近年来无人机市场的发展,多旋翼无人机以优良的操控性能和可垂直起降的方便性等优点迅速获得了广大消费群体的关注,成为迄今为止最热销的产品。多旋翼无机人相较于其它无人机具有得天独厚的优势,与固定翼飞机相比,它具有可以垂直起降,可以定点盘旋的优点;与单旋翼直升机相比,它没有尾桨装置,因此具有机械结构简单、安全性高、使用成本低等优点。多旋翼无人机的诸多优点使它在无人机b端市场前景被看好,但也面临着许多的问题,在电力巡航、物流运输、消防、植保等领域电动无人机的载重及续航时间成为制约其发展的重要因素。此时,燃油动力多旋翼无人机凭借其大载重与长航时的优点为b端市场带来曙光。

油动多旋翼常见分类

常见的油动多旋翼无人机有四旋翼、六旋翼、八旋翼,多旋翼其最大特点就是具有多对旋翼,并且每对旋翼的转向相反,用来抵消彼此反扭力矩。

多旋翼无人机在飞行过程中需要不断地调整各个旋翼产生的升力来保持飞行姿态的平稳。常用改变升力的方式有两种。一种是发动机转速恒定,通过调整螺旋桨的螺距改变升力,称为变桨距方式;另一种是螺旋桨的螺距恒定,通过调整发动机转速改变升力,称为调速方式。两种方式各有什么特点呢?

变桨距,也称为变距、调距:优点是响应速度快。缺点是需要复杂的机械结构来调整桨距,造价成本高,维护费用也高。

调速,也称为变转速、变速。优点是机械结构简单,调速多发直驱方式无传动结构,发动机直接驱动螺旋桨。造价成本较低,维护费用低。缺点是响应速度较慢。

常见油动多旋翼能源提供方式有纯油动和油电混合两种类型。纯油动按控制方式又可分为上面所说的油动变桨距和油动调速;油动变桨距又可细分为单发传动和多发传动;常见的油动调速只有多发直驱类型。油电混合常见的只有调速控制方式一种,又可分为油发电和油加电两种。

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油动单发传动变桨距多旋翼

采用一个发动机提供动力,通过复杂的传动结构将动力传到各旋翼并改变旋转方向。各旋翼转速相同,以调整螺旋桨螺距的方式改变升力保持姿态平稳。

优点:发动机数量少,发动机的维护工作量小。响应速度快。

缺点:发动机动力传输到各旋翼的传动机械结构复杂,各旋翼又需要独立的变桨距机械结构,导致机械结构非常复杂,机身整体重,制造成本高,机械维护难度大,总体维护费用高。

油动多发传动变桨距多旋翼

采用多个发动机提供动力,每个发动机带动一个旋翼,各发动机转速相同,以调整螺旋桨螺距的方式改变升力保持姿态平稳。发动机和旋翼之间需要传动结构。可以使用正反转发动机,也可以只使用正转发动机,通过传动机构换向。

优点:传动结构简单,响应速度快。

缺点:发动机个数多,发动机维护工作量大。各旋翼又需要独立的传动结构和变桨距机械结构,机械结构较复杂,机身整体重,制造成本高,总体维护费用高。

油动多发直驱多旋翼(燃油直驱多旋翼)

