無人機(jī)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)課件：無人直升機(jī)的結(jié)構(gòu)及飛行原理

無人直升機(jī)的結(jié)構(gòu)及飛行原理

結(jié)構(gòu)組成無人直升機(jī)主要由主旋翼、尾漿、起落架、機(jī)身、傳動(dòng)裝置、動(dòng)力裝置等構(gòu)成，如圖1-15所示。1.主旋翼系統(tǒng)主旋翼系統(tǒng)是直升機(jī)最重要的操縱面，使用操縱機(jī)構(gòu)控制旋翼拉力的大小和方向，實(shí)現(xiàn)對直升機(jī)的主要飛行操縱。直升機(jī)上可以有一個(gè)或兩個(gè)旋翼。通常用雙旋翼系統(tǒng)。1.3無人直升機(jī)的結(jié)構(gòu)及飛行原理圖1-16雙旋翼直升機(jī)1.主旋翼系統(tǒng)（1）結(jié)構(gòu)主旋翼系統(tǒng)由自動(dòng)傾斜器、槳葉和槳轂組成。自動(dòng)傾斜器又稱斜盤（俗稱十字盤）來改變旋翼槳葉的槳距。自動(dòng)傾斜器主要由變距拉桿、旋轉(zhuǎn)環(huán)、不旋轉(zhuǎn)環(huán)組成，如圖1-17所示。1.3無人直升機(jī)的結(jié)構(gòu)及飛行原理1.主旋翼系統(tǒng)（2）種類通常全鉸接旋翼系統(tǒng)包含三個(gè)或者更多個(gè)旋翼槳葉。旋翼槳葉可以獨(dú)立的做揮舞、周期變距、擺振三種運(yùn)動(dòng)。典型的鉸接式槳轂鉸的布置順序（從里向外）是由揮舞鉸、擺振鉸到變距鉸，20世紀(jì)40年代中期，全鉸式旋翼系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。（1）全鉸接旋翼系統(tǒng)1.3無人直升機(jī)的結(jié)構(gòu)及飛行原理（2）半剛體旋翼系統(tǒng)這種旋翼形式與鉸接式相比，其優(yōu)點(diǎn)是槳轂構(gòu)造簡單，去掉了擺振鉸和減擺器，兩片槳葉共同的揮舞鉸不負(fù)擔(dān)離心力而只傳遞拉力及旋翼力矩，萬向接頭架負(fù)荷比較小，沒有“地面共振”問題。但是這種旋翼操縱功效和角速度阻尼比較小，穩(wěn)定性較差。1.3無人直升機(jī)的結(jié)構(gòu)及飛行原理

經(jīng)過長期的理論與試驗(yàn)研究，20世紀(jì)60年代末及70年代初剛體（無鉸式）旋翼系統(tǒng)進(jìn)入了實(shí)用階段。這類系統(tǒng)中槳葉不可以做揮舞和擺振動(dòng)作，但是可以變距。（3）剛體旋翼系統(tǒng)1.3無人直升機(jī)的結(jié)構(gòu)及飛行原理（4）無軸承旋翼系統(tǒng)

無軸承旋翼系統(tǒng)就是取消了揮舞鉸、擺振鉸和變距鉸的旋翼系統(tǒng)，槳葉的揮舞、擺振和變距運(yùn)動(dòng)都以槳葉根部的柔性元件來完成，如美國RAH-66科曼奇直升機(jī)。2.尾槳大多數(shù)單主旋翼直升機(jī)需要一個(gè)單獨(dú)的尾槳系統(tǒng)來克服主旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的扭矩。尾槳的結(jié)構(gòu)形式有蹺蹺板式、萬向接頭式、鉸接式、無軸承式、“涵道尾槳”式、無尾槳等等。前面4種在學(xué)習(xí)主旋翼系統(tǒng)時(shí)已經(jīng)介紹，接下來重點(diǎn)介紹涵道尾槳和無尾槳NOTAR。1.3無人直升機(jī)的結(jié)構(gòu)及飛行原理（1）涵道尾槳涵道尾槳將尾槳縮小，“隱藏”在尾撐端部的巨大開孔里（圖1-21），相當(dāng)于給尾槳安上一個(gè)罩子，這樣大大改善了安全性，不易打到周圍的物體，噪音小。涵道尾槳的缺點(diǎn)是重量較大，這個(gè)問題隨涵道尾槳直徑增加而急劇惡化，所以涵道尾槳難以用到大型直升機(jī)上。無尾槳用噴氣引射和主旋翼下洗氣流的有利交互作用形成反扭力，尾撐頂端的直接噴氣控制提供更精細(xì)的方向控制，但不提供主要的反扭力。NOTAR的噪音比涵道風(fēng)扇更低，安全性更好。但NOTA同樣沒有用到大型直升機(jī)上的例子。在直升機(jī)懸停的時(shí)候，保持方向控制所必需的扭矩中Coanda效應(yīng)提供大約三分之二。（2）無尾槳NOTAR1.3無人直升機(jī)的結(jié)構(gòu)及飛行原理3.起落架

