无人直升机动力装置及其控制系统研究概述

贺薇

航空工业直升机设计研究所

无人直升机在军用和民用领域中占据着不可或缺的作用，而其动力系统的控制则是影响无人直升机性能的重要因素。本文针对不同类型无人直升机配装的电动机、航空活塞发动机和涡轴发动机进行了介绍，并对各动力装置的控制系统研究及其发展方向进行了分析。

无人机是在地面操控飞行或自主控制飞行，包含地面遥控系统和通信系统的无人飞行器。无人直升机作为无人机的一种，相较于固定翼无人机，具有可垂直起降、起降距离短、可空中悬停等优势，主要运用于侦察、目标截获打击、物资运输等军事用途，以及航拍观光、农业植保、快递物流、资源勘探等民用领域。

无人直升机主要采用电动机、活塞式航空发动机和航空涡轴发动机作为动力来源。电动无人直升机主要采用锂电池、氢燃料电池等驱动，由于电池本身特点，存在续航能力弱、维护成本高等缺点，主要用于微小型无人直升机；航空活塞式发动机主要通过活塞压缩气体做功输出动力带动桨叶，具有经济性好、低空性能好、功重比低等特点，广泛用于低空较大重量的低速无人直升机上；航空涡轮轴发动机作为燃气涡轮发动机的一种，通过自由涡轮连续做功输出轴功率带转旋翼，具有输出功率大、高空高速性能好等特点，主要配装大型无人直升机。基于不同的动力装置，其控制系统也存在显著差异。本文将基于动力装置及其控制系统的国内外研究现状和发展进行分析。

电动机

电动系统由电池、电机和电子调速器组成，直接驱动或通过传动系统驱动主旋翼及尾桨。为电机提供能源的电池主要为锂聚合物电池或氢燃料电池。其中，锂电池功率密度高、能量密度低，目前广泛应用于无人直升机动力系统中，而能量密度高的氢燃料电池则是有望提高电动无人机续航能力的利器。电机可采用无刷直流电机、永磁交流同步电机等，在运行过程中，电能的输出功率或输出效率由所需轴功率、转速或扭矩以及其他运行环境条件决定，可通过分析手段得到较为精确的线性模型。

表1 无人直升机主要动力装置类型及特点。

电机和控制器建模有两种主要方法：功率损耗方法和等效电路方法。功率损耗方法是在电动机和控制器内基于其基础物理模型或经验模型，对每个物理功率损耗量进行建模，等效电路方法则是通过熟悉的电子元件组成简化的电路代替电动机和控制器建模。基于不同电机控制系统有不同的控制方法，王书礼等专家提出对无刷直流电机采用电流和转速的PID双闭环控制方法，起动过程具有响应快、无超调、速度平稳等特点。Bolognani等对永磁同步电机应用了电流和转速组合控制的模型预测控制MPC算法，MPC在限制电流和电压限制、限制扭矩扰动效应上表现出色，但也存在临界状态稳定性差等不足。

对于电动机的控制主要是实现稳定和高效的电能输出。而电动无人直升机不仅需要稳定的飞行性能，还需要更长航时、更远航程及更高升限，电动无人直升机的发展将大程度基于电池技术的发展革新。

以色列Steadicopter公司研发的Black Eagle 50是由电动机驱动的无人直升机，可搭载的有效载荷为5kg，该无人系统已被以色列民航局 (CAAI) 授权在民用空域进行商业使用。在国内，D-50是由北航直升机研究所自主研发的电动共轴无人直升机，采用了12S锂电池，已于2018年3月完成首飞，最大起飞重量达60kg。EH-3无人直升机由北方天途自主研发，采用锂聚合物电池驱动，最大起飞重量16kg。

航空活塞式发动机

以色列Steadicopter 公司研发的Black Eagle 50 无人直升机。

AR500C无人直升机已完成高原首飞。

航空活塞式发动机具有经济性高、油耗低、低速性能高等优点，广泛运用于各型动力设备中。航空活塞式发动机主要采用汽油或重油（轻质柴油或航空煤油）作为燃料。由航空工业直升机所研制设计的AR500C无人直升机采用汽油作为燃料，以活塞式航空发动机作为动力，最大起飞重量为500kg，最大起飞高度5000m，使用升限6700m，是国内首款高原型无人直升机。卡-137是由俄罗斯卡莫夫飞机设计局研制的共轴双旋翼多用途无人直升机，采用赫斯2706-R05活塞式发动机，功率50kW，升限5000m，续航时间4h，有效载荷80kg，可用于巡逻、侦察、应急、森林防火等军用和民用领域。

