搜索
微信公众号: paracncom
查看: 824|回复: 1

[心得交流] 再谈电动多轴旋翼无人机产品能效:提高2倍将有何结果?

[复制链接]
发表于 2018-5-10 01:22 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 有容乃大 于 2018-5-10 01:31 编辑

再谈电动多轴旋翼无人机产品能效:提高2倍将有何结果?

有容乃大

西安五一节集群无人机表演出现乱码和连续坠机事件给我们的警示 据新浪,腾讯等网站最近报道:5月1日,1374架无人机在西安城墙南门编队飞行表演,摆出西安城墙、丝绸之路、四十周年等图案,创下“数量最多无人机表演吉尼斯世界纪录”。不过,一些网友从现场拍到的视频显示,五一节当天演出现场出现意外,图案的左半部分变成了“乱码”。还有手机视频记录到相当数量无人机随即纷纷坠落的场景。有报道怀疑有人故意干扰。也有不具名人士网上评论:“要实现编队飞行还需要射频通信技术使每个独立飞行的无人机实现相互配合的飞行动作,这次不理想的效果有可能就是由于这个环节出现了问题,成因可能有现场电磁阀环境的因素,也不排除有流程操作因素。”云云。
   作者根据有关报道及坠机视频记录的观察认为:演出电磁环境是事先彩排成功演练实践检验过的,不存在短期改变情况。操作流程也是演练成功的。演出方公关在没有确切证据情况下指控有人故意“定向干扰”破坏,更像是草木皆兵扑风捉影的无端猜测。何人为何搞干扰?“定向干扰”何以会造成随后连续坠机(在其它“正常”无人机继续空中编队之时)?!视频记录所显示的:有相当数量无人机没有能量动力按预定程序指令爬升到预定高度悬停在指定位置足够时间,随即纷纷从空中加速垂直落地并弹起的景象,按常识分析,正是部分参演电动旋翼无人机电能(指动力电能,照明电能似乎足够,下坠过程灯一直亮着)不足的典型表现。现场没有发生人员被砸伤的情况,可算是这次事件不幸中的万幸了。显然,此次事件是演出方对于所使用无人机的电能储备状况检查准备不足,在先一天成功彩排获得吉尼斯纪录认证后,没有能给每个再次参演的无人机补充足够的电量(或更换老化的电池),忘记了目前电动多轴旋翼无人机的最大技术短板:能效低,续航时间有限,所受到的应得教训。这次事件发生在集群无人机灯光表演(据说经济效益特别高)正待流行的关口,无疑给了人们一个警示:不仅起飞重量大的专业电动多轴旋翼无人机存在能效低,续航时间短的问题;即便对于有效载荷仅仅是照明电池和LED灯的超轻载荷电动多轴旋翼无人机,提高能效增加续航时间也是一个关系产品生死的要务


小型函道风扇并非可行的技术出路 前不久见无人机网新闻:“…4月20至22日,一款造型酷似迷你“电饭煲”的微小型涵道风扇无人机产品亮相第十九届中国国际模型博览会。…该团队结构工程师赵天龙表示,区别于当前无人机市场上占主导地位的微小型四轴、六轴多旋翼无人机,该款无人机以涵道风扇为结构主体和动力系统,其动力系统采用类似运载火箭的飞行原理,通过涵道内部和尾部的导流板、舵面来实现无人机的姿态稳定控制,动力效率比传统无人机高30%。”作者以为,尽管有30%能效提高,该技术要求放弃多轴旋翼采用的各轴电机差动方便操控飞行的优势,改由靠舵机操控内部导流板舵面;还要增加风扇外部圆筒函道结构,显著增加平飞时阻力截面积,显然不是目前电动多轴旋翼无人机提高产品能效的可行技术选择。

目前电动多轴旋翼无人机产品能效提至5倍不是梦(据理论原创者) 作者在上篇文章“升力旋翼功率和节能优化问题探讨”[1]中,曾指出:“旋翼无人机悬停功率没有理论最佳值。没有最好,只有更好。当前国内电动多轴旋翼无人机产品的能效提高大有可为。”具体有多大余地,该文没有明确给出。作者最近与理论原创者谭教授探讨得知:和当前产品实际能效数据相比,从理论计算通过旋翼全新设计与配套电机参数优化,在电机效率不变的情况下,把能效从当前产品水平提高100%甚至到5倍是完全可能的。和涵道风扇结构比,升力旋翼的节能优化设计可获得能效提高远超其30%的增加效果,也不必增加旋翼外套和失去多轴旋翼飞行控制简便的优点。有关能效从当前产品水平提至5倍的具体理论依据和计算,以及节能优化设计具体结果,谭教授准备留待与未来的合作厂家个别交流,将在与厂家合作申报专利后再由作者发表做普及宣传。考虑到电动多轴旋翼无人机产品节能优化升级的重要性和紧迫性,是任何无人机操控软件升级所无法替代的基础飞行平台技术发展一条必由之路。委托作者撰写本文以提高能效(升力/功率比)2倍为例,讨论2倍能效的提高能为当前的电动多轴旋翼无人机带来哪些结果,希望引起国内电动多轴旋翼无人机行业生产厂老总们对节能优化升级问题能感兴趣和关注,愿意出头予以合作实施。


