无人机空气动力学论文

无人机空气动力学论文

电力企业输电线路巡检工作中无人机的运用论文

在当前形势下，电力企业的体制改革已取得了一定的成效，供电服务范围进一步扩大，输电线路的分布也越来越广。由于各地区的自然环境具有一定的差异性，因此，采用人工方式对输电线路进行日常巡检已远远达不到要求。而采用无人机巡检可以在第一时间查明故障位置，且不会受到地形条件的影响，同时，还可以实现多角度、全方位的巡检，进而从整体上掌握输电线路的运行状况。可见，无人机的应用对于电力企业的输电线路巡检工作具有重要意义。

1 无人机的研究设计分析

当前，在输电线路巡检中，应用最为广泛的是遥控直升机和四旋翼无人机。应用无人机对输电线路进行全方位的巡视，可以迅速、准确地判断故障的发生点，大大提高巡视工作的效率。从产生和自身结构来看，无人机是先进科学技术创新研究的产物，它的形成主要涉及以下几方面。

1.1 技术方面

遥控直升机采用的是普通直升机的气动布局，一般可以携带图像采集和实时传输设备，在飞行过程中，可以将所“看”

到的各种信息通过传输设备及时传输到监控中心，从而大大提高输电设备巡视、检修工作的效率。四旋翼无人机的气动布局结构是 4 个旋翼相互对称分布。这种结构设置使其具有较高的起降能力。此外，四旋翼无人机还安装有减振云台和无线传输设备，在对输电线路进行巡检时，可以利用微型高分辨率的图像采集设备获得高清信息，并将所获信息及时传输到监控中心。

1.2 自身系统构成方面

遥控式无人机的构成主体是遥控直升机的本体。此外，遥控直升机还包括减振悬挂装置、信息采集和传输设备、地面图像的监视和操控系统等。四旋翼无人机主要由本体和地面监控站构成。

1.3 功能方面

1.3.1 无人机的功能分析应用遥控直升机巡检的工作流程是由人工进行遥控飞行或者悬停在输电线路的上空，而后再利用信息采集设备对线路的图像信息进行实时采集和传输；应用四旋翼无人机巡检的工作流程是在地面站的引导下，根据输电线路的布设状况进行信息的采集和传输。具体来说，分为以下几个步骤：①四旋翼无人机自主悬停于特定空间位置，而后再进行图像信息采集；②通过调节四旋翼的航向和减振云台，对图像采集设备、被检测设备的光学角度和距离进行合理调整，实现对输电线路设备图像的实时采集和传输；③根据人工操作的各项指令进行控制，而后沿输电线路进行飞行式观测和信息采集。

1.3.2 地面站的功能分析四旋翼无人机地面站的基本功能包括与四旋翼无人机协调进行遥控、遥测通信，对四旋翼无人机的图像信息采集位置的确定起引导作用，实时接收和整理分析无人机所获得的输电线路信息，实时操作、控制无人机的飞行状态和云台状态。

1.4 关键技术要点和创新点的分析

无人机巡检输电线路的关键技术要点和创新点主要包括以下几个：①四旋翼无人机具有自主悬停、自主导航飞行的特点，可以进行输电线路跳闸后的故障点查找，并在此基础上，构建一个完整的输电线路全过程立体式的巡检系统。②四旋翼无人机的另一个功能就是可以对输电线路起到防碰撞保护作用，用于输电线路的巡视和检测，同时，还可以对严重自然灾害下的输电线路起到保护作用，比如常见的大风、暴雨等。③地面实时监控技术和图像防抖降噪技术在输电线路巡检中的应用。无人机所配备的可见光视频可以在网络信息技术的作用下及时传输到监控中心。④对四旋翼无人机一体化设计和输电线路的快速检测系统进行优化，有效解决流线型机身的碳纤维制作工艺问题，进而解决锂电池的选型、旋翼的升力、电机的选型和空气动力等相关问题。⑤自主悬停和飞行控制系统具有自驾和手动两种工作模式。在自主悬停的状态下，无人机不仅可以通过地面站的高清录像检查线路，并保留手动模式，还可以按照既定的路线进行自主导航的飞行和巡检。

