CN112937897A - 一种筒射无人机用发动机及发射方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种筒射无人机用发动机及发射方法，该发动机***由启发电机、蓄电池、活塞发动机、离合器、转轴、传动齿轮等组成。当无人机发射时，首先启发电机充当电动机用，为无人机起飞提供动力。当无人机上升到安全高度后，离合器由断开状态转为压紧状态，从而使启发电机又扮演起动机角色。当发动机启动后，则改由发动机为无人机飞行提供动力，同时启发电机通过内部电路切换转换为发电机，继而为无人机飞行过程中的相关设备提供电力，并使无人机由发射状态转为正常飞行状态。

Description

一种筒射无人机用发动机及发射方法

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，特别涉及一种筒射无人机用发动机及发射方法。

背景技术

小型固定翼无人机通常采用电池作为动力来源，但现有电池由于能量密度较低，因此也使得无人机巡航时间较短。为此，很多无人机尤其大型无人机通常采用燃油作为无人机动力来源。燃油发动机面临的一个主要问题是体积较大，因此，要安装在小型无人机上，会因为体积较大，而面临安装比较困难的问题。随着技术的进步，燃油发动机体积也越来越小，使得小型无人机采用燃油发动机作为动力也逐渐成为一种可能。

随着小型无人机上安装燃油发动机成为可能之后，在筒射无人机上安装燃油发动机面临的一个新问题又出现了，那就是当无人机从发射筒中发射后，由于燃油发动机启动需要一个过程，这就使得无人机发射后，短时间内，由于动力不能马上供上，就会导致无人机因失速而坠毁，为此，必须解决该问题后，才能将燃油发动机安装到筒射无人机上。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种筒射无人机用发动机及发射方法，这种方法能够较好地解决安装燃油发动机的筒射无人机发射后，短时间内可能动力供应不上的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种筒射无人机用发动机及发射方法，该发动机***由活塞发动机(1)、离合器(2)、启发电机(3)、蓄电池(4)、电机轴(5)和传动齿轮(6)组成。

启发电机(3)、离合器(2)以及发动机(1)都沿同一轴线安装，螺旋桨转轴(8)向汽缸顶部方向偏移一定距离进行安装，通过齿轮(7)与动力轴(5)进行连接，目的是使发动机沿无人机轴线上下尺寸的分布更加均匀，从而可降低发动机对无人机内安装空间的要求，更有利于发动机顺利安装到无人机中。

当发射无人机后，首先通过启发电机(3)为无人机提供动力，确保无人机上升到安全高度后，离合器(2)合紧，启发电机(3)启动发动机(1)。当发动机(1)启动后，改由发动机(1)给无人机飞行提供动力，启发电机(3)则通过内部电路切换为发电机，为整个***提供电力，从而完成无人机从发射到正常飞行过程。

燃油与电池效率比较：以无人机常用的锂电池为例，通常能量密度为120-180Wh/kg，平均为：

Ed_b＝150Wh/kg＝5.4×10^5J/kg

1kg汽油燃烧可产生的能量为：

Ed_o＝4.6×10^7J/1kg

由此可见，1kg汽油燃烧产生的能量为1kg锂电池能量的85倍，因此，燃油的能量密度远大于锂电池的能量密度。因此，若能用油机取代电池，则可大幅提高小型无人机的巡航时间。

电池与燃油续航时间比较：

无人机平飞功率：设无人机平飞升阻比为K＝10，则飞行阻力D＝mg/K，m为无人机质量，设为10kg，则平飞时的功率为P＝DV。

电池为动力的续航时间：小型无人机以电池作为动力时，通常电池质量为无人机总质量的40％，即近似认为电池质量m＝4kg。考虑到电机、电调及螺旋桨等的效率因素，通常电池能量的50％可用于推进无人机，即近似认为整个推进***的效率η＝50％，由此可计算得到用于推进无人机的电池能量为：

E_b＝m×Ed_b×η

进一步可计算得到采用电池作为动力时的无人机最大平飞时间为：

t＝E_b/P＝4320s。

燃油续航时间：当无人机采用燃油作为动力时，设动力***加燃油质量也为4kg，其中动力***自身质量为2kg，则燃油质量为m_o＝2kg，燃油燃烧后不能燃尽的余油质量为总燃油质量的5％。通常活塞发动机的效率可达30％，推进效率可达80％，即总效率为：

