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近年來,多旋翼無人機的快速發展,為實現系留旋翼升空平臺系統提供了技術上的支持,許多無人機廠家也開展了系留旋翼系統的研發,稱為系留旋翼無人機。
說說系留旋翼無人機幾個技術難點:
1、驅動電機的功重比。
功重比是指電機輸出功率與電機自身重量之比,單位是千瓦/千克。根據旋翼類航空器升力/功率比的經驗數值,每千瓦功率大約產生5~10千克的升力,電機的功重比低于1千瓦/千克將比較難設計系統了。
在此強調的是,電機功率指的是額定功率,而不是Z大功率;電機重量包括電機和電調以及為其正常工作的冷卻設備。系留旋翼必須是長期持續工作的,不象多旋翼無人機可短期間歇工作,驅動電機是動力的核心部件,一定要工作在額定的功率范圍內。
2、高壓供電系統。
高壓供電并不是電壓越高越好,而要根據實際的系統要求綜合考慮。一種方式是,輸電電壓可直接匹配高壓電機,電壓不需轉換直接驅動電機,結構較為簡單。但這種方式要進行高壓電機的設計,受到電機電調大功率高壓控制器件的限制,尤其在成本上難以接受。另一種方式,要在平臺上設計降壓用的開關電源,用多旋翼現有低壓電機驅動;但開關電源同樣存在功重比的要求和大功率高壓控制器件的制約,也是要付出一定代價的。
3、系留系纜。
平臺載電子設備為減少升空設備的重量,普遍將天線、發射機之外的設備放在地面,而通過系纜光纖保障平臺與地面設備之間電子信號的連接。這樣可節省出平臺升力,增加升空高度,提高升空增益。
系纜自身也需要減少重量,目前可采用合金鋁材料作為動力導線,比銅線要輕不少重量。
4、飛行控制功能。
系留旋翼平臺主要是在定點周圍懸停,不會有過多復雜的飛行動作。這看上去比多旋翼的飛控簡單,其實并非如此。系留旋翼的飛控需要充分考慮系纜對其飛行的影響,尤其是在各種風場條件下,系纜隨風產生的擺動會使平臺失去控制。
民用系留旋翼無人機至少要達到恒風6級陣風8級的要求,才能有實際使用意義。在6~8級的風場中,系纜并沒有固定的運動規律可言,要靠飛控對旋翼平臺控制的魯棒性來調整,難度是很大的。
5、旋翼平臺氣動力設計。
考慮到系統旋翼平臺要在強風場中運行,平臺的氣動力設計就尤其顯得重要。系統旋翼平臺在風場中懸停,實際上相當于平臺在沿來風方向做平面飛行。6~8級風速為10.8~20.7米/秒,相當于旋翼平臺要有Z高時速不小于75千米的能力。
要達到這樣的時速,固定翼的氣動力設計較為合理。近期演化出一種垂直起降固定翼無人機,實際上是多旋翼+固定翼兩套動力系統簡單組合,從無人機本身效益講并不經濟,但能解決特定場合固定翼起降的問題。
垂直起降固定翼的氣動力設計應用于系統旋翼具有較大的優勢,系留旋翼由地面供電,能源比較充足;兩套動力系統在強風場中各有用途,垂直動力系統保持平臺懸停姿態;水平動力系統使平臺逆風飛行;固定翼外形可為平臺產生升力,減輕垂直動力系統的負擔。
系留旋翼無人機已經面臨著廣泛應用的階段,但從能夠使用到實際使用得好還有一些距離,有望業內同行共同努力創新。