无人机构造与动力系统

无人机是指不携带驾驶员，能够自主控制或遥控有动力飞行的航空器。无人机的结构和动力技术来源于有人机，许多基本结构和工作原理与有人机类同。由于无人机不携带驾驶员，因此在其结构特性、气动布局和部位权衡、起飞回收方式、飞行操纵系统方面可以不必顾及机上驾驶员的舒适问题，但是要考虑自主控制和遥控飞行对这些系统的影响。因此其有许多独有的特点，而且发动机的结构特点和工作特性也要适应这些特点。本书兼顾固定翼无人机和旋翼无人机，本着求同存异的原则，系统介绍了两大类无人机的机体结构、动力装置、飞行操纵系统、起飞回收系统、气动布局和部位权衡等，对不同的部分进行了单独介绍。鉴于本书的目的主要是为了培养学生操控无人机时的特情分析和处置能力，因此本书将重点放在系统结构和工作特性方面。

全书共分7章。第1章对无人机系统进行了概述，简要介绍了典型无人机的系统组成和特性。第2章介绍了无人机的机体结构，包括机身所受载荷、机翼和机身的结构型式与载荷传递、安定面和操纵面的结构，鉴于固定翼和旋翼无人机除气动布局差异较大外，机身结构的构成没有本质差别，因此只介绍了固定翼无人机的机体结构。另外，本章还介绍了无人机机身携带的外部照明灯和防冰除冰系统。第3章介绍了航空活塞发动机的种类和工作原理，重点介绍了发动机的结构组成、控制和工作特性。第4章介绍了航空燃气涡轮发动机的种类和工作原理，在重点介绍涡轮喷气发动机的结构组成、工作原理的基础上，着重介绍了无人机用到的涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机和涡轮轴发动机的高度、速度等工作特性。此外，本章还简单介绍了无人机用到的冲压发动机和固体火箭发动机的组成和工作原理。第5章介绍了无人机的典型起飞回收系统，重点对起落架式起飞着陆系统进行了介绍，包括无人机上所用液压系统的基本结构部件及工作原理。第6章简要介绍了固定翼无人机的飞行操纵系统，着重介绍了无人直升机的操纵系统。第7章介绍了无人机的气动布局和部位权衡，包括水平起降、垂直起降无人机布局和混合式气动布局，并且对无人机涉及的结构、动力、起落装置等部位权衡问题进行了简要介绍。为使读者掌握系统失效和故障模式的基本分析方法，提升对无人机飞行特情分析和处置的能力，附录给出了失效树分析法。

本书兼顾固定翼无人机和旋翼无人机，详细介绍了无人机的机体结构、航空活塞发动机、航空燃气涡轮发动机、起飞回收系统、飞行操纵系统、气动布局和部位权衡等内容。另外，为使读者能够掌握无人机飞行中涉及的结构与动力方面的特情分析方法，在附录中给出了失效树分析法。本书可帮助无人机系统操控人员全面了解并掌握无人机的机体结构特性、气动布局特点、起飞回收方式、动力装置结构原理和工作特性，为其未来操控无人机打下良好的无人机平台知识基础，建构一定的特情分析能力。

