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涵道型无人机飞行(háng)原理

 

涵道无人机(Ducted Fan UAV)正如其英文名(míng)一(yī)样对我们(men)而言(yán)比较(jiào)陌(mò)生。

提(tí)起“涵道(dào)”,这两个字大家可能比(bǐ)较熟悉,但(dàn)对于“涵(hán)道”涉及(jí)到的飞行(háng)器及其它概念,大家可能没什么印象。比(bǐ)如“涵(hán)道发动(dòng)机(jī)”,“涵道风扇”这两(liǎng)个概念是否一样呢?

1.涵道无人机机型(xíng)特点

相对于固定翼型无人机、直升机型无人机(jī)、多旋翼型无人机,“涵道无人机”更能体(tǐ)现(xiàn)出飞行(háng)器构造(zào)概念(niàn)在表现形式上的灵(líng)活性。

2. 涵(hán)道无人机控制方式

一般说道无(wú)人机的控制方式只涉及到姿态控制方式,比如固(gù)定翼。

对于(yú)有些机型如直升机型、多旋翼类(lèi)型除了姿态(tài)控制外也(yě)涉及(jí)反扭(niǔ)矩(jǔ)的提供,而且提供反扭矩的方式在上述两种机型中(zhōng)都非常明显了:直升机通过尾桨总(zǒng)距控制提供机体(tǐ)坐标(biāo)系偏航方向上的(de)反扭矩,多(duō)旋翼无人机通过相同数目不同(tóng)转向定距桨提(tí)供(gòng)反扭(niǔ)矩平衡。

对于相对定义范畴异常宽泛而(ér)结构表现(xiàn)相(xiàng)对封闭的涵道无(wú)人机而言,姿态(tài)控(kòng)制方(fāng)式和(hé)扭矩平衡都异常灵活。

涵道(dào)无人(rén)机的姿态控制方式可以分为两大类:耦合姿态控制;解耦(ǒu)姿态控制。

2.1 耦合(hé)姿态控制常见的结(jié)构有(yǒu):单旋翼结构(gòu);共轴双旋(xuán)翼结构(gòu)

耦(ǒu)合类(lèi)涵道无人机(jī)一般采用环(huán)形结构设计,以i-STAR为例,上部中间体中安装动(dòng)力系(xì)统(活塞式发动(dòng)机,发动(dòng)机控(kòng)制器,螺旋桨,有效载(zǎi)荷等)。其中螺(luó)旋桨(jiǎng)为常见的定距(jù)桨(jiǎng),没有变(biàn)距,没有(yǒu)挥舞,直接由发动机驱动。下部中间体由8块固定翼板(bǎn)稳(wěn)定于涵道中央,内部搭载反馈系统(tǒng)。这个8个(gè)固(gù)定翼板(固定(dìng)片)安置角不变,产(chǎn)生平衡单旋翼扭矩的效果。控制翼(yì)板(导流(liú)片)由(yóu)伺服电(diàn)机控制角度产生(shēng)姿态控(kòng)制(zhì)力矩。

该类涵(hán)道结构采(cǎi)用旋转倾(qīng)斜(xié)器,通过变距拉杆改变旋(xuán)翼(yì)周期(qī)变距从(cóng)而控制飞行器姿态。类似于直升机的主旋翼(yì)结构(gòu)。MR.城堡并未接触过采用共轴双旋翼结构,耦合飞行的涵道无人机(jī)产品,因此不确定是(shì)否完全(quán)采用直(zhí)升机主(zhǔ)旋翼那种铰接(jiē)式,还(hái)是采(cǎi)用半铰式(shì),但从(cóng)上(shàng)图来看应(yīng)该是采用(yòng)半铰式结构(gòu)。

2.2解(jiě)耦姿态控制

解耦姿态控制方式非常直接(jiē):主涵(hán)道(dào)提供偏(piān)航力矩,调节涵道提供横滚力矩,尾桨涵道提供前飞推力,水平涵道共同提(tí)供垂向升(shēng)力。

3. 涵道型飞行器特点

涵(hán)道无人机的研究起始于上世纪80年代,美(měi)国汉军陆战队需要空中(zhōng)远程遥(yáo)控装置(AROD)实(shí)现空中侦(zhēn)察和监视(shì)。桑迪(dí)亚国家实验室按要求开(kāi)发出具备VTOL能力的(de)首款涵道飞行器,该项目由于(yú)受限于当时的飞行控制(zhì)技术,于(yú)90年代终止。之后包括1992年美国的“多用于安全与监视任务平台(tái)”项(xiàng)目;2001年美国国防高级研究计划局(DARPA)启用的建制无(wú)人机计划(OAV)等等(děng)表(biǎo)明涵道型无人机具备的独(dú)特特点与军(jun1)事需求紧(jǐn)密相连。

3.1 安全性

涵道无人机(不管何种设(shè)计(jì)方案)旋翼都稳稳(wěn)的安置在涵道内(nèi)部。这(zhè)使(shǐ)得该类(lèi)型飞行器对于操(cāo)作者和周围环境(jìng)有着无与伦比的安全性。面对环境复(fù)杂的林(lín)地,人口稠密的城市地(dì)区,涵道无人机都是执行短时任务的首选。

3.2 机动性

涵道型无人(rén)机的机动性特别适合(hé)城市复杂环境下执行任务。与固定翼无人机相比,涵道无人机具备VOTL能力,相比于(yú)多旋翼(yì)及直(zhí)升机型无人机,涵道机可以在非常狭小的环境中进行(háng)起降和作业。同样优良的定点悬(xuán)停能力使得(dé)涵道型无人机具备多旋(xuán)翼机(jī)型(xíng)的(de)图像数据获取能(néng)力。

3.3 飞行效(xiào)率

同无人直升机相比,同等功耗(hào)下,涵(hán)道风扇较(jiào)同直(zhí)径孤立旋翼会产生(shēng)更(gèng)大拉力:首先在低(dī)空速下增加飞行器(qì)的推(tuī)理;其次在所有(yǒu)的(de)飞行倾角下都可以(yǐ)提供(gòng)气动升力;第三,将飞行(háng)器的升力系统和推进系统有效地(dì)结合起来;最后涵道壁可以有效地将螺旋桨滑(huá)流(liú)转换成(chéng)推力,从而产生附加升力。

3.4 隐蔽性

这个特点是涵(hán)道型(xíng)飞行器(qì)很受军方青(qīng)睐的重(chóng)要(yào)原因。螺旋桨位于涵道(dào)内(nèi)部,气动噪(zào)声(shēng)被阻挡从而物理地降低了飞行器噪音的(de)强(qiáng)度和(hé)传播距离。同(tóng)行,由于动(dòng)力系统(tǒng)被涵道(dào)环扩,从而降低了整体(tǐ)飞行器的发动机热辐射扩散。

涵道型无人机现阶段并未受(shòu)到市场的太多重视,原因更多在于控制难度、产(chǎn)品成熟度、飞行系统空间设计方面(miàn)。其设计(jì)结构本身具备的安全性,机动性(xìng)使得该机型非(fēi)常适用于(yú)家(jiā)庭、室内应用。来源:知乎(hū)

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