现有多轴旋翼无人机产品能效水平  物理学无法给出悬停的直升机理论最低有效功率,正像举重物不动时,虽然运动员全身不断耗能,物理学却不能给出到底理论耗能应该是多少一样。但是,我们可以,也应该比较悬停时不同多轴旋翼无人机每单位功耗所能产生的升力的相对大小。即悬停升力/功率比,是一个可被用来比较现有多轴旋翼无人机产品能效水平的客观可测量技术数据。
    作者发现,现有电动多轴旋翼无人机产品的生产厂家网站公布的自己产品的主要技术数据中,基本都没有提供该项数据。只能根据所提供的起飞重量,标称电机功率等数据来推算,准确性可比性较差。而通过网上查询目前用于无人机的无刷直流电机厂家公布的产品技术数据,查到若干厂家提供的5个型号(0.75,0.95,1.23,2.9,3.3千瓦)产品与配套螺旋桨一起做的 升力/功率比 (以 克重/瓦 为单位,有的厂家名为”力效”,有的称”效率”,有的称为”能效”)实测数值,认为可用以作为当前电动多轴旋翼无人机产品能效水平的客观表征,见表1:(均随电机输出功率比相关,在最大功率时数值最小)
表1:无刷直流电机与配套螺旋桨             悬停升力/功率比 实际测量数值   (单位:克重/瓦)   
电机功率( 千瓦)  电机重(千克)电机每瓦重(克/瓦)  30%功率能效      100%功率能效   
  0.75          0.16            0.21                15.3                5.37         
  0.95         0.238            0.25                7.85                4.95      
  1.23         0.36             0.29                12.58               5.27      
  2.9          0.695            0.24                7.05                4.98      
  3.35         0.695            0.21                6.33                4.54     

  从表1可见,目前产品0.75—3.35千瓦电机配套螺旋桨后满功率的能效(悬停升力/功率 比)基本在4.54—5.37克重/瓦水平。   
   如果取5克重/瓦 作为当前多轴旋翼无人机产品的能效水平,从消费航拍,物流,植保到载人的各种可能应用,分别考虑5--300千克4种总起飞重量的产品(按当前电机和电池制造水平:电机0.25-0.3克/瓦,锂电池 5克/瓦时,大致估算其重量),续航运行功率(假定为悬停功率1.25倍),按0.5小时续航时间,整机大致重量分配及有效载荷重量,见表2:
表2:5克重/瓦 能效水平  电动多轴旋翼无人机产品    续航30分可能的整机重量分配                                   
总重(千克)电机功率 (千瓦)电机重(千克)续航时间(小时) 电池能量(瓦时)电池重(千克)有效载荷(千克)
     5             1.25          0.4           0.5              625            3.125          1.2         
    15             3.75          0.9           0.5             1875            9.375           4         
    30             7.5           1.8           0.5             3750            18.75           8         
   300             75            20           0.5            37500           187.5           80         

   发现若要保持续航半小时,电池重量要占到总起飞重量62.5%。所以植保无人机因为载重大,总电池重量及成本大,尽管作业开始到终结总重量减少很多,还是只能选择按15分钟作业时间所需能量来设置电池重量和整机重量及载荷。而要载人的总重300-400千克无人机,恐怕想维持45分钟续航所需的电池重量和价格成本会相当惊人,乘客心理压力不可小觑。


能效提高2倍将有何结果 如通过旋翼全新设计与配套电机参数优化把能效提高2倍,悬停升力/功率比达到10克重/瓦,假定电机效率不变,续航运行功率假定为悬停功率1.25倍,则上述4种起飞重量的无人机整机大致重量分配可相应变为(表:3):
表3:10克重/瓦 能效水平  新型电动多轴旋翼无人机产品    续航30分可能的整机重量分配         
总重(千克)电机功率 (千瓦)电机重(千克)续航时间(小时) 电池能量(瓦时)电池重(千克)有效载荷(千克)
     5          0.625            0.2           0.5            312.5             1.563          2.8         
    15          1.875            0.45          0.5            937.5             4.69            8        
    30          3.75             0.95          0.5            1875             9.375           18         
   300          37.5             10            0.5           18750            93.75           185        