η_o＝30％×80％＝24％

由此可计算得到燃油燃烧可用于推进无人机的能量为：

E_o＝m_o×Ed_o×η_o

续航时间t＝E_o/P_o。代入数据可计算得到采用燃油作为动力来源时的无人机续航时间为：83904s，即采用油机时，巡航时间为采用电机时的19.4倍。由此可见采用油机的巡航时间远大于采用电机的巡航时间。

使用燃油发动机时需配备的蓄电池质量：使用燃油发动机时，配备的蓄电池主要用于提供无人机从发射筒发射直到安全飞行高度所需能量。

无人机从离开发射筒到安全飞行高度所需能量：设发射后无人机的飞行速度为25m/s，爬升角为15°，升阻比为10，无人机质量为10kg，则无人机爬升期间的飞行阻力为 D＝3.6×9.8N，由此可得无人机爬升期间所需功率为P＝DV。设无人机的安全飞行高度为H＝200m，则无人机爬升速度为：

Vy＝V×sinθ

爬升时间为：

t＝H/Vy＝H/(V×sinθ)

爬升所需能量E＝Pt，代入相关参数可求得无人机爬升所需能量为：

E＝Pt＝2.35×10^4J。

燃油无人机蓄电池质量：根据公式m＝E/ED，ED为电池能量密度，代入相关参数即可求得所需锂电池质量为：0.0841kg，即84.1g。由此可见，当无人机所携带的电池能量如果仅用于满足无人机发射到起飞安全高度所需的能量时，则所携带的电池重量可以轻很多。考虑到所携带的电池还需满足发动机启动的要求，为此，可将所携带的电池适当增加到160g即可。

离合器弹簧压紧力估算：

摩擦片质量：设离合器摩擦片直径为8cm，厚度1cm，采用碳纤维复合材料，密度为2g/cm^3，由此可计算得到摩擦片的质量m。

摩擦片转动惯量：进一步根据公式I＝mR^2/2，可计算得到摩擦片的转动惯量。

摩擦片转速：设螺旋桨转速为n＝5000转/分钟＝83.3转/秒，摩擦片转速与螺旋桨转速相同，由此可得摩擦片旋转角速度：

w＝2π×n＝2π×83.3/s

摩擦片摩擦力矩：压紧力为F，摩擦系数为μ，设摩擦力均匀作用在半径上，则摩擦力矩：

M＝μF×R/2。

求摩擦片压紧力，根据角动量方程可得：

M＝Iε＝I×(w/Δt)

代入摩擦力矩表达式化解可得压力为：

F＝I×(w/Δt)/(μ×R/2)

其中摩擦系数可取为0.1，设摩擦片预压紧的时间为1s，即Δt＝1s，由此可计算得到摩擦片压紧力为F＝21N，即弹簧压紧力为21N。

无人机无动力安全飞行时间估算：通常活塞发动机的可靠启动时间为30s左右，以下对无人机离开发射筒后的无动力安全飞行时间进行估算，从而能更好地判断活塞发动机的启动时间是否满足无人机发射要求。

无人机离开发射筒后受到的力主要有空气动力，重力和动力***推力，根据飞行动力学原理，可推导得到无人机的运动方程如下：

-mg×sinθ-D×cosα+L×sinα+P＝m×ax

-mg×cosθ+D×sinα+L×cosα＝m×ay

D＝CD×0.5×rou×V^2×s

L＝CL×0.5×ρ×V^2×s

Vxt＝V×cosα

Vyt＝-V×sinα

式中m为无人机质量，mg为无人机重量，D为空气阻力，L为升力，P为动力***推力，θ为无人机发射时的俯仰角，α为迎角，ax为沿机体纵轴的加速度，ay为沿机体y轴方向的加速度。

