1、第11 卷 第8期 2011 年3 月16711815(2011)8-1876-05科 学 技 术 与 工 程Science Technology and EngineeringVol. 11 No. 8 Mar. 2011 2011 Sci. Tech. Engng.航空航天螺旋桨式小型无人机可用功率计算研究张 轶(西北工业大学机电学院，西安710072)摘 要 简要分析总结了螺旋桨式活塞发动机功率特性的相关理论及经验公式。以此为基础，研究了滑移现象和机身对螺旋桨效率的影响问题。提出了一种新的计算螺旋桨式无人机可用功率的方法。结果表明:螺旋桨式无人机若飞行高度保持一定，可用功率、螺旋桨效率与
2、巡航速度成正比;若巡航速度保持一定，可用功率、螺旋桨效率与飞行高度成反比。关键词 螺旋桨 活塞发动机 无人机 可用功率中图法分类号 V279 V211; 文献标志码 A2010 年12 月23 日收到作者简介:张 轶(1985)，四川人，硕士研究生，研究方向:无人机设计技术。螺旋桨式活塞发动机由于具有质量轻、尺寸小、耗油率低、低速时推力大、价格便宜等优点。因此，世界上大多数小型低速无人机都以螺旋桨式活塞发动机为动力装置，而螺旋桨是其主要的推进装置。目前已知的大量无人机都使用螺旋桨式活塞发动机作为动力，统计结果如表1 所示。螺旋桨式小型无人机飞行过程中所能达到的高度、速度、续航时间、远航距离等性
3、能特性主要取决于螺旋桨式活塞发动机为无人机所提供的可用功率大小。本文介绍了螺旋桨式无人机可用功率的计算方法，主要利用经验公式及经验曲线进行估算，方法简便实用。1 螺旋桨式活塞发动机的特性螺旋桨式动力装置发出的推力P(单位为N)计算公式为:P =Nv(1)式(1)中，N是发动机的有效功率，W;是螺旋桨效率;v是无人机飞行速度，m/s。表1 活塞螺旋桨发动机无人机参数统计表无人机 活塞发动机 功率/kW螺旋桨直径/m捕食者( predator) Rotax914 845 17徘徊者( Prowler) Uelar731 279 15蚋蚊( Gnat)750 Rotax582 478 15奥斯塔(
4、Altus) Rotax914 845 25不死鸟( Phoenix) Wae342 184 078影子( Shadow)200 Ar741 279 066猛禽( Raptor) Rotax912 588 1524柏修斯( Perseus) Rotax914 845 244猎人( Hunter)RQ-5AMoto Guzzi 471 071发动机在空中的有效功率 N 与地面的有效功率N0随高度变化关系可由经验公式( 2)得到。其中，下标“H”表示高度为H时的参数，下标“0”表示高度为零时的参数。N = N0 111pHp0T0T槡H0( )11(2)式(2)中，p为大气压力，N/m2;T为大气
5、温度，K。当无人机在空中飞行时，螺旋桨是一边旋转一边前进的。螺旋桨每旋转一圈飞机在空中前进的距离称为螺旋桨的进距Ha，其定义公式为:Ha=vnc(3)式(3)中，nc是螺旋桨的每秒转速，r/s。当螺旋桨在原地工作时，其进距为零; v 为无人机飞行速度，m/s。螺旋桨进距与其直径之比称为螺旋桨的相对进距，其定义公式为:J =HaD=vncD(4)根据螺旋桨的空气动力特性1，螺旋桨的需用功率计算公式为:N = cpn3cD5(5)式(5)中，cp称为螺旋桨的功率系数;是空气密度，kg/m3。根据公式(5)可得螺旋桨功率系数为:cp=Nn3cD5(6)2 螺旋桨效率修正及可用功率计算21 螺旋桨滑移
6、及效率如果能向螺丝钻木一样，螺旋桨能在一定螺旋角(等于桨叶角)的条件下，每旋转一周前进一个螺距的距离，则称此为螺旋桨的桨距，按几何螺距前进时的攻角应当为零;然而，在空气中旋转的螺旋桨，每旋转一周的前进距离小于几何桨距，特称其为有效桨距。几何桨距和有效桨距之差称为滑移。螺旋桨滑移使发动机输送到螺旋桨的功率不能完全转变为螺旋桨拉/推着无人机向前飞行的有用功率。滑移现象表现了功率损失。螺旋桨的效率可表达为螺旋桨的可用功率与发动机有效功率之比，其表达式如式( 7)所示。滑移损失的大小决定了螺旋桨效率的大小，一般螺旋桨效率为30%85%。 =NkyN(7)根据发动机特性和螺旋桨直径，对于每一给定高度和飞
7、行速度，由公式(4)和公式(6)可求出螺旋桨的相对进距J和功率系数 cp，通过图1 所示的螺旋桨特性曲线可查得螺旋桨效率。图1 螺旋桨的特性曲线22 螺旋桨效率修正螺旋桨一般装载无人机机身前面或后面，因此机身会对其效率产生一定的影响，效率降低程度与螺旋桨直径相对机身大小有关。此时，需对螺旋桨效率进行修正，修正系数经验公式为:K=0985KK0(8)式(8)中，K与 K0分别表示螺旋桨装机后工作的实际条件和螺旋桨在风洞试验或理论计算时的条件来决定的修正系数。一般情况下，K0可取为1，K的值与机身直径与螺旋桨直径之比有关，可根据参考文献2中所示的机身对螺旋桨效率影响经验曲线查得。23 螺旋桨发动机
8、可用功率计算根据公式(2)求得的发动机在空中的有效功率N，结合螺旋桨效率及其修正系数，利用经验公式(9)可求得螺旋桨发动机可用功率。Nky= NK(9)上述计算中所需的发动机性能及螺旋桨性能，在选定具体型号的产品后，厂家能提供详细性能数据。3 计算实例以国产 ASN209 型小型多用途无人机为例，利用上述方法进行可用功率计算。该无人机在机身尾部装有一台HS700 二冲程四缸活塞发动机，双叶片木质推进式螺旋桨，在其飞行过程中靠螺旋桨提供的推力前进。其主要参数如下:发动机额定功率:373 kW;螺旋桨最大转速:100 r/s;77818期 张 轶:螺旋桨式小型无人机可用功率计算研究螺旋桨形式:双叶