2 无人机的应用分析

2.1 实际应用效果

在输电线路的巡检中，应用无人机可以实现多角度、全方位的高空信息采集，有效降低架空输电线路巡检工作的强度，减少安全隐患，促进巡检效率和质量的提高，尤其是在恶劣的'环境中，比如在铁塔打滑时，无人机可以代替人工蹬杆和走线，进而保障了电网的安全、稳定运行。另外，应用无人机可以大大降低巡检工作的成本，为生产生活用电提供保障。

可见，无人机的应用对当前电力企业的输电线路巡检工作具有重要意义。

2.2 无人机的发展前景

无人机的发展前景可以概括为以下几点：

①在高压输电线路中，可快速、准确地查找故障点，并对存在的可疑故障点进行高效、合理的巡检，是高压输电线路稳定运行的保障。

②在输电线路具体的某个路段或局部设备中，可以快速对故障进行巡检，成本低、效率高，具有较好的安全性和技术性。

③可以智能化定点悬停在输电线路金具和绝缘子的上方进行局部检测，操作简单，从而减少人工巡检的任务量和时间，尤其是在环境条件恶劣的输电线路中，无人机的优势更为明显。

④无人机所具有的陀螺稳定可见监视器和红外线成像仪设备不仅能够对输电线路起到录像和检测的作用，实现自动巡检，还能够有效解决地形巡视困难等问题，进一步降低人工巡检的潜在危险性，提高输电线路的运行质量。

3 总结

电力在现代社会发展中发挥着重要作用，是国民经济健康、稳定发展的保障。在科技的推动下，将无人机应用于输电线路巡检中，可以大大提高输电线路的运行效率和质量，并进一步提升其运行的可靠性和稳定性。因此，电力企业要加大对无人机的应用和研究力度，提升其实际应用效果。

参考文献

[1]张永，李德波，吴翔，等。无人机巡检输电线路技术的应用与分析[J].宿州学院学报，2013,28（8）：87-88.

[2]诸葛葳。无人机巡检输电线路技术的应用探析[J].科技经济市场，2015（5）：16.

[3]周海峰。无人机巡检输电线路技术的应用与分析[J].建筑工程技术与设计，2015（18）：1238.

