實現(xiàn)調(diào)速調(diào)節(jié)功率。啟發(fā)一體化就是啟動系統(tǒng)和充電系統(tǒng)一體化,啟動電機可作為發(fā)電機使用,具備發(fā)電功能。發(fā)電機啟動一體化,可以降低成本,減輕機體重量,提升使用便捷性。
再說旋翼機的發(fā)展。多旋翼無人機想在效率方面突破,就不得不考慮將固定翼的原理與優(yōu)缺點,與多旋翼相結合,從而得出更好的解決方案。
復合翼:采用固定翼結合多旋翼的復合翼布局形式,結合多旋翼可垂直起降,無需借助跑道滑行起飛的優(yōu)點,兼具固定翼無人機航時長、速度高、距離遠的特點,有效提升效率。
提問:
油動多旋翼能有效解決電動多旋翼的續(xù)航問題嗎,目前推廣的最大攔路虎是什么?
油動多旋翼解決的是載重和續(xù)航兩個問題,或者說是載重和續(xù)航的乘積(載重續(xù)航積),有些方案可以解決續(xù)航問題,但是受限于功率密度,載重量無法顯著提高,比如氫燃料電池。目前,油動直驅(qū)多旋翼商業(yè)化推廣較好,實際使用中發(fā)動機的環(huán)境適應能力是相對比較突出的問題。
飛控對油機的控制如何實現(xiàn)較好的響應,具體在多旋翼上是怎么實現(xiàn)的?
不同的油動多旋翼方案,飛控對發(fā)動機的控制策略是不同的。響應速度對抗風能力有影響,但是抗風性能涉及多個因素,可以通過其他方面彌補響應速度的問題。
如何抑制油動多旋翼的震動噪聲?
機械減震和數(shù)字濾波,注意相頻特性。
油動多旋翼植保無人機在未來幾年會不會大有作為?
油動多旋翼植保無人機操作簡便,載重和續(xù)航有優(yōu)勢,適合大面積自動化作業(yè),可以顯著降低成本。我相信未來一定會有很好的表現(xiàn),大家拭目以待。
油動會不會引發(fā)環(huán)境問題,你們在這方面都做了哪些努力?
一定程度上是存在滑油殘留,但是問題并不嚴重,其實地面植保機械目前也是燃油動力。對于其他應用場景的環(huán)境問題,從橫向比較,相比于廢棄鋰電池的環(huán)境污染,燃油的污染也并不是很嚴重。對此,我們首先從供應鏈選擇上會注意排放問題,另外,我們也在努力創(chuàng)新,采用新的方案。我們的目的是解決載重和續(xù)航的問題,條條大路通羅馬。
(本文內(nèi)容由常鋒無人機CEO趙自超分享,新智造金紅整理)
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