无人机动力系统现状与发展趋势
美军无人机发展现状及趋势探析
美军无人机发展现状及趋势探析2011-06-28海神纵观美军近几场现代化条件下的局部战争，我们不难发现，无人机在战场的投入量越来越大，担负的任务也从战场侦察和监视扩展到海域巡逻、反潜战、对舰(地)攻击、电子干扰、通信截听、目标精确定位、中继通信等领域，甚至扩展到战区空中导弹防御、心理战和网络中心战领域。
无人机已经成为美军作战不可或缺的重要武器平台，在信息化条件的现代战争中发挥着举足轻重的作用，可以预见其必将成为未来信息化战争——“无人化战争”的生力军。
一、美军无人机发展的动因（一）军事需求的牵引是无人机发展的源动力未来战争形态将是信息化战争，信息力可能会成为战斗力诸要素中的首要要素。
美国国防部始终以提高美军全球感知能力为其终极目标。
无人机具有受气候条件限制少、昼夜可用、能突入危险地区上空长时间的实施监视与侦察以获取情报信息(包括通信情报和电子情报的信息)并能实时传输目标图像的独特优势，成为能够满足这一需求的有效手段。
“零伤亡”目标一直是美军追求的最高境界，也是美军发展无人机的外部原因。
现代空袭反空袭斗争异常激烈，即使美军最先进的飞机也可能遭受袭击后坠毁，人员伤亡依然不可避免。
无人机恰好可以适应美军战场上“零伤亡”的要求，不用飞行员冒着生命危险作战，就是被击落也不会有人员伤亡，所以美军把无人机列为未来实现“零伤亡”目标的首选武器。
“网络中心战”和“非接触”作战理论是美军大力发展无人机武器装备的重要依据和理论支撑。
美军军事专家分析认为，“网络中心战”和“非接触作战”将成为未来战场的主要作战方式。
美军在不断的战争实践中摸索发现，无人机是实施网络中心战和非接触作战的一种能游刃有余于战场多个空间的重要作战平台和打击手段。
因为无人机本身所具有的探测与监视、指挥与通信、干扰与摧毁能力正好符合了美军网络中心战所需的要求，使得其成为美军实施作战的主要攻击手段之一。
（二）高新技术的进步是无人机发展的支撑点微电子、动力和隐身等高新技术的进步是军用无人机发展的重要推动力。
无人机飞行器的能源技术电池与动力系统
无人机飞行器的能源技术电池与动力系统无人机飞行器的能源技术——电池与动力系统无人机飞行器是近年来崛起的一种重要的航空器，其应用范围涵盖了农业、航拍、安防、地质勘探等多个领域。
在无人机飞行器技术的众多关键部件中，能源技术是其中一个至关重要的方面。
本文将对无人机飞行器的能源技术，尤其是电池与动力系统进行探讨。
一、电池技术1. 锂电池在无人机飞行器中，锂电池是最常用的电池类型之一。
锂电池具有高能量密度、轻量化等优点，能够为无人机提供持续稳定的动力供应。
目前，锂聚合物电池被广泛应用于中小型无人机飞行器中，其具有较高的能量密度和较轻的重量，能够为无人机提供更长的续航时间。
2. 镍氢电池另外一种常用的电池类型是镍氢电池。
镍氢电池具有较高的循环寿命和更好的高温性能，适用于高温环境下的无人机飞行器。
相比于锂电池，镍氢电池的安全性更高，但能量密度稍低一些。
3. 未来发展方向随着技术的不断发展，还有其他类型的电池被不断尝试应用于无人机飞行器中，如固态电池、锂硫电池等。
这些新型电池具有更高的能量密度和更长的循环寿命，有望成为未来无人机飞行器电池技术的发展趋势。
二、动力系统1. 电动动力系统无人机飞行器的动力系统主要分为电动动力系统和内燃动力系统两种。
电动动力系统由电机、电调、螺旋桨等部分组成，是目前中小型无人机的主流动力系统。
电动动力系统具有响应速度快、噪音低、维护成本低等优点，能够为无人机提供可靠的动力支持。
2. 内燃动力系统内燃动力系统则是一些大型无人机飞行器使用的动力系统。
内燃动力系统运用内燃机作为动力源，能够提供强大的动力支持和更长的续航能力。
但相应的，内燃动力系统的噪音和维护成本较高，适用于对动力要求较高的长距离任务。
3. 新型动力系统除了传统的电动和内燃动力系统，还有一些新型动力系统不断涌现。
比如氢燃料电池动力系统、太阳能动力系统等，这些系统在减少对常规能源的依赖、提高无人机飞行器环保性等方面具有巨大潜力。
无人机的发展现状以及应用前景
CHINA FLIGHTS 中国航班189CHINA UNICOM联通中国无人机通常是指无人驾驶飞行器。
无人机按应用领域，可分为军用与民用，但随着近些年来因为模型类别的增加，由人在地面控制的承担航拍、监测、喷洒农药等功能多旋翼机的普及，人们现在习惯上以此类模型类别的无人驾驶航空器为无人机。
同时，随着近年来作为玩具和民用辅助工作的航模性质的机型的普及，无人机的定义也有所扩展。
而本文将针对在人们日常生活中经常见到的。
具有模型性质的、辅助人们生产生活、具有一定娱乐性的无人机进行阐述。
1发展现状随着控制技术的发展、新材料的研制、无人机的发展现状以及应用前景王江伟 钟宏昊 王博文(华北理工大学)计算技术等多种技术水平的迅猛发展，无人机已经在多种领域中有所应用，在日常人们的生活中，也能感受到无人机对生活带来的影响，其在搜索救援、实时监视、交通监控、危险区域替代人力的侦查、辅助植保、影视拍摄等多方面的重要性及优势已经得到广泛认可。
无人机近几年广泛地出现在大众视野中，广泛的出现也从侧面说明了，无人机的操作难度相对较低，可以被大众所接受。