直升機(jī)起落架的主要作用是吸收在著陸時(shí)由于有垂直速度而帶來的能量，減少著陸時(shí)撞擊引起的過載，以及保證在整個(gè)使用過程中不發(fā)生“地面共振”。此外，起落架往往還用來使直升機(jī)具有在地面運(yùn)動(dòng)的能力，減少滑行時(shí)由于地面不平而產(chǎn)生的撞擊與顛簸。最常見的起落架是滑橇式的，適合在不同類型的表面上起降。一些滑橇式起落架安裝了減震器以減少著陸沖擊和震動(dòng)傳遞到主旋翼。直升機(jī)也可以安裝浮筒式起落架進(jìn)行水上作業(yè)，或者安裝滑雪板式起落架以降落在雪地或者柔軟的地面上。1.3無人直升機(jī)的結(jié)構(gòu)及飛行原理3.起落架機(jī)輪是另外一種形式的起落架，可以是三點(diǎn)式（前三點(diǎn)式和后三點(diǎn)式）或者是四點(diǎn)式配置。通常為了方便直升機(jī)在地面上滑行，機(jī)頭或者機(jī)尾的起落架設(shè)計(jì)成可以自由旋轉(zhuǎn)的。1.3無人直升機(jī)的結(jié)構(gòu)及飛行原理4.動(dòng)力和傳動(dòng)裝置

典型的無人直升機(jī)動(dòng)力裝置主要使用安裝在機(jī)身上的往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)可以采用垂直安裝或者水平安裝方式，通過傳動(dòng)裝置將動(dòng)力傳遞到垂直的主旋翼和尾翼的傳動(dòng)軸上，如圖1-23所示。典型情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)通過一個(gè)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和皮帶或者一個(gè)離心式離合器來驅(qū)動(dòng)主旋翼。無人直升機(jī)可以采用的另外一種發(fā)動(dòng)機(jī)是無刷電機(jī)。這種動(dòng)力裝置結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便，適用于大多數(shù)的小型無人直升機(jī)。1.3無人直升機(jī)的結(jié)構(gòu)及飛行原理5.飛行控制系統(tǒng)

飛行控制系統(tǒng)主要有陀螺儀（飛行姿態(tài)感知）、加速計(jì)、地磁感應(yīng)、氣壓傳感器（懸停高度粗略控制）、超聲波傳感器（低空高度精確控制或避障）、光流傳感器（懸停水平位置精確確定）、GPS模塊（水平位置高度粗略定位）以及控制電路組成。主要的功能就是自動(dòng)保持飛機(jī)的正常飛行姿態(tài)。1.3無人直升機(jī)的結(jié)構(gòu)及飛行原理1.3.2飛行原理

無人直升機(jī)是一種旋翼航空器，無人直升機(jī)飛行所需的升力是靠旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的，每一片旋翼葉片都產(chǎn)生升力，這些升力的合力就是無人直升機(jī)的升力。同時(shí)，旋翼又是無人直升機(jī)的操縱面，無人直升機(jī)通過旋翼拉力的傾斜實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退和側(cè)飛。通過控制尾槳“拉力”或“推力”的大小，可以達(dá)到使無人直升機(jī)偏轉(zhuǎn)的目的，從而實(shí)現(xiàn)無人直升機(jī)的轉(zhuǎn)向。1.3無人直升機(jī)的結(jié)構(gòu)及飛行原理1.3.3飛行控制方式簡單來說，上提總距桿，槳葉的槳距和發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率增加，旋翼升力增加，直升機(jī)上升；下放總距桿，槳葉的槳距和發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率減小，旋翼升力減小，直升機(jī)下降。1.操縱總距桿實(shí)現(xiàn)無人直升機(jī)上下運(yùn)動(dòng)2.操縱腳蹬桿實(shí)現(xiàn)直升機(jī)偏航運(yùn)動(dòng)對方向桿操縱，通過操縱線與尾槳連接，實(shí)現(xiàn)對尾槳的變距，控制尾槳槳葉的槳距，改變尾槳的“拉力”或“推力”。般來說，操縱某一側(cè)方向桿，無人直升機(jī)機(jī)頭就會向該側(cè)偏轉(zhuǎn)。1.3無人直升機(jī)的結(jié)構(gòu)及飛行原理3.操縱變周期距桿實(shí)現(xiàn)無人直升機(jī)前后左右運(yùn)動(dòng)（即俯仰和滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）當(dāng)周期變距桿偏離中立位置向前，旋翼椎體向前傾斜，直升機(jī)低頭并向前運(yùn)動(dòng)（圖1-26a）；當(dāng)周期變距桿偏離中立位置向后，旋翼椎體向后傾斜，直升機(jī)抬頭并向后退（圖1-26b）；當(dāng)周期變距桿偏離中立位置向右，旋翼椎體向右傾斜，直升機(jī)向右傾斜并向右側(cè)運(yùn)動(dòng)（圖1-26c）；當(dāng)周期變距桿偏離中立位置向左，旋翼椎體向左傾斜，直升機(jī)向左傾斜并向左側(cè)運(yùn)動(dòng)（圖1