无人机结构与系统

第1章无人机结构与系统　　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、控制站、飞行控制系统、通信导航系统、任务载荷系统和发射回收系统等。1.1　无人机概述1.1.1　无人机的发展历史与现状　　18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。20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。20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。1961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301km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。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。1915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。1916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。1917—1918年,英国与德国先后研制成功无人遥控飞机。这些被公认为是遥控无人机的先驱。随后,无人机被逐步应用于靶机、侦察、情报收集、跟踪、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。与军用无人机的百年历史相比,民用无人机技术要求低、更注重经济性。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。目前,民用无人机已广泛应用于航拍、航测、农林植保、巡线巡检、防灾减灾、地质勘测、灾害监测和气象探测等领域。未来,无人机将在智能化、微型化、长航时、超高速、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。1.1.2　无人机的概念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》(AC-61-FS-2016-20-R1),其对无人机及相关概念作了定义。2　　　　无人机组装与调试无人机(UnmannedAerial,UA)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(RemotelyPilotedAircraft,RPA)。无人机系统(UnmannedAerialSystems,UAS)是指由无人机、相关的控制站、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(RemotelyPilotedAircraftSystems,RPAS)。一种典型的无人机系统如图1-1所示。图1-1　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、对无人机的运行负有必不可少职责、并在飞行期间适时操纵无人机的人。控制站也称遥控站、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。指令与控制数据链路(CommandandControlDataLink,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。1.1.3　无人机的特点1.无人机的优势　　与有人机相比,无人机具有以下优势。(1)机上没有驾驶员,无须配备生命保障系统,简化了系统、减轻了重量、降低了成本。(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。(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。(4)无人机在制造、使用和维护方面的技术门槛与成本相对更低。制造方面:放宽了冗余性和可靠性指标,放宽了机身材料、过载、耐久等要求。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。维护方面:维护相对简单,维护成本低。(5)无人机对环境要求较低,包括起降环境、飞行环境和地面保障等。(6)无人机相对重量轻、体积小、结构简单,应用领域广泛。2.无人机的局限性与有人机相比,无人机具有以下局限性。第1章　无人机结构与系统3　　　　(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。(2)无人机放宽了冗余性和可靠性指标,降低了飞行安全。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。(3)无人机的续航时间相对较短,尤其是电动无人机。(4)无人机遥控器、地面站、图传、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。(5)无人机的体积、重量和动力等,决定了无人机的抗风、抗雨能力有限。1.1.4　无人机的分类目前,无人机的用途广泛,种类繁多,型号各异,各具特点。按应用领域的不同,无人机可分为军用无人机、民用无人机和科研无人机。按飞行航程的不同,无人机可分为超近程无人机、近程无人机、短程无人机、中程无人机和远程无人机,具体分类如表1-1所示。表1-1　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/km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、低空无人机、中空无人机、高空无人机和超高空无人机,具体分类如表1-2所示。表1-2　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》(AC-61-FS-2016-20-R1),无人机可分为9类,具体分类如表1-3所示。表1-3　无人机的分类(按民航法规分)无人机的分类空机重量/kg起飞重量/kgⅠ0空机重量/起飞重量≤1.5Ⅱ1.5空机重量≤41.5起飞重量≤7Ⅲ4空机重量≤157起飞重量≤25Ⅳ15空机重量≤11625起飞重量≤1504　　　　无人机组装与调试续表无人机的分类空机重量/kg起飞重量/kgⅤ植保类无人机Ⅵ无人飞艇Ⅶ超视距运行的Ⅰ、Ⅱ类无人机Ⅷ116空机重量≤5700150起飞重量≤5700Ⅸ空机重量/起飞重量5700按国务院、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、轻型无人机、小型无人机、中型无人机和大型无人机,具体分类如表1-4所示。表1-4　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0.25kg,设计性能同时满足飞行真高不超过50m、最大飞行速度不超过40km/h、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4kg、最大起飞重量不超过7kg、最大飞行速度不超过100km/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15kg,或最大起飞重量不超过25kg的无人机(不包括微型无人机、轻型无人机)中型无人机最大起飞重量超过25kg不超过150kg,且空机重量超过15kg的无人机大型无人机最大起飞重量超过150kg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、无人直升机、多旋翼无人机、伞翼无人机、扑翼无人机、无人飞艇和混合式无人机等。1.固定翼无人机图1-2　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。一种典型的固定翼无人机如图1-2所示。其特点:载荷大、续航时间长、航程远、飞行速度快、飞行高度高,但起降受场地限制、无法悬停。2.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、前飞、后飞、定点回转等可控飞行的无人机。一种典型的无人直升机如图1-3所示。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、共轴式双旋翼无人直升机、纵列式双旋翼无人直升机、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。第1章　无人机结构与系统5　　　　图1-3　无人直升机其特点:可垂直起降、可悬停、操作灵活、可任意方向飞行,但结构复杂、故障率较高。与固定翼无人机相比,飞行速度低、油耗高、载荷小、航程短、续航时间短。3.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。一种典型的多旋翼无人机如图1-4所示。图1-4　多旋翼无人机与无人直升机通过自动倾斜器、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。其特点:结构简单、价格低廉、操作灵活、可向任意方向飞行,但有效载荷较小、续航时间较短。1.1.5　无人机的结构与系统无人机结构主要是指无人机的硬件结构。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、无人直升机、多旋翼无人机、伞翼无人机、扑翼无人机和无人飞艇等。无人机系统主要是指无人机动力系统、控制站、飞行控制系统、通信导航系统、任务载荷系统和发射回收系统等。(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。(2)控制站:用以监测和控制无人机的飞行全过程、全部载荷、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。6　　　　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、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。(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、可靠、准确地接收、发送信息,以保证信息反馈的可靠性、精确度、实时性及有效性。(5)任务载荷系统:用以实现无人机飞行要完成的特定任务。(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。1.2　无人机的基本结构本书主要介绍固定翼无人机、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。1.2.1　固定翼无人机的基本结构固定翼无人机一般由机翼、机身、尾翼、起落装置和动力装置5个部分组成。(1)机翼主要由翼梁、纵墙、桁条、翼肋和蒙皮等组成,主要功能是产生飞行所需要的升力。(2)机身主要由纵向骨架桁梁和桁条、横向骨架普通隔框和加强隔框、蒙皮等组成,主要功能是装载燃料和设备,并将机翼、尾翼、起落装置等连成一个整体。(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。(4)起落装置主要由支柱、减振器、机轮和收放机构等组成,主要功能是支撑无人机的起飞、着陆滑跑、滑行和停放等。(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、发动机、舵机和辅助系统等组成,电动动力装置主要由电池、电调、电动机和螺旋桨等组成。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。1.2.2　无人直升机的基本结构无人直升机一般由机身、主旋翼、尾桨、操纵系统、传动系统、电动机或发动机、起落架等组成。(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、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。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。(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。(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、改变尾桨的推力(或拉力),实现对直升机的航向控制、对航向起稳定作用和提供一部分升力等。尾桨分为推式尾桨和拉式尾桨。(4)操纵系统主要由自动倾斜器、座舱操纵机构和操纵线系等组成,主要功能是用来控