   可见:由于旋翼电机配套能效提高2倍,电机功率,电池容量减半,重量减半,可以大大减少制造成本,提高有效载荷。还可以选择增加电池续航时间,为产品使用者设计者提供了更多的选择可能性。若当能效提高大于2倍,甚至达到5倍,其结果和深远影响读者可以自行估计和设想。(注:像亿航白鹭的西安千架集群无人机表演在前一天彩排成功获得吉尼斯记录认证,五一节正式表演却出现局部编队乱码和随即连续坠机事故的尴尬事件,估计就可以彻底避免了。)


小企业无心投入提高产品能效的基础性创新 在文章[1]后记中,曾呼吁:国内电动多旋翼直升机制造企业领导或研发部门有关专业人士,如对“电动多轴旋翼直升机节能优化问题”感兴趣,欢迎与本文理论原创者:退休的物理系教授谭博士 通过电子邮件 tandagang@yahoo.com直接联系,探讨交流对未来产品的能效改进的有效措施。据谭教授反馈:文章发表至今近两月尚无人联系。曾直接给几个网上查到的植保无人机厂家客服电子邮箱发信寻求合作提高产品能效的邮件,也没有回复。某植保无人机厂家老总在经作者朋友介绍该文章后,曾回应说:“该计算公式早就知道!”言外之意即谭教授的推导公式虽然无误,但却看不到当前无人机能效有何改进的可能和必要,不屑与之联系。真是当局者迷,令人唏嘘! 作者站在这些小厂老板立场考虑,也理解他们在每日行业市场激烈竞争和股东追求资金回报压力下,没有精力和能力考虑和实施对基础性技术作创新性研究改进。当前绝大多数制造企业都是要等到新技术被证实和普及后,他们才去跟风采用。对此谭教授也表示完全理解。尽管如此,深信固定翼飞行理论经受过客观实践检验的数据的可靠性,物理数学推导结果的正确性,面对理论计算可能达到的升力/功率比数值与网上所查道的目前直流无刷电机与配套螺旋桨产品实测数值之间的巨大差距,他感到做一个物理研究者强烈的社会责任,不愿再坐视旁观无动于衷,决定暂时放下扑翼飞行理论计算研究,全力投入促进合作厂家实现电动多轴旋翼无人机产品能效的大幅度提升。

电动多轴旋翼无人机领域的“姜子牙”在等候“周文王”出现 面对眼前现实,谭教授对作者表示:要不忘初心,以袁隆平院士把每亩水稻单产一吨普及推广为己任的精神为榜样,把推广普及多轴旋翼无人机产品能效提高至现有水平5倍作为当前奋斗目标。已经按现有产品提高至5倍能效计算设计了0.5—300公斤总起飞重量系列化新型旋翼以及配套电机各项相关技术数据,准备好了相关专利申请文件,就等厂家来联系合作实施。无法和袁院士的团队资金和名望相比,他自嘲是深山垂钓的“姜子牙”在等候多轴旋翼无人机领域的“周文王”出现,说一旦有厂家联系就一定通知作者。

期待和展望 作者很好奇:当前国内上百家相关企业领导,谁能高瞻远瞩,放下身段来联系我们的“姜子牙”,在其辅佐下扛起“大幅提高基础飞行平台能效的技术创新大旗”,一统天下,最终成为多轴旋翼无人机领域的“周文王”?抑或一个长期置身企业之外旁观的飞行运动爱好者飞行理论研究者,虽然研究把固定翼飞行理论应用在升力旋翼,驱动螺旋桨,扑翼飞行的相关原理及技术参数关系理论计算有自己的独立成果,大有心得,毕竟是非航空专业出身的已经退休多年的物理学教授,能否成功变身为旋翼无人机领域甚至飞行运动器械生产领域战场上“姜子牙”的角色? 作者相信,只要他们能够在茫茫人海中相互找到建立联系,就会一切自明了。让我们满怀期许,拭目以待,耐心等候电动多轴旋翼无人机产业界的“周文王”及早找到“姜子牙”,在“中国制造2025”的大环境中演出一场电动多轴旋翼无人机产品甚至飞行运动产品升级的“封神演义”吧!(完)
                                         2018年 5月10日 发表于新浪博客 和 中国滑翔网/论坛/硬翅飞行
参考文章
[1] 升力旋翼功率和节能优化问题探讨    本作者       3月20日网上发表
  链接http://bbs.paracn.com/t-57274-1-1.html 或  http://blog.sina.com.cn/s/blog_776ce1db0102xlxz.html
发表于 2018-5-10 08:53 | 显示全部楼层
以上信息发自手机版论坛
您需要登录后才可以回帖 登录 | 注册

本版积分规则

小黑屋|滑翔中国 ( 粤ICP备13044421号 )

GMT+8, 2018-11-16 20:41

网站事务联系:service@paracn.com   微信公众号: paracncom

Discuz! | PARACN.COM 滑翔中国 © 2006-2015  

快速回复 返回顶部 返回列表