如果没有空气无人机还能飞行吗？

一般来说不能，航空飞行器一般都是指大气层内飞行器，依靠空气产生升力进行飞行。

乔治·凯利的乔治·凯利（空气动力学之父）

1792年，他开始用一种玩具作一连串的试验，这就是从中国传到欧洲的“竹蜻蜓”。1796年，凯利在科学计算的基础上制作出第一个飞行器——相对旋转的模型直升机。1799年，年仅26岁的凯利设计出几乎已具备现代飞机主要部件的飞行器草图。乔治·凯利把这个草图刻在一个小银盘上。小银盘的一面刻着机翼上各种作用力的说明，另—面刻着飞机草图，这个银盘现藏于伦敦科学博物馆。但困扰凯利多年的问题就是没有合适的动力，当时的蒸汽机又大又笨重，根本不可能将凯利的飞机送上天空，所以凯利这个方案仍旧以扑翼作为动力和产生升力的方式。但凯利的可贵之处在于他不满足对现有知识的掌握，而是通过不断试验来丰富自己的理论水平。1804年凯利研究鸟的推动力，在旋转臂上试验了一架滑翔机模型。不久，他把带翼的抛射体发射到海上。几乎与此同时他还设计了一架复合式飞机，轮车上装有固定翼，在翼尖上有扑翼。1807年，凯利研究热气发动机和另外一种采用火药的发动机。1808年，凯利研制了“旋翼”和“桨轮”飞机，并于同年设计了一架扑翼机。1809年，凯利开始研究鱼与我们今天所说的流线型的关系，成功地制造出航空史上第一架全尺寸滑翔机并进行试飞。 1809年，他的题为《论空中航行》的论文在自然哲学杂志上发表。在该论文中，他提出了十分重要的科学论断：1.为作用在重于空气的飞行器上的四种力——升力、重力、推力和阻力下定义；2.确定升力的机理是与推力机理分开的。至此，凯利已认识到鸟类翅膀不仅具有推进功能，也具备了产生升力的功能。人类飞行器如果用不同装置分别实现上述功能，将会比单纯模仿鸟类的飞行动作进行飞行容易得多。这一重要发现奠定了固定机翼形式的飞机的基本构思和理论基础。他在论文中一再强调，制造固定翼飞机的重要性，详尽地勾勒出现代飞机的轮廓，对空气动力学理论的产生和形成做出了重要贡献。他描绘出固定翼、机尾、机身以及升降舵等操纵面，解释了机翼的作用，并指出适当的安定性要从精心设计翼面使其有一点点角度获得；接着他又提到飞行器必须迎风而起，必须有垂直的和水平的舵面。凯利的论文还阐述了速度对升力的关系，机翼负荷、张力、重力的减轻，甚至内燃发动机的原理以及流线型对飞行器设计的重要性等等。在他的学说中，有一段阐述飞行器基本原理的论述，在今天看来依然十分精辟和准确，即：“机械飞行的全部问题是向一块平板提供动力，使它在空气流中产生升力，并支持一定的质量。”他的《论空中航行》的论文被后人视作是航空学说的起跑线。 直到1848年凯利75岁高龄，轻质量的合适的发动机仍杳无音信，他感到时日无多，惟一可试一试的只有无动力载人飞行，也就是用滑翔机飞行，来证实他的空气动力学理论。于是在1849年，他造了一架三翼滑翔机，让一名10岁的小孩坐在一只吊篮里，从小山上滑下来，一些人用绳子拉着滑翔机，飞机竟迎着微风飘飞了一段距离。这是人类历史上第一次载人滑翔机系留牵引飞行。1853年，凯利又造了一架滑翔机，并装上了灵巧的刹车杠杆，进行历史上第一次有人乘坐的重于空气的航空器升空自由飞行。这次他把家中的马车夫放在驾驶室里，究竟飞了多远，没有明确的记录。有趣的是，马车夫从飞机上下来后，竟辞职不干了。他说：乔治爵士，我想请你注意，我是你雇来赶车的，不是来飞行的。当年，他写了一篇描述无人驾驶滑翔机飞行的文章，送到法国航空学会，题目是《改良型1853年有舵滑翔机》。1971年，一位英国飞行员史泼劳中校，完全依照凯利遗留下来的笔记，造了一架与当年完全一样的滑翔机，飞得十分成功，证明了118年前凯利的设计是如何的成功。1858年，凯利84岁，临终前仍在工作间内敲敲打打，希冀制成一台轻质量的发动机，然而终无所成。凯利的研究工作，特别是他的论文《论空中航行》，在航空发展史上占有重要的地位，100多年来，一直被翻印转载，被后人视为航空学说的经典。飞机发明人之一的奥维尔·莱特1912年曾说，他们的成功完全要感谢这位英国绅士在100年前写下的重于空气的飞行器的理论。他说，“乔治·凯利爵士所知道的有关航空原理可以说前无古人、后无来者，直到19世纪末叶，他所出版的作品毫无错误，实在是科学史上最伟大的文献。”威尔伯·莱特也说，“我们设计飞机的时候，完全是采用凯利爵士提出的非常精确的计算方法进行设计计算的”。凯利不但对航空有兴趣，他还为大不列颠设计了海军大炮炮弹，在拿破仑战争时期得到应用。1807年，他发明并获专利的热力发动机，为工业界所广泛运用。1825年，凯利又设计了一种装辐条的车轮用于滑翔机上，这一发明至今仍为自行车所采用。此外，他还发明过自动铁道刹车装置，且在声学、光学、电学以及下水道工程等方面，有不少有价值的贡献。1857年12月15日，凯利在约克郡布鲁姆顿去世。临终前不久，他曾写下这样两句话：“给你，查看笔记的朋友！我已去了，愿你在这些涂鸦中寻找出智慧的火种。”

无人机动力系统理论知识

无人机动力系统

航空器的发动机以及保证发动机正常工作所必需的系统和附件的总称

无人机使用的动力装置主要有活塞发动机、涡喷发动机、涡扇发动机、涡桨发动机、涡轴发动机、冲压发动机、火箭发动机。电动机等。目前主流的民用无人机采用的动力系统通常为活塞式发动机和电动机两种。

