关键词：油电混合动力；多旋翼；飞行器设计
引言：常规固定翼飞行器不适用于低空飞行，因此在社会生活领域中的应用较少，为弥补这一空白，多旋翼飞行器应运而生，由于具有极强的低空飞行优势，因此广泛应用于监控、摄影、航拍等领域，但是多旋翼飞行器的设计也存在很多不足，不仅充电时间长，而且续航时间短，难于承载较重的物品，因此必须从动力系统的角度出发，对飞行器的设计进行优化改进，从而提高多旋翼飞行器的应用水平。
一、油电混合动力多旋翼飞行器动力系统
（一）动力系统设计理念
多旋翼飞行器对油电混合动力系统的设计和应用有三种选择，一是串联式油电混合，二是并联式油电混合，三是混联式油电混合，其中串联式油电混合的发动机与电池直接串联，既能够满足电池充电，还能够为驱动发电机供电，对飞行器的续航能力有极大提升，但是这种供电方法效率较低，因此飞行器的机械效率会相应下降；并联式油电混合的发电机具有独立性特征，是一个独立的供电系统，直接安装在发动机的驱动轴上实施供电，具有较高的经济性，但是在充电时需要单独拆卸；混联式油电混合动力系统就是将前两者的优势结合在一起，在独立充电系统的前提下为电池和电动机供电，但是系统连接相对复杂，对控制能力要求较高，总体设计如下图1。
（二）动力系统设计选择
当前多旋翼飞行器应用的动力结构一般为对称四周分散式，这种动力结构使飞行器需要长期手动更换电池满足飞行需求，因此起落的频率相对较高，很容易使飞行器的坠机几率增加。另外，电池在拆卸后需要长时间充电，但是实际应用中的续航时间却很短，导致飞行器的飞行安全和效率受到制约。为了综合串联式和并联式油电混合动力设计的优势，本文选择混联式油电混合动力系统。
（三）动力系统设计要求
应用混联式油电混合动力系统需要满足以下几点设计要求：其一，在动力系统的设计中要尽可能降低发动机的耗油量，同时降低飞行器对电池的依赖性，从而增强飞行器的续航能力；其二，动力系统的设计要满足独立供电要求，不需要将动力电池拆卸充电就能够实现供电，从而减少飞行器起降的频率，降低坠机事件发生的频率；其三，动力系统的设计要保障飞行器空中停车的安全性和稳定性，从而增强飞行器的抗坠毁能力[1]。
二、油电混合动力多旋翼飞行器整体设计
（一）飞行器设计要求
油电混合动力多旋翼飞行器的整体设计需要满足以下几点要求：首先，飞行器的供电系统能够实现自主充电，不需要人为拆卸充电；其次，多旋翼飞行器在不使用的情况下，能够以缩小比例的形式折叠存放，从而增强运载的便利性；第三，多旋翼飞行器采用混联式油电混合动力系统，当飞行器的二冲程活塞发动机出现空中停车的现象，必须确保飞行器能够在规定时间内安全降落，这要求发电机提供的动力能够满足飞行器空中停车并安全着陆的需求。
（二）飞行器结构设计
根据飞行器设计要求可知，飞行器的结构设计既要满足存放和运载的折叠需求，也要满足混联式油电混合动力系统的安装需求，因此需要对动力系统的安装布局和设置进行分析，为此本文采用CATIA软件进行三维建模，将多旋翼飞行器的各项参数输入到软件中，通过调整参数确定最终的设计模型。在CATIA软件中主要对以下几个参数进行设置，分别为飞行器油箱、起落架、供油管道、整流稳压器、二冲程发动机、发电传送装置、螺旋桨、无刷直流电机、电池、电机座、大带轮、小带轮、大带轮固定螺母、小带轮固定螺母、电子调速器、油门摇杆、曲柄等，其中飞行器的中间部分为二冲程发动机，以奇数旋翼进行整体布局，将反扭转气动控制装置安装在遥控杆上，减少飞行器的扭转力，从而使飞行器的控制更加精准。为了保证飞行器结构满足折叠的需求，还应该对遥控杆进行折叠式设计，将两端分别连接无刷直流电机座和机身，用螺母固定，只需要拆除固定螺钉就可以实现折叠。
（三）飞行器气动特性
飞行器的气动特性主要指的是飞行器的悬停、起降、低空等性能，这些性能对飞行器的实际应用具有至关重要的作用。多旋翼飞行器在飞行时会产生极大的力矩，要确保飞行器的稳定性，就必须设置相反力矩以保证机身的平衡，因此在飞行器气动特性的研究中，需要对反扭转力的各项装置进行参数设计，并且通过计算选择出可靠的飞行器翼型，从而保障飞行器的性能优势。对飞行器气动特性的计算主要包括粘性流动数值、气动拉力数值和反扭矩数值。粘性流动数值的计算应用NAVIER-STOKERS方程式进行计算，气动拉力数值和反扭矩数值的计算参考叶素理论，然后根据得到的参数在CATIA软件中绘制三维模型，最终确定螺旋桨、飞行器机身、反扭转气动舵安定面和偏转舵的组合位置。
（四）飞行器部件选择
混联式油电混合动力多旋翼飞行器的部件主要包括以下几个方面，分别是发动机、螺旋桨、电机、旋翼、动力电池、稳压器、传动系统、有限、电调系统和其他零部件。例如发动机选择二冲程汽油活塞发动机，型号为OS GT15HZ；主螺旋桨选择三叶螺旋桨，型号为木质劲旋风JXF；电机选择为350KV的单个电机组合而成，型号为GJI E800等[2]。
结论：综上所述，针对油电混合动力多旋翼飞行器设计的探究是非常必要的。本文主要对多旋翼飞行器的动力系统进行优化，然后阐述整个飞行器的设计改进方案。研究可得，多旋翼飞行器利用油电混合动力设备，不仅能够改善多旋翼飞行器充电时间长、续航时间短这一不足，延长飞行时间，还能够增强飞行器停车和降落的安全性。希望本文能够为研究油电混合动力多旋翼飞行器设计的相关人员提供参考。
参考文献：
[1]薛壮壮. 混合动力多旋翼飞行器振动滤波算法的研究[D].西安理工大学,2017.
[2]宗剑. 油电混合动力多旋翼飞行器设计与研究[D].南昌航空大学,2017.
论文作者:李倩,史钟琪
论文发表刊物:《科技中国》2018年5期
论文发表时间:2018/8/10
标签：飞行器论文; 旋翼论文; 混合动力论文; 系统论文; 动力论文; 发动机论文; 螺旋桨论文; 《科技中国》2018年5期论文;