也代表了无人机相关技术的成熟和成功应用。
无人机的技术构成十分复杂，其涉及的技术领域广泛，较为接近机器人的范畴，涉及到传感器、导航系统、控制系统、动力系统、故障诊断系统、决策及规划系统等多种技术系统。
技术壁垒的存在并未影响我国无人机产业、无人机企业的发展和出现，近几年，大疆、极飞科技、派诺特等众多无人机企业出现在大众视野中。
我国无人机的发展势头十分迅猛，在一定程度和某方面上，已经成为行业内的领跑者。
2应用领域无人机因为其身材小巧，操作灵便，以及能够提供广阔的视野等诸多优点，被广泛应用于各个领域，除了我们日最常见到的航空拍摄，无人机仅在植物保护这一个领域就起到了十分重要的作用。
随着全球气候变暖，农村劳动力向城市转移等实际情况的存在，传统的农药使用技术已不摘要：近年来，随着科学技术的发展进步，也让无人机的发展越发迅速。
国内外无人直升机的发展现状及应用分析
国内外无人直升机的发展现状及应用分析在无人机里有一种特殊的无人直升机，它是指由无线电遥控飞行或自主控制飞行的无人驾驶、不载人的垂直起落旋翼飞行器。
它依靠发动机驱动旋翼产生升力和操纵力，能垂直起落、空中悬停，能向任何一个方向灵活飞行。
真正意义上的无人直升机以长航时、多任务、稳定性等为标志，与时下一些航模性质的无人机根本不在一个量级上。
无人直升机的多功能特性无人直升机无论在现代战争还是经济建设、日常生活中都具有独特作用。
以民用为例，无人直升机具有成本相对较低、无人员伤亡风险、生存能力强、机动性能好、使用方便等优势，广泛应用于包括：航空拍摄、航空摄影、地质地貌测绘、森林防火、地震调查、边境巡逻、应急救灾、禁毒、反恐、警用侦查巡逻、治安监控、消防航拍侦查、通信中继、城市规划等多个领域。
近年来，无人机在民用市场的潜在需求也将逐步显现，我国民用无人机将进入快速发展期。
国外无人直升机的发展无人直升机研制始于上世纪50年代初，美国、英国、德国等国家率先对无人直升机进行研究。
当时美国为加强反潜搜索能力以应对前苏联庞大的潜艇威胁开始无人直升机研制，委托“螺旋动力”公司为美海军研发了第一架无人直升机——QH-50，该机为遥控无人直升机，先后交付近800架。
上世纪70年代，美国陆军使用其改进型QH-50D在越南战场上执行战场侦察和炮兵目标观测任务，由于该机为遥控直升机，使用不甚方便，失事率也非常高，美军无奈于70年代末期取消了QH-50的订货计划，其任务使命由无人机代替，无人直升机在美国的研制呈萧条趋势。
在经历了试用、萧条、复苏之后，上世纪80至90年代，无人直升机的发展呈现出百家齐放的特点，出现了各种气动外形的无人直升机。
国外无人直升机逐渐步入加速发展时期。
上世纪90年代中后期，美国无人直升机研制呈迅猛发展趋势，各大直升机公司纷纷介入，也带动了全球无人直升机的研制热潮。
2005年8月，美军颁布2005～2030年《无人机系统路线图》，该路线图表明美军今后将大力开发无人直升机，可以预见美军无人直升机的研制将步入正轨并快速发展，这也正是美国各大直升机公司纷纷涌入无人直升机领域的主要原因。
无人机总结报告
无人机市场总结报告该报告结合无人机产业发展现状，从当前以及未来国内外无人机发展趋势和对无人机系统的需求，针对无人机系统的发展方向、发展目标、主要发展技术以及无人机系统发展路线图等方面进行了全面、系统的调研。
由于无人机具有运行成本低、无人员伤亡风险、机动性能好、可进行超视距飞行、使用方便高效等特点，目前已被成功应用于影视航拍、测绘航测、电力高压线巡查、地质勘探、救灾救援、农林业农药喷洒、海事定位、国防侦察、商业表演等领域，越来越多行业传统的工作方式被无人机取代。
但是由于我国低空无人机操控技术起步较晚，培训机构较少，当下无人机研发、生产、应用等机构对低空无人机操控人才的需求非常迫切，人才需求缺口大、供不应求。
无人机飞控（师）员、机械师及研发专业人员将是令人向往的高薪职业，又是国家紧缺人才之一。
一、基本概念无人机是不搭载操作人员，采用空气动力为飞行器提供升力，能够自动飞行或远程引导，可一次性或多次重复使用，携带各类有效载荷的有动力空中飞行器。
无人机要完成相应任务，需与任务载荷、测控与信息传输系统、地面保障系统等配合工作，无人机与以上各类设备组成的完整系统称为无人机系统。
无人机系统可由单个无人机构成，也可由多个同型的无人机或由多型多个无人机共同构成。
图一：无人机系统组成框图（一）分类情况无人机种类很多, 不同的无人机可以完成不同的特殊任务。
一般来讲, 可以按照“续航时间和航程分类” 和“军事用途分类” 两种方法进行分类图二：无人机分类示意图图三：全球鹰和捕食者无人机图四：RQ—7A“影子”无人机和“先锋”无人机（二）应用领域在军事应用领域方面：无人机主要可用于情报侦察、战场监视、电子对抗、通信中继、军事测绘、火炮校射、气象探测、打击效果评估等任务；根据任务的不同，军用无人机可以使用不同的有效载荷，主要包括数据传输与测控、目标探测、成像、光电、电子战、电子侦察、光电侦察以及敌我识别等类型。
随着技术的发展，无人机的军事应用较为广泛而深人，技术和性能已日臻完善，其承担的任务范围逐渐扩大，任务级别由战术级扩大到战役和战略级，任务性质由支援保障任务扩展到攻击作战任务。
2024年微型涡喷发动机市场发展现状