9、;螺旋桨直径:09 m;机身直径:05 m;实用升限:5 000 m;最小速度:70 km/h;巡航速度:120 140 km/h;最大速度:210 km/h。31 有效功率计算根据经验公式( 2)，从海平面0 m 到无人机实用升限5 000 m取不同高度(相差1 000 m)，计算无人机在各高度下有效功率如表2 所示，其有效功率曲线如图2 所示。表2 各典型高度下发动机有效功率列表H/m 0 1 000 2 000 3 000 4 000 5 000N/kW 373 330 291 256 223 193图2 各高度发动机有效功率曲线图由图2 可以看出，在海平面上，螺旋桨式活塞发动机有效功率
10、等于其额定功率，并随其高度的增加而单调减小。32 螺旋桨效率计算在一定巡航高度下，取该无人机从最小速度到最大速度进行分析，利用公式(4)和公式(6)分别求得各速度条件下螺旋桨的相对进距 J 和功率系数cp，通过查图1 可得螺旋桨效率。以海平面高度0 m(此高度下声速a =34029 m/s，密度 =1225 kg/m3)为例，各巡航速度下螺旋桨效率列表如表3所示，表中Ma为巡航马赫数。利用同样方法步骤可求得无人机在各高度下对应不同巡航速度时的螺旋桨效率曲线如图 3所示。表3 海平面各巡航速度下螺旋桨效率列表Ma v/( ms1) Jcp (查图1)00500600700800901001101
11、2013014015016017018019020170120422382272230633403374340834424476451045445578561256466680601890227026503020340037804160454049105290567060506430681071807560051 6024032040047053058062066069072074076078080081082图3 不同高度及速度下螺旋桨效率曲线图从图3 可以看出:在同一高度下，螺旋桨效率随巡航速度的增加而逐渐增加;在同一巡航速度下，螺旋桨效率随高度增加而减小。33 无人机可用功率计算本文所选
12、无人机机身直径与螺旋桨直径之比为056，查参考文献2中可得 K的值为0 90，根据经验公式8可得螺旋桨效率的修正系数 K为0887。结合前面已求得的有效功率 N 及螺旋桨效率，利用经验公式(9)即可求得无人机在不同高度及巡航速度下可用功率计算列表如表4 所示。8781 科 学 技 术 与 工 程 11 卷表4 不同高度及巡航速度下无人机可用功率列表MaNky/kW0 km 1 km 2 km 3 km 4 km 5 km005 661 586 491 431 356 309006 926 820 698 612 514 446007 1190 1055 904 793 673 583008 1
13、422 1260 1085 952 811 703009 1620 1435 1240 1088 930 806010 1786 1582 1369 1201 1029 892011 1918 1699 1473 1292 1108 960012 2050 1816 1576 1383 1187 1029013 2149 1904 1653 1451 1246 1080014 2249 1992 1731 1519 1305 1132015 2315 2051 1783 1564 1345 1166016 2381 2109 1834 1610 1385 1200017 2447 2168 1
14、886 1655 1424 1235018 2513 2226 1938 1700 1464 1269019 2546 2256 1963 1723 1483 1286020 2579 2285 1989 1746 1503 1303根据表4 作出不同高度下及巡航速度下无人机可用功率曲线如图4 所示。图4 不同高度及巡航速度下无人机可用功率曲线图从表4 及图4 所示曲线可以得出以下结论:(1) 在同一高度下，改变巡航速度，无人机可用功率随着巡航马赫数的增大而增加，且增加趋势越来越小。(2) 在同一巡航速度下，改变飞行高度，无人机可用功率随着飞行高度的升高而减小。4 结论通过上述分析计算及比较，
15、可以得出如下结论:(1) 螺旋桨式活塞发动机有效功率随无人机飞行高度增加而单调降低。(2) 螺旋桨式无人机飞行高度保持一定的情况下，螺旋桨效率、无人机可用功率与巡航速度成正比。(3) 螺旋桨式无人机巡航速度保持一定的情况下，螺旋桨效率、无人机可用功率与飞行高度成反比。(4) 本文所述的方法主要针对安装了普通型号螺旋桨式活塞发动机的小型无人机。而对于某些采用了高空增压技术的螺旋桨式活塞发动机，在临界高度以下，可用功率几乎不受高度影响4，其可用功率的计算方法有待进一步研究。参 考 文 献1 刘沛清 空气螺旋桨理论及其应用 北京:北京航空航天大学出版社，20052 朱宝鎏无人飞机空气动力学北京，航空
