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【新书推荐】《无人机动力》
背 景
无人机（unmanned aerial vehicle，UAV）是当今信息时代快速发展的一类航空高科技产品，凭借其对工作环境适应能力强、易于和互联网交互信息、设计自由度大、机动性能优异、性价比高等优势，近年来呈现爆炸式发展，已广泛应用于军事、民用的多个领域（图1），无人机及其相关技术也成为当前世界各国的研究热点。
动力系统是无人机的“心脏”，决定着无人机的载荷重量、续航时间、飞行速度、机动性等重要总体性能。动力系统由为无人机提供动力的装置及附件组成，包括能源、发动机、固定装置及辅助设备等。能源为动力系统提供初始能量，如燃油、电能等；发动机将燃油的化学能、电池的电能转化为机械能输出，用于直接产生推力或驱动螺旋桨等；固定装置将发动机及附件等固定在无人机上；辅助设备包括启动装置、润滑装置、散热装置等。发动机是无人机动力系统的核心，基于不同的应用场景和飞行任务，已发展成熟的用于无人机的发动机包括航空活塞发动机、航空燃气涡轮发动机、电动机、混合动力，以及适用于微型扑翼无人机的压电、电磁和静电等新原理微型发动机等。
航空活塞发动机利用燃料与空气在密闭的气缸内混合燃烧、膨胀做功，进而推动活塞运动，一般由活塞驱动螺旋桨旋转，再由螺旋桨产生飞行所需的推力或升力，如图2（a）。目前，无人机中应用的航空活塞发动机以四冲程往复式活塞发动机为主。图2（b、c）分别为Rotax 914F航空活塞发动机，及采用该发动机的美国“捕食者”（Predator）无人机。
航空燃气涡轮发动机包括涡轮喷气（涡喷）、涡轮螺旋桨（涡桨）、涡轮轴（涡轴）、涡轮风扇（涡扇）等。涡轮喷气发动机工作原理：新鲜空气经进气道进入发动机，由压气机压缩后在燃烧室中与燃料混合燃烧，高温、高压燃气进入涡轮膨胀做功，最后经尾喷管高速喷出，如图3（a）所示。通过改变功率输出的方式，涡喷发动机演变出不同类型：由涡轮驱动螺旋桨产生推力的是涡桨发动机；由涡轮驱动旋翼产生升力的是涡轴发动机；布置风扇、利用多个涵道产生推力的是涡扇发动机，图3（b、c）分别为AE3007H涡扇发动机，及采用该发动机的美国“全球鹰”（Global Hawk）无人机。
电动机利用电磁相互作用，将电能转换成机械能输出，驱动螺旋桨产生飞行所需的升力或推力。根据磁场换向方式的不同，电动机可分为有刷电机和无刷电机，如图4（a、b）所示。目前，无人机中应用的电动机主要为无刷电机。图4（c、d）分别为大疆2312无刷电机，及采用该电动机的大疆“精灵”（Phantom）无人机。
混合动力同时采用两种或两种以上的能源协同工作，现阶段无人机采用的混合动力主要为油电混合动力。根据混合动力的连接形式，混合动力系统可以分为串联式、并联式与混联式三种。以串联式为例（图5（a）），油箱为发动机提供燃料，发动机工作输出功率并带动发电机工作；发电机输出的电能可直接驱动电动机，多余电能也可以在电池、电容等储能系统中储备起来；最后，电动机驱动螺旋桨等功率输出装置，产生升力或推力。图5（b、c）分别为H2串联式混合动力系统，及采用该动力系统的“GAIA 160HY”无人机。
微型扑翼无人机（翼展小于15cm）采用的动力系统，主要包括电机动力系统，压电动力系统、直线式电磁动力系统和静电动力系统等。电机动力系统主要适用于翼展10cm及以上的扑翼无人机。目前，采用电机动力系统的微型扑翼无人机（Delfly Micro，翼展10cm，图6）已实现自主飞行。压电动力系统、直线式电磁动力系统和静电动力系统等均通过直线式驱动器输出高频往复振动，利用连杆和铰链等传动机构将驱动器的振动输出转换为翅翼结构的拍动和扭转运动，从而输出气动升力和推力，主要适用于翼展10cm以下的微型扑翼无人机。目前，采用直线式驱动器的动力系统仍处于研制状态，如图7中哈佛大学研制的微型扑翼无人机RoboBee、图8中北京航空航天大学研制的微型扑翼无人机。
内容简介
本书系统介绍了目前无人机使用的各类动力系统，内容涵盖从大型到微型无人机的动力，兼顾动力系统的工作原理及设计方法，介绍无人机动力学科的发展前沿。首先简要介绍无人机的发展概况及无人机的能源，随后针对航空活塞发动机、航空燃气涡轮发动机、航空电力推进系统及微型扑翼无人机的动力系统，系统阐述其工作原理、发展历史、设计方法及未来展望等，对比不同类型动力的技术特点，并以具体的无人机实例来介绍动力系统的性能特征和功能用途。
本书既可作为相关专业本科生、研究生的学习使用教材，也可供无人机动力系统研制单位的工程技术人员参考，还可以作为广大无人机爱好者的兴趣读物。
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《无人机动力》
闫晓军 黄大伟 王占学 马洪忠 编著
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作者简介
闫晓军，北京航空航天大学教授，教育部“先进航空发动机协同创新中心”常务副主任，航空发动机结构强度北京市重点实验室副主任，AIAA Technical Committee Member，《航空动力学报》编委，现任北航能源与动力工程学院党委书记。主要从事飞行器动力方面的教学和科研。曾获全国百篇优秀博士论文、教育部新世纪优秀人才支持计划、首届航空强国中国心教育基金特等奖、国防科技工业优秀博士，北京市教学成果一等奖，教育部科技进步二等奖、湖南省国防科技进步一等奖、北京市五四奖章、北京市教育创新标兵等奖励，出版《涡轮叶片疲劳》、《典型航空发动机结构对比与分析》、《形状记忆合金智能结构》等专著，发表科技论文100余篇、授权发明专利20项。
黄大伟，北京航空航天大学卓越百人博士后，主要从事飞行器动力结构强度方面的研究工作。主持国家自然科学基金青年基金、中国博士后科学基金特别资助等项目，曾获教育部科技进步二等奖、博士研究生国家奖学金等奖励，发表SCI收录论文22篇，授权发明专利6项。
王占学，西北工业大学长聘教授。现任西工大动力与能源学院院长，兼任“两机”专项基础研究某专业组副组长，军科委某动力专业委员会专家，“推进技术”期刊副主编。主要从事航空发动机总体性能及飞机/发动机一体化方面的教学和科研工作。入选国家百千万人才工程，被授予“有突出贡献中青年专家”称号，曾获国家技术发明二等奖1项，国防科技进步二等奖2项，出版工信部“十二五”规划教材《新型喷气发动机技术》等教材和专著，发表学术论文50余篇、授权发明专利10项。
马洪忠，中国航天三院无人机所所长，长期奋战在无人机和导弹武器装备一线，负责多型无人机研制，现任“天鹰”无人机总师，兼任军委科技委智能无人系统专家、军委装备发展部无人系统专家，武警装备智能化专家，中国电子学会智能无人系统分会副主任委员，中国航空学会青年委员会委员，中国宇航学会任务规划专业委员会副主任委员、无人机专业委员会和导航与控制专业委员会委员，《宇航学报》《无人系统技术》《战术导弹技术》编委。先后获得国家科技进步奖、国防科技进步奖等多项奖励，享受国务院特殊津贴。
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