微型涡喷发动机市场发展现状概述微型涡喷发动机是一种小型、高效的发动机，被广泛应用于无人机、小型飞机和其他微型机器人中。
本文将对微型涡喷发动机市场的发展现状进行分析，包括市场规模、应用领域、竞争格局以及未来发展趋势等。
市场规模近年来，微型涡喷发动机市场呈现出快速增长的趋势。
一方面，无人机市场的快速发展推动了微型涡喷发动机的需求增长。
无人机在军事、民用、航拍等领域的广泛应用，需要小型、轻量化、高效的动力系统支持。
微型涡喷发动机正好满足这一需求，因其具有高功率密度、高可靠性和低燃料消耗等优势，成为无人机动力系统的首选。
另一方面，随着物联网、人工智能等新兴技术的快速发展，对于小型机器人和智能设备的需求也在增加。
微型涡喷发动机在这些领域发挥着关键作用，为小型机器人提供动力支持，有效促进了市场规模的扩大。
应用领域微型涡喷发动机的应用领域相对较广，主要包括以下几个方面：1.无人机市场：微型涡喷发动机广泛应用于无人机，包括军用和民用领域。
无人机在军事侦察、便携式通讯、航拍摄像等领域得到了广泛应用，其中微型涡喷发动机具有出色的性能和适应性，满足了无人机高强度、长时间飞行的需求。
2.小型飞机市场：微型涡喷发动机在小型飞机领域的应用也十分广泛。
随着私人飞机市场的发展，对小型、经济、可靠的动力系统的需求也在增加。
微型涡喷发动机具有高功率密度和低燃料消耗的特点，成为小型飞机的理想选择。
3.机器人市场：随着人工智能、机器人技术的快速发展，对于小型机器人的需求也在不断增加。
微型涡喷发动机作为小型机器人的主要动力源，具有功率大、重量轻、高效稳定的特点，可以满足机器人多样化的应用需求。
竞争格局目前，微型涡喷发动机市场存在着较为激烈的竞争。
主要竞争者包括国内外一些知名厂商和初创公司。
国外主要厂商包括美国的AeroVironment、Lockheed Martin等，英国的Rolls-Royce等，他们在无人机和小型飞机市场拥有较高的市场占有率和技术优势。
无人机结构及系统
第1章无人机结构与系统㊀㊀无人机结构与系统分为结构和系统两个方面,其中无人机结构主要是指无人机的硬件结构,无人机系统主要是指无人机动力系统㊁控制站㊁飞行控制系统㊁通信导航系统㊁任务载荷系统和发射回收系统等㊂1.1 无人机概述㊀㊀18世纪后期,热气球在欧洲升空,迈出了人类翱翔天空的第一步㊂20世纪初期,美国莱特兄弟的 飞行者 号飞机试飞成功,开创了现代航空的新篇章㊂20世纪40年代初期第二次世界大战时,德国成功发射大型液体火箭V-2,把航天理论变成现实㊂1961年,苏联航天员加加林乘坐 东方1号 宇宙飞船在最大高度为301k m的轨道上绕地球一周,揭开了人类载人航天器进入太空的新篇章㊂无人机的起源可以追溯到第一次世界大战,1914年英国的两位将军提出了研制一种使用无线电操纵的小型无人驾驶飞机用来空投炸弹的建议,得到认可并开始研制㊂1915年10月,德国西门子公司成功研制了采用伺服控制装置和指令制导的滑翔炸弹㊂1916年9月12日,第一架无线电操纵的无人驾驶飞机在美国试飞㊂1917 1918年,英国与德国先后研制成功无人遥控飞机㊂这些被公认为是遥控无人机的先驱㊂随后,无人机被逐步应用于靶机㊁侦察㊁情报收集㊁跟踪㊁通信和诱饵等军事任务中,新时代的军用无人机很大程度上改变了军事战争和军事调动的原始形式㊂与军用无人机的百年历史相比,民用无人机技术要求低㊁更注重经济性㊂军用无人机技术的民用化降低了民用无人机市场进入门槛和研发成本,使得民用无人机得以快速发展㊂目前,民用无人机已广泛应用于航拍㊁航测㊁农林植保㊁巡线巡检㊁防灾减灾㊁地质勘测㊁灾害监测和气象探测等领域㊂未来,无人机将在智能化㊁微型化㊁长航时㊁超高速㊁隐身性等方向上发展,无人机的市场空间和应用前景非常广阔㊂中国民用航空局飞行标准司在2016年7月11日颁布的‘民用无人机驾驶员管理规定“(A C-61-F S-2016-20-R1),其对无人机及相关概念作了定义㊂无人机组装与调试2㊀无人机(U n m a n n e dA e r i a l,U A)是指由控制站管理(包括远程操纵或自主飞行)的航空器,也称远程驾驶航空器(R e m o t e l y P i l o t e dA i r c r a f t,R P A)㊂无人机系统(U n m a n n e dA e r i a l S y s t e m s,U A S)是指由无人机㊁相关的控制站㊁所需的指令与控制数据链路以及批准的型号设计规定的任何其他部件组成的系统,也称远程驾驶航空器系统(R e m o t e l y P i l o t e dA i r c r a f t S y s t e m s,R P A S)㊂一种典型的无人机系统如图1-1所示㊂图1-1㊀一种典型的无人机系统无人机系统驾驶员是指由运营人指派㊁对无人机的运行负有必不可少职责㊁并在飞行期间适时操纵无人机的人㊂控制站也称遥控站㊁地面站,是无人机系统的组成部分,包括用于操纵无人机的设备㊂指令与控制数据链路(C o m m a n d a n dC o n t r o lD a t aL i n k,C2)是指无人机和控制站之间以飞行管理为目的的数据链接㊂1.