设无人机离开发射筒时的速度为V＝25m/s，空气密度ρ＝1.225kg/m^3，机翼面积s＝0.392m^2，无人机迎角与升力系数及升阻比关系见表1，无人机弹射的俯仰角θ＝15°，失速速度取为15m/s。由此，可计算得到无人机在离开发射筒时，如果动力***不能马上提供动力，则无人机无动力安全飞行时间为3.48s。当超过该时间后，则无人机将会因失速而坠毁。由此可见，该时间远小于活塞发动机启动时间，因此，当采用活塞发动机时，如不采取必要措施，则无人机发射后，会因短时间内活塞发动机动力不能及时提供，而导致无人机因失速而坠毁。

表1 无人机迎角与升力系数及升阻比关系

α	0	2	4	6	8	10	12	14
									CL	0.163	0.345	0.528	0.698	0.839	0.925	0.954	0.973
CL/CD	3.62	9.13	11.26	11.25	9.69	7.82	6.34	4.84

附图说明

图中：1、活塞发动机；101、气缸；102、进气管；103、排气管；104、进气阀；105、火花塞；106、排气阀；107、排气管；108、活塞；109、连杆；110；散热片；111、曲轴；2、离合器；201、飞轮；202、基座；203、衔铁；204、外壳；205；电磁铁；206、；207、压紧弹簧；3、启发电机；4、蓄电池；5、从动轴；6、动力轴齿轮；7、桨轴齿轮；8、桨轴；9、桨锥；10、螺旋桨。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体描述。

图1所示为筒射无人机活塞发动机(1)***总体结构示意图，图1a为主视图，图1b为轴测图。活塞发动机也叫往复式发动机，是一种利用活塞将压力转换成旋转动能的发动机。活塞发动机是热机的一种，靠汽油、柴油等燃料提供动力。活塞式发动机主要由气缸、活塞、连杆、曲轴、气门机构、螺旋桨减速器、机匣等组成。活塞式航空发动机大多是四冲程发动机，即一个气缸完成一个工作循环，活塞在气缸内要经过四个冲程，依次是进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程。发动机除主要部件外，还须有若干辅助***与之配合才能工作。

活塞在气缸内，燃料-空气混合物被注入其内，然后被点燃。热气膨胀，推动活塞向后运动。活塞的这种直线运动通过连杆和曲轴转换成圆周运动。活塞顶部在曲轴旋转中心最远的位置叫上死点、最近的位置叫下死点、从上死点到下死点的距离叫活塞冲程。

当无人机发射后，首先由***蓄电池(4)为启发电机(3)提供电源，此时离合器(2)处于断开状态，在启发电机(3)的驱动下，动力轴齿轮(6)转动，进一步带动桨轴齿轮(7)、桨轴(8)及螺旋桨(10)转动，从而为无人机飞行提供动力。

当无人机起飞到安全高度后，摩擦离合器主动盘和从动盘结合到一起，启发电机(3) 带动发动机曲轴(111)一起旋转，启动发动机(1)。通过连杆(109)带动活塞发动机气缸上下运动。当曲轴转速达到发动机启动的要求时，被吸入气缸的燃气满足发动机启动要求后，通过火花塞(105)使燃气点火，然后改由高压燃气驱动活塞运动，并进而开始活塞发动机的吸气、压缩、做功、排气的不断循环过程，从而完成活塞发动机的启动过程。当发动机(1) 启动后，则改由发动机(1)为无人机飞行提供动力，启发电机(3)则通过内部电路切换，变为发电机，为整个无人机***相关设备提供电力。

图2所示为离合器剖视结构示意图，图2a为剖视结构主视图，图2b为剖视结构轴测图。离合器用于无人机起飞后，通过接通离合器，使得启发电机可以启动发动机，同时在发动机启动后，将发动机动力传递给无人机螺旋桨。

离合器一般由主动部分、从动部分、压紧机构和操纵机构四部分组成。当发动机启动后，发动机飞轮为离合器的主动件。带摩擦片的从动盘的毂通过轴向花键与从动轴相连。压紧弹簧将摩擦片紧压在飞轮基座上。发动机转矩就靠飞轮同从动盘接触面之间的摩擦作用而传到从动盘上，再由此经过从动轴和传动系中一系列机件传给螺旋桨。