广泛使用的传统活塞式汽油发动机，由于汽油闪点低、易挥发，易于在缸内点燃，一般采用化油器、火花塞点火等燃烧控制技术。因为重油相较于汽油，密度和闪点更高、高空性能更稳定、安全性更高、通用性更强，活塞式重油发动机的应用前景更为广阔，但同时重油也存在着雾化性能差、抗爆性较差、点火较为困难等问题。国内外学者针对以上问题开展了大量研究。重油航空活塞发动机通过采用空气辅助喷射、缸内直喷等技术提高其点火性能；通过优化控制器算法，控制起动油量，改善冷起动性能。

活塞式发动机通过涡轮增压、缸内直喷、动态点火控制等关键技术提高其燃烧特性、降低发动机耗油率，通过电控系统控制策略和控制参数的优化，进一步提高活塞式发动机，尤其是燃用重油的动力性能。

航空涡轴发动机

波音的A160T“蜂鸟”无人直升机旨在为地面部队提供战场支持，升限达约9000m，配备一台普惠PW207D涡轴发动机，该无人直升机在2002年首飞，2012年被美军放弃。CL327“卫士”无人直升机由加拿大庞巴迪研制，最大起飞重量为350kg，由一台威廉姆斯WTS-125涡轴发动机提供动力，主要用于巡逻、侦察和信息传输。

涡轴发动机作为涡轮发动机中的一种，其气动热力过程、机体结构等同等复杂。发动机在全包线范围运行时能否达到给定状态最佳推力和耗油率，很大程度上取决与其控制计划及控制系统。其控制系统有机械液压式控制系统、机械电子混合控制系统和全权限数字式电子控制系统（FADEC）三种类型。其中FADEC系统主要由电子控制器（EECU）、传感器、执行机构及被控对象等部分组成。EECU是FADEC的核心组成，EECU需实时获取发动机参数，并通过内部算法和逻辑进行数据处理分析调整发动机状态，从而实现对发动机功率的最优控制。

由于发动机工作过程气动热力耦合且其工作环境差异大，其传递函数和状态方程复杂，发动机控制系统通过采用控制算法进行求解，从PID控制、最优控制算法发展到模糊控制算法、神经网络算法等智能控制方法，提高了发动机控制系统的鲁棒性和实时性。同时，发动机控制系统高性能建模仿真平台和技术也不断进步，如MATLAB/SIMULINK、基于模型的设计（MBD）和快速控制原型（RCP）等，提高了发动机控制系统性能，降低发动机控制系统开发难度和设计成本。

随着其他学科的发展及技术的进步，国内外学者针对发动机控制系统不同控制算法进行了改进。为优化PID控制算法，提出了基于蚁群算法、神经网络确定PID最优控制参数，提高PID控制器设计和实现效率。基于模糊控制算法和多目标遗传算法开发了包含慢车、巡航、大功率的全包线控制器，与原控制器相比减少了超调量和稳定时间。

CL327“卫士”无人直升机主要用于巡逻、侦察和信息传输。

当前航空发动机的控制系统还采用分布式控制、主动控制等，利用智能的控制算法和更先进的数据处理器，提高控制系统性能。数字信号处理器（DSP）是一种微型处理器芯片，可高速实时处理数值信号，广泛运用于音频信号处理、数字图像处理等系统中。南京航空航天大学的张天宏等提出一种基于数字信号处理器(DSP)和控制器局域网(CAN)总线的电子控制器核心电路模块的设计方案，采用相似PID算法，可作为飞/推综合控制、分布式控制等核心电路模块使用，具有灵活性好、计算能力强、运算速度快、数据传输速度快、通信可靠等特点。NASA格伦研究中心的Culley等提出了一种在涡轴发动机上使用部分分布式发动机控制系统代替传统的集中式结构，其中FADEC、燃料输送单元（FDU）、机上健康监测系统和飞行控制系统之间通过数字通信传输系统数据，其余传感器和执行器连接到以上4个主要控制系统之一，减轻了设备重量，提高了系统模块化和灵活性，降低了维护成本。

涡轴发动机控制的发展需通过先进的电子硬件、灵敏的作动器系统提高FADEC系统硬件的可靠性，并通过先进的控制逻辑和设计方法提高FADEC控制品质，实现发动机控制系统的智能化和综合化。

总结与展望

无人直升机根据其多应用场景功能性能要求，采用电动、航空活塞式发动机及涡轴发动机驱动。随着技术的发展，其动力装置形式也将不断丰富，如在固定翼无人机和载人直升机已有运用的混合动力，未来无人直升机也将在混合动力领域有所涉及，提高动力装置的燃油经济性、提高续航时间。而各型动力装置的控制系统将随着先进控制算法、高性能数据处理器的发展朝着更智能的趋势发展。 ■