无人机的优势㊀㊀与有人机相比,无人机具有以下优势㊂(1)机上没有驾驶员,无须配备生命保障系统,简化了系统㊁减轻了重量㊁降低了成本㊂(2)机上没有驾驶员,执行危险任务时不会危及飞行员安全,更适合执行危险性高的任务㊂(3)机上没有驾驶员,可以适应更激烈的机动飞行和更加恶劣的飞行环境,留空时间也不会受到人所固有的生理限制㊂(4)无人机在制造㊁使用和维护方面的技术门槛与成本相对更低㊂制造方面:放宽了冗余性和可靠性指标,放宽了机身材料㊁过载㊁耐久等要求㊂使用方面:使用相对简单,训练更易上手,且可用模拟器代替真机进行训练,节省了真机的实际使用寿命㊂维护方面:维护相对简单,维护成本低㊂(5)无人机对环境要求较低,包括起降环境㊁飞行环境和地面保障等㊂(6)无人机相对重量轻㊁体积小㊁结构简单,应用领域广泛㊂2.无人机的局限性与有人机相比,无人机具有以下局限性㊂第1章 无人机结构与系统3㊀(1)无人机上没有驾驶员和机组人员,对导航系统和通信系统的依赖性更高㊂(2)无人机放宽了冗余性和可靠性指标,降低了飞行安全㊂当发生机械故障或电子故障时,无人机及机载设备可能会产生致命损伤㊂(3)无人机的续航时间相对较短,尤其是电动无人机㊂(4)无人机遥控器㊁地面站㊁图传㊁数传电台等设备的通信频率和地面障碍物等,限制了无人机系统的通信传输距离,限制了无人机的飞行范围㊂,决定了无人机的抗风㊁抗雨能力有限㊂目前,无人机的用途广泛,种类繁多,型号各异,各具特点㊂按应用领域的不同,无人机可分为军用无人机㊁民用无人机和科研无人机㊂按飞行航程的不同,无人机可分为超近程无人机㊁近程无人机㊁短程无人机㊁中程无人机和远程无人机,具体分类如表1-1所示㊂表1-1㊀无人机的分类(按飞行航程分)无人机的分类无人机的飞行航程/k m超近程无人机<15近程无人机15~50短程无人机50~200中程无人机200~800远程无人机>800按飞行高度的不同,无人机可分为超低空无人机㊁低空无人机㊁中空无人机㊁高空无人机和超高空无人机,具体分类如表1-2所示㊂表1-2㊀无人机的分类(按飞行高度分)无人机的分类无人机的飞行高度/m超低空无人机0~100低空无人机100~1000中空无人机1000~7000高空无人机7000~18000超高空无人机>18000按中国民用航空局飞行标准司2016年发布的咨询通告‘民用无人机驾驶员管理规定“(A C-61-F S-2016-20-R1),无人机可分为9类,具体分类如表1-3所示㊂表1-3㊀无人机的分类(按民航法规分)无人机的分类空机重量/k g起飞重量/k gⅠ0<空机重量/起飞重量ɤ1.5Ⅱ1.5<空机重量ɤ41.5<起飞重量ɤ7Ⅲ4<空机重量ɤ157<起飞重量ɤ25Ⅳ15<空机重量ɤ11625<起飞重量ɤ1504㊀无人机组装与调试续表无人机的分类空机重量/k g 起飞重量/k g Ⅴ植保类无人机Ⅵ无人飞艇Ⅶ超视距运行的Ⅰ㊁Ⅱ类无人机Ⅷ116<空机重量ɤ5700150<起飞重量ɤ5700Ⅸ空机重量/起飞重量>5700按国务院㊁中央军委空中交通管制委员会(以下简称国家空管委)组织起草并于2018年年初面向社会公开征求意见的‘无人驾驶航空器飞行管理暂行条例(征求意见稿)“规定,根据运行风险大小,民用无人机可分为微型无人机㊁轻型无人机㊁小型无人机㊁中型无人机和大型无人机,具体分类如表1-4所示㊂表1-4㊀无人机的分类(按运行风险大小分)无人机的分类无人机的运行风险大小微型无人机空机重量小于0.25k g ,设计性能同时满足飞行真高不超过50m ㊁最大飞行速度不超过40k m /h ㊁无线电发射设备符合微功率短距离无线电发射设备技术要求的无人机轻型无人机同时满足空机重量不超过4k g ㊁最大起飞重量不超过7k g ㊁最大飞行速度不超过100k m /h ,具备符合空域管理要求的空域保持能力和可靠被监视能力的无人机(不包括微型无人机)小型无人机空机重量不超过15k g ,或最大起飞重量不超过25k g 的无人机(不包括微型无人机㊁轻型无人机)中型无人机最大起飞重量超过25k g 不超过150k g ,且空机重量超过15k g 的无人机大型无人机最大起飞重量超过150k g 的无人机按飞行平台构型的不同,无人机可分为固定翼无人机㊁无人直升机㊁多旋翼无人机㊁伞翼无人机㊁扑翼无人机㊁无人飞艇和混合式无人机等㊂1.固定翼无人机图1-2㊀固定翼无人机固定翼无人机是指由动力装置产生前进的推力或拉力,由机身固定的机翼产生升力,在大气层内飞行的重于空气的无人机㊂一种典型的固定翼无人机如图1-2所示㊂其特点:载荷大㊁续航时间长㊁航程远㊁飞行速度快㊁飞行高度高,但起降受场地限制㊁无法悬停㊂2.无人直升机无人直升机是指依靠动力系统驱动一个或多个旋翼产生升力和推进力,实现垂直起落及悬停㊁前飞㊁后飞㊁定点回转等可控飞行的无人机㊂一种典型的无人直升机如图1-3所示㊂按旋翼数量和布局方式的不同,无人直升机可分为单旋翼带尾桨无人直升机㊁共轴式双旋翼无人直升机㊁纵列式双旋翼无人直升机㊁横列式双旋翼无人直升机和带翼式无人直升机等不同类型㊂第1章 无人机结构与系统5㊀图1-3㊀无人直升机其特点:可垂直起降㊁可悬停㊁操作灵活㊁可任意方向飞行,但结构复杂㊁故障率较高㊂与固定翼无人机相比,飞行速度低㊁油耗高㊁载荷小㊁航程短㊁续航时间短㊂3.