如图所示，初始时，离合器(2)处于断开状态，当筒射无人机上升到安全高度后，电磁铁(205)断电，在压紧弹簧(207)的作用下，推动衔铁(203)向左运动，衔铁(203) 进一步将弹簧(207)压紧力传递到摩擦片(206)上，使摩擦片(206)与基座(202)紧密结合到一起，从而使得启发电机(3)的扭矩通过摩擦片(206)与基座(202)的摩擦力传递到发动机上，继而使得发动机(1)在启发电机(3)的带动下开始转动，从而使发动机启动。

图3为求无人机爬升阻力及爬升速度示意图。通常当无人机离开发射筒后，折叠机翼在弹簧弹力产生的扭转力矩的作用下，迅速展开，通常展开时间不超过1s，机翼展开后，由于弹射筒巨大的弹射力作用，通常无人机会有一定的向前飞行的初速度。但如果此时无人机动力***不能马上提供动力，则无人机将会因为受到巨大的空气阻力以及重力的作用，而使得无人机迅速丢失速度而坠毁。

如图所示，无人机离开发射筒后，所受到的力主要有空气动力、重力以及动力***的推力。空气动力通常在气流坐标系中定义，重力在地面坐标系中定义，动力***推力在机体坐标系中定义。通常无人机动力学方程在机体坐标系中定义，为此需求出各力在机体坐标系中的分量。

空气动力沿气流坐标系的x轴及y轴可分解为阻力D和升力L，其中阻力：

D＝CD×0.5ρV^2×s

CD为空气阻力系数，通常为马赫数和迎角的函数，由于小型无人机飞行速度较慢，可不考虑马赫数的影响，因此主要是迎角α的函数。ρ为空气密度，由于无人机一般都从地面弹射，可近似认为即为海平面的大气密度，即ρ＝1.225kg/m^3。V为无人机飞行速度，根据一般小型无人机的飞行速度情况，可初步取为25m/s。s为无人机机翼面积。

由该图可知，阻力在机体坐标系的xt及yt轴方向的分量分别是：-D×cosα，D×sinα

升力：

L＝CL×0.5ρ×V^2×s

CL为空气阻力系数，对于小型无人机，与阻力系数一样，认为主要是迎角的函数。升力在机体坐标xt及yt轴方向的分量分别是：-Lsinα，Lcosα。

重力在地面坐标系中定义，设飞机的俯仰角等于θ，由该图可知，重力在机体坐标系 xt及yt轴方向的分量分别是：mg×sinθ，-mg×cosθ。

动力***推力P在机体坐标系中定义。当无人机离开发射筒时，如果动力***不能马上提供推力，则可认为该值等于0。

当已知无人机的受力情况后，即可根据动力学原理和运动学原理，写出无人机的运动方程，并进而求出无人机在离开发射筒无动力飞行时的失速时间。

Claims (3)

1.一种筒射无人机用发动机，其特征在于：该发动机***由活塞发动机、离合器、启发电机、蓄电池、转轴、传动齿轮等组成。其中离合器与启发电机及发动机安装在同一轴线上，离合器用于控制启发电机与发动机主轴的通断，当无人机刚离开发射筒时，在发动机不能马上提供动力的情况下，由启发电机提供无人机飞行动力，在无人机平稳飞行后，接通离合器，启动发动机，然后转由发动机提供无人机飞行动力，启发电机则通过电路切换转为发电机，为无人机的全部设备提供电力保障。

2.根据权利要求1所述的一种筒射无人机用发动机，其特征在于：通过采用齿轮传动，使安装在无人机螺旋桨上的桨轴向活塞发动机汽缸顶方向移动一段距离，以便使得螺旋桨转轴轴线与整个发动机***上下边界距离相当，从而降低发动机对无人机内安装空间的需求。

3.根据权利要求1所述的一种筒射无人机用发动机发射方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：无人机发射时，通过启发电机提供动力，使无人机飞到安全高度；

步骤二：当无人机飞到安全高度后，离合器接通，启发电机启动活塞发动机；

步骤三：当发动机启动后，转由发动机为无人机提供动力；

步骤四：发动机启动后，启发电机内部通过电路切换，转为发电机，为无人机相关设备提供电力需求，从而使无人机由发射状态转为正常飞行状态。

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