本书既可作为高等院校无人机操控相关本科专业的教材，也可作为从事无人机相关论证、操控和保障管理人员的参考用书。

第1章 绪 论 1

1.1 长航时无人机 1

1.2 中程无人机 4

1.3 近程无人机 7

1.4 小型/微型无人机 13

1.5 新型布局无人机 16

本章小结 19

思考题 19

第2章 机体结构 20

2.1 机体载荷 20

2.1.1 载荷及相关概念 20

2.1.2 机体承受的载荷 22

2.2 机翼结构 24

2.2.1 机翼的主要构件 24

2.2.2 机翼的结构型式 27

2.2.3 机翼载荷及传递 32

2.3 机身结构 39

2.3.1 机身的主要构件 39

2.3.2 机身的结构型式 42

2.3.3 机身外部载荷及传递 45

2.3.4 机体开口部位 47

2.4 安定面和操纵面 50

2.4.1 尾 翼 50

2.4.2 机翼上的操纵面 52

2.5 外部照明灯 56

2.6 防冰除冰系统 58

2.6.1 无人机结冰机理 58

2.6.2 无人机防冰除冰系统 59

本章小结 63

思考题 63

第3章 航空活塞发动机 65

3.1 概 述 65

3.2 发动机工作原理 67

3.2.1 发动机分类 67

3.2.2 基本工作过程 69

3.2.3 活塞发动机的不正常燃烧 74

3.3 发动机系统构造 76

3.3.1 汽缸活塞组件 76

3.3.2 进排气系统 80

3.3.3 传动机构 84

3.3.4 燃油系统 88

3.3.5 起动点火系统 100

3.3.6 滑油系统 102

3.3.7 冷却系统 105

3.3.8 三角转子发动机构造 107

3.4 发动机控制 111

3.4.1 发动机电气系统 111

3.4.2 涡轮增压控制系统 113

3.4.3 发动机操纵系统 114

3.5 发动机工作特性 116

3.5.1 发动机性能参数 116

3.5.2 发动机工作状态与特性 119

本章小结 123

思考题 125

第4章 航空燃气涡轮发动机 126

4.1 概 述 126

4.2 发动机工作原理 127

4.2.1 涡轮喷气发动机工作原理 127

4.2.2 衍生燃气涡轮发动机工作原理 131

4.3 发动机系统构造 135

4.3.1 进气道 135

4.3.2 压气机 139

4.3.3 燃烧室 153

4.3.4 涡轮系统 161

4.3.5 排气装置 164

4.3.6 空气系统 165

4.3.7 燃油系统 168

4.3.8 起动点火系统 169

4.3.9 滑油系统 174

4.4 发动机工作特性 176

4.4.1 单轴涡轮喷气发动机工作特性 176

4.4.2 双轴涡轮喷气发动机工作特性 178

4.4.3 涡轮风扇发动机工作特性 180

4.4.4 涡轮螺旋桨发动机工作特性 182

4.4.5 涡轮轴发动机工作特性 185

4.5 航空发动机控制 187

4.5.1 航空发动机控制系统的任务 188

4.5.2 发动机控制的基本概念 189

4.5.3 全权限数字式电子控制系统 192

4.6 其他类型发动机 195

4.6.1 冲压发动机 195

4.6.2 固体火箭发动机 197

本章小结 200

思考题 202

第5章 起飞回收系统 203

5.1 无人机的起飞方式 203

5.2 无人机的回收方式 206

5.3 液压系统 208

5.3.1 供压系统 208

5.3.2 控制与安全装置 213

5.3.3 液压作动装置 215

5.3.4 液压系统的密封 217

5.4 起落架系统 218

5.4.1 起落架的型式与基本组成 219

5.4.2 起落架减震装置 224

5.4.3 起落架收放系统 226

5.4.4 机轮及刹车系统 234

5.4.5 前轮转弯系统 238

本章小结 243

思考题 243

第6章 飞行操纵系统 245

6.1 固定翼无人机飞行操纵系统 245

6.1.1 主操纵系统 245

6.1.2 辅助操纵系统 253

6.2 无人直升机操纵系统 256

6.2.1 旋 翼 256

6.2.2 传动装置 262

本章小结 267

思考题 268

第7章 气动布局与部位权衡 269

7.1 气动布局 270

7.1.1 水平起降无人机气动布局 270

7.1.2 垂直起降无人机气动布局 282

7.1.3 混合式无人机气动布局 287

7.2 部位权衡 290

7.2.1 结构与材料权衡 290

7.2.2 发动机权衡 293

7.2.3 起落架权衡 296

本章小结 297

思考题 297

附录A 失效树分析法 299

A.1 失效树建立的基本过程 299

A.2 失效树的定性分析 303

参考文献 308

由于编者水平有限，加之无人机技术发展迅速，书中难免会有不当及疏漏之处，敬请读者批评指正。

编 者

2020年5月