多旋翼无人机多旋翼无人机是指具有3个及以上旋翼轴提供升力和推进力的可垂直起降的无人机㊂一种典型的多旋翼无人机如图1-4所示㊂图1-4㊀多旋翼无人机与无人直升机通过自动倾斜器㊁变距舵机和拉杆组件来实现桨叶的周期变距不同,多旋翼无人机的旋翼总距是固定不变的,通过调整不同旋翼的转速来改变单轴推进力的大小,从而改变无人机的飞行姿态㊂其特点:结构简单㊁价格低廉㊁操作灵活㊁可向任意方向飞行,但有效载荷较小㊁续航时间较短㊂无人机结构主要是指无人机的硬件结构㊂如前所述,无人机按飞行平台构型的不同可分为固定翼无人机㊁无人直升机㊁多旋翼无人机㊁伞翼无人机㊁扑翼无人机和无人飞艇等㊂无人机系统主要是指无人机动力系统㊁控制站㊁飞行控制系统㊁通信导航系统㊁任务载荷系统和发射回收系统等㊂(1)动力系统:用以提供无人机飞行所需要的动力,使无人机能够安全进行各项飞行活动㊂(2)控制站:用以监测和控制无人机的飞行全过程㊁全部载荷㊁通信链路等,并能检测故障及时报警,再采取相应的诊断处理措施㊂6㊀无人机组装与调试(3)飞行控制系统:用以作为无人机系统的 大脑 部分,对无人机姿态稳定和控制㊁无人机任务设备管理和应急控制等都有重要影响,对其飞行性能起决定性的作用㊂(4)通信导航系统:用以保证遥控指令能够准确传输,以及无人机能够及时㊁可靠㊁准确地接收㊁发送信息,以保证信息反馈的可靠性㊁精确度㊁实时性及有效性㊂(5)任务载荷系统:用以实现无人机飞行要完成的特定任务㊂(6)发射回收系统:用以保证无人机顺利升空以达到安全的高度和速度飞行,并在执行完任务后从天空安全回落到地面㊂1.2 无人机的基本结构本书主要介绍固定翼无人机㊁无人直升机和多旋翼无人机3种机型的组装和调试,后续相关章节对这3种机型的基本结构做了较为详尽的介绍,所以本节在此仅对此3种机型做简单介绍㊂固定翼无人机一般由机翼㊁机身㊁尾翼㊁起落装置和动力装置5个部分组成㊂(1)机翼主要由翼梁㊁纵墙㊁桁条㊁翼肋和蒙皮等组成,主要功能是产生飞行所需要的升力㊂(2)机身主要由纵向骨架桁梁和桁条㊁横向骨架普通隔框和加强隔框㊁蒙皮等组成,主要功能是装载燃料和设备,并将机翼㊁尾翼㊁起落装置等连成一个整体㊂(3)尾翼主要由水平尾翼和垂直尾翼两部分组成,主要功能是稳定和操纵无人机的俯仰与偏转㊂(4)起落装置主要由支柱㊁减振器㊁机轮和收放机构等组成,主要功能是支撑无人机的起飞㊁着陆滑跑㊁滑行和停放等㊂(5)动力装置包括油动和电动两种,其中油动动力装置主要由螺旋桨㊁发动机㊁舵机和辅助系统等组成,电动动力装置主要由电池㊁电调㊁电动机和螺旋桨等组成㊂动力装置的主要功能是产生拉力(螺旋桨式)或推力(喷气式),使无人机产生相对空气的运动㊂无人直升机一般由机身㊁主旋翼㊁尾桨㊁操纵系统㊁传动系统㊁电动机或发动机㊁起落架等组成㊂(1)无人直升机机身与固定翼无人机机身结构和功能类似,主要功能是装载燃料㊁货物和设备等,同时作为无人直升机安装基础将各部分连成一个整体㊂机身是直接承受和产生空气动力的部件,还具有承载和传力的作用,承受各种装载的载荷和各类动载荷㊂(2)主旋翼主要由桨叶和桨毂组成,主要功能是将旋转动能转换成旋翼升力和拉力㊂(3)尾桨一般安装在尾梁后部或尾斜梁或垂尾上,主要功能是平衡旋翼的反扭矩㊁改变尾桨的推力(或拉力),实现对直升机的航向控制㊁对航向起稳定作用和提供一部分升力等㊂尾桨分为推式尾桨和拉式尾桨㊂(4)操纵系统主要由自动倾斜器㊁座舱操纵机构和操纵线系等组成,主要功能是用来控第1章 无人机结构与系统7㊀制无人直升机的飞行㊂无人直升机的垂直㊁俯仰㊁滚转和偏航4种运动形式分别对应总距操纵㊁纵向操纵㊁横向操纵和航向操纵4个操纵㊂(5)传动系统主要由主减速器㊁传动轴㊁尾减速器及中间减速器组成,主要功能是将发动机的动力传递给主旋翼和尾桨㊂多旋翼无人机一般由机架㊁动力装置和飞控等组成㊂(1)机架主要由机臂㊁中心板和脚架等组成,也有采用一体化设计的机架㊂机架的主要功能是承载其他构件的安装㊂(2)多旋翼无人机的动力装置通常采用电动系统,主要由电池㊁电调㊁电动机和螺旋桨4个部分组成㊂(3)飞控主要由陀螺仪㊁加速度计㊁角速度计㊁气压计㊁G P S㊁指南针和控制电路等组成,主要功能是计算并调整无人机的飞行姿态,控制无人机自主或半自主飞行㊂1.3 无人机动力系统无人机动力系统为无人机提供动力,使无人机能够进行飞行活动㊂无人机动力系统有3种类型,即以电池为能源的电动系统㊁以燃油类发动机为动力的油动系统和油电混动系统㊂目前油电混合系统更多地应用于汽车中,在无人机领域较少使用㊂电动系统是将化学能转化为电能再转化为机械能,为无人机飞行提供动力的系统,由电池㊁调速系统㊁电动机㊁螺旋桨4个部分组成㊂1.电池电池主要为无人机提供能量,有镍镉㊁镍氢㊁锂离子㊁锂聚合物电池㊂考虑到电池的重量和效率问题,无人机多采用锂聚合物电池,如图1-5所示㊂电压分为额定电压㊁开路电压㊁工作电压和充电电压等,符号为U,单位为伏特(V)㊂额定电压是指电池工作时公认的标准电压,例如锂聚合物电池为3.7V;开路电压是指无负载使用情况下的电池电压;工作电压是指电池在负载工作情况下的放电电压,它通常是一个电压范围,例如锂聚合物电池的工作电压为3.7~4.2V;充电电压是指外电路电压对电池进行充电时的电压,一般充电电压要大于电池开路电压㊂电池容量是指电池储存电量的大小,电池容量分为实际容量㊁额定容量㊁理论容量,符号为C,单位为毫安时(m A㊃h)㊂实际容量是指在一定放电条件下,在终止电压前电池能够放出的电量;额定容量是指电池在生产和设计时,规定的在一定放电条件下电池能够放出的最低电量;理论容量是指根据电池中参加化学反应的物质计算出的电量㊂电池倍率,一般充放电电流的大小常用充放电倍率来表示,即充放电倍率=充放电电流/额定容量,符号为C;例如,额定容量为10m A㊃h的电池用4A放电时,其放电倍率为0.4C;1000m A㊃h㊁10C的电池,最大放电电流=1000ˑ10m A=10000m A=10A㊂8㊀无人机组装与调试2.