常见油动调速多旋翼都是采用多发调速直驱方式,通常称为油动直驱多旋翼。

油动直驱多旋翼采用多个发动机提供动力,每个发动机带动一个旋翼,旋翼螺距固定,通过调整发动机节气门控制转速改变升力,旋翼直接安装在发动机的转轴上,无需传动结构。

优点:无需传动结构、机械结构简单,零部件个数少、制造成本低,维护费用较低。

缺点:发动机个数多,发动机维护工作量大。机身整体较重,效率与响应速度一般。

油电混合多旋翼

油电混合多旋翼,按照动力方式划分 ,可分为油发电与油加电共同发电两种。

油发电多旋翼

油发电多旋翼是以单个发动机提供动力带动发电机发电,再以此电能驱动各旋翼上的电机产生升力,无需配备动力电池。各旋翼直接固定在电机转轴上,无传动结构。

优点:只消耗燃油,补充能源便捷。电机响应速度较快。

缺点:需要发动机和发电机,机身整体较重,载重量较小。

油加电多旋翼

油加电多旋翼一般以单个发动机带动主旋翼提供升力,多个电动旋翼调整姿态,需配备动力电池。旋翼直接固定在电机或发动机的转轴上,无传动结构。

优点:无需发电机,无传动结构,机身整体较轻。电机响应速度较快。

缺点:需要添加燃油和携带动力电池,补充能源不便捷。

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以上各种方案基本都有成功首飞的案例。由于多发直驱方案具有机械结构简单,维护方便,载重量大等显著优点,目前已有较好的商业应用。

其中,深圳常锋信息技术有限公司全自主研发生产的天马-1植保无人机搭载智能喷洒系统,采用RTK定位技术、双天线测向技术、厘米级雷达测高技术,具有载荷量大、喷洒精准、定位精度高、抗地磁干扰、仿地形飞行和全自主作业等特点,可大幅提高作业效率,降低作业成本。已在新疆等地推广使用。

多旋翼未来发展趋势

油动多旋翼的发展趋势主要在于两方面,一个是发动机,一个是旋翼。

电喷:电喷发动机是采用电子控制装置,取代传统的机械系统(如化油器)来控制发动机的供油过程。使用电喷发动机具有省油、提升可靠性、提升响应速度及环境适应力等优点。

启发一体化:目前市场上的发动机使用的电机有直流电动机和带有调节器的交流发电机,分属启动系统和充电系统,分别固定在发动机体上,安装布置不方便,所需安装空间大,零部件多故障率高。缺乏有效的监控控制器,发电效率不高,不能随机械需求快速实现调速调节功率。启发一体化就是启动系统和充电系统一体化,启动电机可作为发电机使用,具备发电功能。发电机启动一体化,可以降低成本,减轻机体重量,提升使用便捷性。

再说旋翼机的发展。多旋翼无人机想在效率方面突破,就不得不考虑将固定翼的原理与优缺点,与多旋翼相结合,从而得出更好的解决方案。

复合翼:采用固定翼结合多旋翼的复合翼布局形式,结合多旋翼可垂直起降,无需借助跑道滑行起飞的优点,兼具固定翼无人机航时长、速度高、距离远的特点,有效提升效率。

提问:

油动多旋翼能有效解决电动多旋翼的续航问题吗,目前推广的最大拦路虎是什么?

油动多旋翼解决的是载重和续航两个问题,或者说是载重和续航的乘积(载重续航积),有些方案可以解决续航问题,但是受限于功率密度,载重量无法显著提高,比如氢燃料电池。目前,油动直驱多旋翼商业化推广较好,实际使用中发动机的环境适应能力是相对比较突出的问题。

飞控对油机的控制如何实现较好的响应,具体在多旋翼上是怎么实现的?

不同的油动多旋翼方案,飞控对发动机的控制策略是不同的。响应速度对抗风能力有影响,但是抗风性能涉及多个因素,可以通过其他方面弥补响应速度的问题。

如何抑制油动多旋翼的震动噪声?

机械减震和数字滤波,注意相频特性。

油动多旋翼植保无人机在未来几年会不会大有作为?

油动多旋翼植保无人机操作简便,载重和续航有优势,适合大面积自动化作业,可以显著降低成本。我相信未来一定会有很好的表现,大家拭目以待。

油动会不会引发环境问题,你们在这方面都做了哪些努力?

一定程度上是存在滑油残留,但是问题并不严重,其实地面植保机械目前也是燃油动力。对于其他应用场景的环境问题,从横向比较,相比于废弃锂电池的环境污染,燃油的污染也并不是很严重。对此,我们首先从供应链选择上会注意排放问题,另外,我们也在努力创新,采用新的方案。我们的目的是解决载重和续航的问题,条条大路通罗马。

(本文内容由常锋无人机CEO赵自超分享,新智造金红整理)

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