活塞式

活塞式发动机也叫复式发动机，由气缸、活塞、连杆、曲轴、气门机构、螺旋桨减速器、机匣等组成主要结构。活塞式发动机属于内燃机，它通过燃料在气缸内的燃烧，讲热能转变为机械能。活塞式发动机系统一般由发动机本体、进气系统、增压器、点火系统、燃油系统、启动系统、润滑系统以及排气系统构成。

1.进气系统

进气系统是活塞式发动机的动脉，为发动机提供燃烧做功所需的清洁空气和燃料，并且油气的混合也是在这里完成。活塞式发动机进气系统的作用是：将外部空气和燃油混合，然后把油气混合物送到发生然手的`气缸。外部空气从发动机罩前部的进气口进入进气系统。这个进气口通常会包含一个阻止灰尘和其他外部物体进入的空气过滤器。

小型活塞式发动机通常使用两种类型的进气系统：

(1)汽化器系统

汽化器本质上是一根管子。管子中有一个可调节板，称作节流板，它控制着通过管子的气流量。管子中有一点较窄，称作文丘里管，在此窄道中气体流速变快，压力变小。该摘到中有一个小孔，称作喷嘴，汽化器通过它在低压时吸入燃料。

(2)燃油喷射系统

燃油喷射系统即电子燃油喷射控制系统，以一个电子控制装置为控制中心，利用安装在发动机不同部位上的各种传感器，测得发动机的各种工作参数，按照在电脑中设定的控制程序，通过控制喷油器，精准地控制喷油量，使发动机在各种工况下都能获得最佳浓度的混合气。

2.增压器

增压器是一种用于活塞式发动机的辅助装置。发动机产生动力的条件是空气中氧与燃料的燃烧，由于在一定大气压力下单位空气的含氧量是固定的，同时一般的自然进气发动机是依靠活塞运动产生的压力差将空气或空气与燃油的混合气吸进气缸，压力差有其上限，使得自然进气发动机的动力被大气压力局限，所以有了增压器的使用。装设增压器能提高发动机进气的压力，以增加其中氧气的含量，通常可以使同排气量的发动机增加20%~50%甚至更高的输出马力;最新的增压器技术，能大幅降低油耗。

3.点火系统

点火系统是用于点燃燃料-空气混合的系统。点火系统应产生足够能量的高压电流，准时和可靠地在火花塞两电极间击穿，使火花点燃发动机气缸内的混合气，并嗯呢该自动调整提前点火角，以适应发动机不同工况的需求。

点火系统的种类繁多。早期的航空活塞发动机采用由飞轮磁电机、点火线圈、白金触电断电器和火花塞组成的点火系统。随着电子技术的发展，当前的无人机活塞发动机多采用可控硅无触点电容放电式点火系统。电容放电式点火系统由霍尔效应传感器、点火控制盒、点火线圈和火花塞组成。

4.燃油系统

活塞式发动机燃油系统由邮箱、油泵、燃油过滤器、汽化器或燃油喷射系统组成。燃油系统是设计用来提供持续的从油箱到发动机的洁净燃油流量。燃油在所有发动机功率、高度、姿态和所有核准的飞行机动条件下必须能够供给发动机。无人机系统一般使用两种常规类别的燃油系统：重力馈送系统和燃油泵系统。重力馈送系统使用重力来把燃油从油箱输送到发动机。如果飞机的设计不能用重力输送燃油，就要安装燃油泵。

5.启动系统

要使发动机由静止状态过渡到工作状态，必须先用外力转动发动机的曲轴，使活塞做往复运动，气缸内的可燃混合气体燃烧膨胀做功，推动活塞向下运动使曲轴旋转，发动机才能自行运转，工作循环才能自动进行。因此，曲轴在外力作用下开始转动到发动机开始自动运转的全过程，称为发动机的启动。完成启动过程所需的装置，称为发动机的启动系统。

不同型号发动机启动系统的结构形式存在区别，但基本原理都是类似的。大型活塞发动机启动系统的部件均安装在发动机上或其附近，与发动机有关部件连接传动。气缸总容积小于500ml的活塞发动机多采用独立式启动系统。