调速系统电调(E l e c t r o n i c S p e e dC o n t r o l l e r ,E S C ),全称电子调速器,如图1-6所示㊂它的主要功能是将飞控板的控制信号进行功率放大,并向各开关管送去能使其饱和导通和可靠关断的驱动信号,以控制电动机的转速㊂因为电动机的电流是很大的,正常工作时通常为3~20A ㊂飞控没有驱动无刷电动机的功能,需要电调将直流电源转换为三相电源,为无刷电动机供电㊂同时电调在多旋翼无人机中也充当了电压变化器的作用,将11.1V 的电源电压转换为5V 电压给飞控㊁遥控接收机供电,如果没有电调,飞控板根本无法承受这样大的电流㊂图1-5㊀锂聚合物电池㊀㊀图1-6㊀电子调速器电调两端都有接线,输入线与电池相连,输入电流;输出线与电动机相连,用以调整电动机转速㊂无刷电调有3根输出线,信号线与飞控连接,接收飞控信号并给飞控供电㊂3.电动机电动机旋转带动桨叶使无人机产生升力和推力,通过对电动机转速的控制,可使无人机完成各种飞行状态㊂有刷电动机中的电刷在电动机运转时产生电火花会对遥控无线电设备产生干扰,且电刷会产生摩擦力,噪声大,目前在无人机领域已较少使用,更多采用的是无刷电动机㊂外转子型无刷电动机的工作原理:电动机的转子在外面,而定子在内部,转子内侧有两个永久性磁铁,一个是N 极,一个是S 极,电动机的定子结构是线圈,也就是电磁铁,定子在内部是固定不动的,如图1-7所示㊂利用磁铁异性相吸的原理,给定子线圈通电如图1-7(a)所示,外面的转子由于异性相吸的原理会逆时针转动,让自己的N 极靠近定子电磁铁的S 极,自己的S 极靠近定子电磁铁的N 极㊂此时线圈停止通电,让下一个线圈通电,即图中标B 的线圈通电流㊂这样永磁铁就因异性相吸的原理继续逆时针转动追赶下一个电磁铁目标,如图1-7(b )所示,前面有个电磁铁线圈在吸引永磁铁,后面一个电磁铁线圈在推动永磁铁㊂在无刷电动机里,安装了霍尔传感器,能准确判断转子永磁铁的位置,及时将永磁铁的位置报告给定子线圈控制器,控制器就能根据该信息控制线圈电流流向㊂图1-7㊀外转子型无刷电动机工作原理第1章 无人机结构与系统9㊀电动机的型号通常用 ˑˑˑˑ 型数字来表示㊂例如,2212外转子无刷动力电动机,即表示电动机定子直径22m m ,电动机定子高度为12m m ,如图1-8所示㊂电动机K V 值,用来表示电动机空载转速,指电压每增加1V ,无刷电动机增加的每分钟转速,即电动机空载转速=电动机K V ˑ电池电压㊂例如,920K V 的电动机,电池电压为11.1V ,那么电动机的空载转速应该为920ˑ11.1r /m i n =10212r /m i n㊂4.螺旋桨螺旋桨安装在无刷电动机上,通过电动机旋转带动螺旋桨旋转㊂多旋翼无人机多采用定距螺旋桨,即桨距固定,如图1-9所示㊂定距螺旋桨从桨毂到桨尖安装角逐渐减小,这是因为半径越大的地方线速度越大,受到的空气反作用力就越大,容易造成螺旋桨因各处受力不均匀而折断㊂同时螺旋桨安装角随着半径增加而逐渐减小,能够使螺旋桨从桨毂到叶尖产生一致升力㊂图1-8㊀2212外转子无刷动力电动机㊀㊀㊀图1-9㊀螺旋桨螺旋桨尺寸通常用 ˑˑˑˑ 型数字来表示,前两位数字表示螺旋桨直径,后两位数字表示螺旋桨螺距,单位均为英寸(i n ),1i n 约等于2.54c m ,螺距即桨叶旋转一圈旋转平面移动的距离㊂螺旋桨有正反桨之分,顺时针方向旋转的是正桨,逆时针方向旋转的是反桨㊂电动机与螺旋桨的配型原则:高K V 电动机配小桨,低K V 电动机配大桨㊂因为电动机K V 值越小转动惯量越大,K V 值越大转动惯量越小,所以螺旋桨尺寸越大,产生的升力就越大,需要更大力量来驱动螺旋桨旋转,因此采用低K V 电动机;反之,螺旋桨越小,需要转速更快,才能达到足够升力,因此采用高K V 电动机㊂5.接线方式图1-10㊀动力系统接线方式动力系统中电池㊁电调㊁电动机之间的接线方式,如图1-10所示㊂多旋翼无人机的多个旋翼轴上的电调,其输入端的红线㊁黑线需并联接到电池的正负极上;其输出端的3根黑线连接到电动机;其B E C 信号输出线,用于输出5V 电压给飞控供电和接收飞控的控制信号;遥控接收机连接在飞行控制器上,输出遥控信号,并同时从飞控上得到5V 供电㊂10㊀无人机组装与调试燃油类发动机工作过程是将化学能转换为机械能,常用的燃油类发动机有活塞式发动机和燃气涡轮发动机㊂1.