16、工业出版社，20063 Raymer D P Aircraft design: a conceptual approach fourth editionAIAA Education Series，Washington: American Institute of Aeronau-tics and Astronautics Inc，20064 李汝辉，吴一黄活塞式航空动力装置北京:北京航空航天大学出版社，20085 刘艳华，孙 颖，孙智孝 活塞发动机与无人机性能匹配分析飞机设计，2007;27(4):10136 世界无人机大全编写组 世界无人机大全 北京:航空工业出版社，20047 刘同仁，肖业
17、伦空气动力学与飞行力学北京:北京航空学院出版社，198797818期 张 轶:螺旋桨式小型无人机可用功率计算研究A Study on the Available Power of Propeller-driven Small UAVZHANG Yi( School of mechatronics，Northwestern Polytechnical University，Xian 710072，P R China)Abstract The theory and experimental formulas about power character of propeller-driven pis
18、ton engine havebeen briefly interviewed and analyzed Then，the impact of drift and fuselage on propeller efficiency is investiga-ted At last，a new method is proposed to calculate the available power of propeller-driven small UAV The resultshave shown that if the flight altitude keeps constant，the ava
19、ilable power and propeller efficiency are in direct pro-portion to cruising speed，while if the cruising speed keeps constant，they are in inverse proportion to flight alti-tudeKey words propeller piston engine UAV availabl檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸e power(上接第1875 页)Analysis of Pas
20、senger Travel Characters under Intercity RailwayKunming to Qujing as an ExampleDUAN Li-zhen( Faculty of Transportation Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650224，P R China)Abstract In order to research the characteristics of passenger under the intercity railway in trans
21、port corridor，developing the questionnaire survey in transport corridor of Kunming to Qujing are developed The results show it islarge that the proportion of intercity railway passengers whose income is low，and automobile passengers whose in-come is high; passengers in corridor mainly consists of wo
22、rkers and company staff，individual worker;the main trippurpose is business travel，relatives; the times each year passengers aboard intercity railway is higher than automo-bile; all passengers preference train; the main reason of passengers choose intercity railway is high speed，flexiblefor automobile passengers; the most unsatisfactory factors to intercity railway are travel time and departure time，toautomobile are passenger flight and insecureKey words the intercity railway transportation corridor travel characters0881 科 学 技 术 与 工 程 11 卷