活塞式发动机1)活塞式发动机的结构活塞式发动机也叫往复式发动机,是一种利用汽缸内燃料燃烧膨胀产生压力推动活塞向下运动并做功的机器,将化学能转化为热能又转化成了机械能㊂活塞式发动机是内燃机的一种,靠汽油㊁柴油等燃料提供动力㊂活塞式发动机主要由汽缸㊁活塞㊁连杆㊁曲轴㊁气门机构㊁螺旋桨减速器㊁机匣等组成㊂图1-11㊀汽油机和柴油机的构造根据燃料点火方式的不同,活塞式发动机可分为电火花点燃燃料的点燃式发动机和压缩空气使空气温度升高点燃燃料的压燃式发动机㊂大部分汽油机都是点燃式,大部分柴油机都是压燃式,如图1-11所示㊂根据发动机工作原理不同还可以分为二冲程发动机和四冲程发动机㊂2)四冲程发动机的工作原理冲程:活塞从上止点运动到下止点或者从下止点运动到上止点称为一个冲程,即曲轴转动半圈㊂活塞式航空发动机是由汽车的活塞式发动机发展而来,大多是四冲程发动机㊂活塞在汽缸内要经过4个冲程,依次是进气冲程㊁压缩冲程㊁做功冲程和排气冲程,如图1-12所示㊂发动机除主要部件外,还须有若干辅助系统与之配合才能工作㊂图1-12㊀四冲程发动机的工作原理1 曲轴;2 汽缸;3 进气孔;4 排气孔;5 活塞;6 连杆进气冲程:进气冲程时汽缸的进气门打开,排气门关闭,发动机通过启动系统(发动机启动前)使活塞从上止点向下滑动到下止点为止,汽缸内的容积逐渐增大,缸内气压降低且低于外面的大气压,于是汽油和空气的混合气体将通过打开的进气门被吸入汽缸内㊂压缩冲程:曲轴由于惯性作用继续旋转,此时活塞由下止点向上推动㊂这时进气门也同排气门一样严密关闭㊂汽缸内容积逐渐减少,混合气体受到强烈压缩㊂当活塞运动到上止点时,汽缸内混合气体体积最小,被压缩在上止点和汽缸头之间的燃烧室内㊂压缩气体体积是为了更好地利用汽油燃烧时产生的热量,使限制在燃烧室这个小小空间里的混合气体。
无人机电动动力系统的集成设计
无人机电动动力系统的集成设计在当今科技飞速发展的时代，无人机已经成为了各个领域中不可或缺的工具。
从航拍、农业植保到物流配送、应急救援，无人机的应用场景不断拓展。
而无人机电动动力系统作为其核心组成部分，其集成设计的优劣直接影响着无人机的性能、续航能力和可靠性。
一、无人机电动动力系统的组成无人机电动动力系统主要由电池、电机、电调（电子调速器）和螺旋桨这四个关键部分组成。
电池是整个系统的能量来源，其性能直接决定了无人机的续航时间。
目前，常见的无人机电池有锂聚合物电池（LiPo）和锂离子电池（Liion）。
锂聚合物电池具有较高的能量密度和放电能力，但相对来说安全性稍逊一筹；锂离子电池则在安全性方面表现较好，但能量密度和放电能力略逊于锂聚合物电池。
电机则是将电能转化为机械能的核心部件。
根据结构和工作原理的不同，无人机电机可分为无刷电机和有刷电机。
无刷电机由于其高效率、低噪音、长寿命等优点，已成为无人机领域的主流选择。
电调的作用是控制电机的转速，通过接收飞控系统的指令，调整电机的输出功率，从而实现无人机的各种飞行姿态和动作。
螺旋桨则是将电机产生的动力转化为推力，推动无人机飞行。
螺旋桨的尺寸、形状和桨叶数量等参数都会影响其产生的推力和效率。
二、集成设计的考虑因素在进行无人机电动动力系统的集成设计时，需要综合考虑多个因素，以实现性能的最优化。
1、功率匹配电池的输出功率、电机的功率和电调的承受能力必须相互匹配。
如果电池无法提供足够的功率，无人机将无法达到预期的飞行性能；反之，如果电机和电调的功率过大，而电池无法支持，不仅会影响续航，还可能导致电池过热甚至损坏。
2、重量与尺寸无人机的重量和尺寸直接影响其飞行性能和操控性。
因此，在选择电动动力系统的组件时，需要在满足性能要求的前提下，尽量选择重量轻、尺寸小的产品。
同时，要合理布局各个组件，以保持无人机的重心平衡。
3、效率优化提高整个动力系统的效率是延长续航时间的关键。
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无人机动力系统现状与发展趋势
摘要：目前无人机动力系统已发展为电动、液体燃料动力与油电混合动力等多
种类型，其中电动无人机需要通过电池材料的开发等方式以提升续航时间与安全性，液体燃料动力无人机则需要进一步提升系统的稳定性，油电混合动力无人机
目前仍处于初级试样阶段、需要进一步进行改进优化。
关键词：无人机；电动；液体燃料动力；油电混合动力
随着当今技术和军事需求的不断变化，无人机作为一种新的平台在民用和军
事领域发挥着日益重要的作用。
在民用领域，无人机被广泛应用于农业、环境检测、视频拍摄、家庭娱乐等各个领域；在军事领域，无人机则主要用于战场侦察、电子干扰与执行攻击性任务等。
由于作用在不同的应用环境中，无人机也分为不
同的种类，比如按飞行方式可分为固定翼无人机、旋翼无人机、扑翼无人机等，
按尺度可分为微型、轻型、小型以及大型无人机，军用无人机按照军事作用可分
为战略无人机与战术无人机。
对于以上的各种无人机种类，无人机的动力系统主要是使用电池和液体燃料
这两种动力来源。
其中电池主要包括锂离子电池与太阳能电池。
目前锂离子电池
已经大规模应用于各种类型的无人机，比如农业无人机、家用无人机及部分近程
军用无人机；锂离子电池具有能量密度高、超薄化、高安全性和低成本等诸多方
面的优势，能以较低的重量和体积提供较大的动能，因此获得了较广泛的使用。
但是动力锂离子电池也存在相应的弊端，动力锂离子电池的特性是体积越大容量
越大，但相应重量也会增加，为了延长续航时间需要更大容量的电池以提供更充
足的动能，而增大容量，锂电池和无人机的重量又会随之增加，并导致出现续航
时间的瓶颈问题，因为上述原因，经实践验证动力来源只是锂离子电池的无人机
续航时间一般不能超过1h。
因此对于无人机用动力锂离子电池，当前一大重要研究方向就是电池材料的轻量化以提高电池的比能量，因而正负极以及隔离膜等材
料的开发是当前的重要研究方向；而参考电动汽车上电池管理系统（BMS）所起
的重要作用，在纯电动无人机上使用性能与功能均比较出色的电池管理系统可以
在有限的电池能量条件下提升电池的利用效率，从而延长纯电动无人机的连续飞
行时间。
同时低温环境下放电量迅速变小也是锂电池的一大发展瓶颈，对此需要
提高材料的低温活性；另外，由于无人机的使用环境对于电池来说相对苛刻，同
时为了保证飞行器的持续稳定使用，锂电池等燃料的安全性也是重要的研究方向。
如上所述，通过对锂离子电池正极新材料的开发可以有效提高电池的比能量
以延长锂离子电池无人机的续航时间，结合近些年国内外对于电池正极材料的研究，目前锂离子电池正极材料的研究主要集中在以下3个方面：（1）进行新材
料的开发研究，或者对现有材料的构成、晶体结构等进行重新设计与合成，以发
现具有良好电化学性能的新型正极材料；（2）在材料化学方面，重点聚焦于合
成技术，其目的是对材料晶体结构、取向等材料结构因子进行优化，获得电化学
性能、加工性能和电池性能的最佳匹配；（3）在工程方面，主要是发展可实现
大规模生产、经济的设备与工艺，以达成先进的工程技术，满足实际需求。
在现有常用的正极材料中，钴酸锂LiCoO2压实密度最高，以其为正极材料的
锂电池可以达到最高的电池比能量，但钴资源有限（目前国内许多大型电池厂商
的钴矿单一来源于刚果（金）），需要制成方尽可能地扩展采购渠道；磷酸铁锂LiFePO4相对于钴酸锂资源要更丰富、且稳定与安全性较好，已在电动力领域得
到了广泛地应用，但相比钴酸锂，磷酸铁锂的比能量较低，且该材料具有显著的各向异性，在工程技术方面需要具有高度均匀的合成反应和精确的铁与磷元素比以保证较好的容量与倍率特性；另一类常用的正极材料----三元材料常用的材料种类包括NMC333、NMC532和NMC622等，其中NMC333综合性能最好，充电达到4.5V时也具有较高的比能量，但其钴含量较高，存在资源限制和成本较高的问题，与钴酸锂类似同样需要拓展更宽的采购渠道；相比之下，NMC532则具有更高的性价比，且其具有较高的容量，因而可以作为未来的正极材料发展方向；NMC622也具有较好的综合性能，但其制成工艺要求较高，需要进一步提升制成的工艺水平以提高该材料的单位时间产量。
无人机另一种常用的动力来源为燃油等液体燃料，其运用内燃机组成动力系统。
采用燃油为动力的无人机续航时间相比动力锂离子电池无人机更长，一般可以达到1-4h，且加注燃油操作比较方便（相比之下，锂离子动力电池无人机在动力不足的情况下则一般需要更换电池，操作相对繁琐），动力系统能够提供足够的动力，燃油可较长时间持续使用。
但是使用燃油的内燃机动力系统在长时间工作的情况下稳定性容易迅速下降，易出现供油不足甚至油泵损坏，而维护和修理发动机需要很强的专业能力，一般人员很难对于发动机出现的问题予以及时有效的处理，如果发生炸机的情况，修复的时间与经济成本均会很高。
因此油动力无人机动力系统（尤其是油泵等关键器件）稳定性的提升是当前的一大课题。
而除了对于锂电池综合性能（比能量、低温性能等）进行提升和提高油动力无人机的稳定性以外，经近年的一些研究可以证实通过油电混合的方式也可较大的延长无人机的续航时间。
在民用领域已有国内的大学等科研机构针对农用的旋翼无人机进行了动力系统的创新，通过试验表明，油电混合动力的多旋翼植保无人机的续航时间相对于纯电动和油动力的旋翼无人机均有提升（续航时间可比电动力无人机及油动力无人机长约30~40min/L）；同时国内的部分科研机构还提出了固定翼与多旋翼相结合的商用混合动力无人机，经研究其也具有更长的续航时间。
在军事领域，对于适用于多种复杂地形的油电混合动力倾转旋翼无人机，美国航天局与波音公司联合开发了具备24小时飞行能力的样机，其他国外的军事机构比如DARPA也在进行这方面的样机验证工作；而对于固定翼的混合动力无人机美国科罗拉多大学等机构已在进行研究与试样。
综上所述，无人机动力源未来的发展方向有以下几点：
一、对于以锂电池为动力源的无人机，主要的工作包括：进行正负极与隔离膜材料的开发以提升锂电池的比能量；引用BMS技术以提升锂电池的利用效率；提升锂电池的低温活性，以增强锂电池在低温环境下的放电性能；提升锂电池的稳定性以保证锂电池在无人机飞行的各个阶段保持安全稳定；
二、对于以燃油为动力源的无人机，主要的工作是提升燃油动力系统的稳定性，减少油泵损坏等情况的出现；
三、发展油电混合动力无人机，油电混合动力无人机可以有效弥补单一动力无人机存在的不足以提升无人机的续航能力，目前国内外对于这种无人机的研究还处于初级阶段，需要继续进行试样与改进优化（比如优化油电混合动力系统的结构分布），以更好地发挥燃油与锂电池的各自优势并提升无人机的动力性能。
参考文献
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