一种消防灭火单旋翼混合动力无人直升机及使用方法

本发明涉及无人机，尤其涉及一种消防灭火单旋翼混合动力无人直升机及使用方法。

背景技术：

1、单旋翼直升飞机是一种以单一旋翼为主要升降力源的飞行器。旋翼位于飞机的顶部，这个旋翼通过旋转产生升力，使得飞机能够垂直起降。单旋翼直升飞机常用于各种任务，包括运输、医疗救援、搜救、警务巡逻等。由于其垂直起降的能力，它们可以在空间有限的地方执行任务。旋翼直升飞机可以通过改变桨叶的攻角来调整升力。增加攻角会增加升力，而减小攻角则会减小升力。这一过程通过飞机的飞行控制系统实现。

2、消防无人机一般可执行火场地形测绘、火势监控追踪、重要物资投放、喷水灭火、投射灭火弹等任务。在大面积消防作业时，直升机通过倒水或投掷灭火材料实现灭火，目前采用的有人驾驶的直升机在灭火时飞行高度较高，这会导致准确度低，效率低。采用无人机能够减少消防人员的自身危险，并且能够在火场低空作业，提高灭火精度。传统的燃油直升机在低空火场环境下由于氧含量低导致发动机燃烧不充分，颗粒物多容易阻碍发动机进气，导致发动机无法正常工作，严重时会导致发动机无法工作导致坠机。。

3、纯电动无人机具有载重量小、运输效率低、续航时间短等缺陷。适合勘测、监控火情等任务，但难以承担倒水或携带大量灭火物资进行灭火的工作。

4、目前用于汽车领域的混合驱动系统的结构和控制都需要离合器和多档减速器来满足不同行使阶段下对牵引力的需求，对于负载限制较高，但飞行模式较为单一的消防直升机来说并不适用，同时汽车上使用的喷油量控制系统和含氧量监测装置无法监测到环境中空气含氧量的变化，对于需要进入空气氧含量变化大的火场的消防直升机，该系统无法帮助直升机规避风险。

技术实现思路

1、本发明主要解决的技术问题是提供一种消防灭火单旋翼混合动力无人直升机机使用方法，解决火灾对发动机性能影响，导致灭火高度高不能很好达到灭火效果，及在极端火场环境中单一动力无人机安全性差的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种消防灭火单旋翼混合动力无人直升机，包括直升机本体、动力机构、供气系统、消防设备模块、尾桨和起落装置,其特征在于：

3、所述直升机本体用于固定安装动力机构、供气系统、消防设备模块、尾桨、起落装置和控制系统，所述控制系统与远程控制终端进行无线通信并控制动力机构、供气系统、消防设备和尾桨进行运行；

4、所述动力机构包括共轴连接的发动机和电动机，共同用于无人机的动力输出，带动旋翼旋转提供升力；

5、所述供气系统通过实时检测发动机进气的氧气量和排气的氧气量监测发动机的工作状态，并通过实时监测电动机的电流和转速监测电动机的工作状态；

6、所述消防设备模块用于执行消防灭火任务，投射灭火材料；

7、所述尾桨用于平衡机身的姿态，固定于机身尾部；

8、所述起落装置用于降落时对直升机本体的支撑。

9、进一步的，所述电动机为双出轴，其一端使用联轴器与发动机的输出轴连接，其另一端与单档减速器的一端连接，单档减速器的另一端与主旋翼连接。

10、进一步的，所述发动机通过供油系统与油箱连通，所述电动机通过供电系统与动力电池组连接。

11、进一步的，所述供气系统包含进气口含氧量检测装置、气压传感器、温度传感器、排气口含氧量检测装置，气压传感器检测进气压力，温度传感器检测环境温度，进气口含氧量检测装置和排气口含氧量检测装置均采用二氧化锆氧含量传感器，二氧化锆氧含量传感器的一侧通入已知氧浓度的气体，另一侧通入进气口气体和排气口气体，从而获得空气氧含量，并把进气压力、环境温度和空气氧含量发送到控制系统。

12、为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种消防灭火单旋翼混合动力无人直升机使用方法，其步骤是：

13、在起飞阶段下，无人机在停机点上由静止加速到起飞，并在空中爬升到安全高度的过程中，由发动机提供动力带动螺旋桨转动；

14、在爬升阶段下，无人机从飞行安全高度开始，按一定的爬升速度和爬升角飞行的过程中，由发动机和电动机共同提供动力带动螺旋桨转动；

15、在进入灭火任务区域，无人机从安全高度逐渐下降至执行任务高度，投放灭火材料，并根据进气口气体的含氧量调整发动机的进气量和喷油量保证发动机的工作；

16、在完成任务后的爬升阶段，无人机再次爬升至安全高度的过程中，根据进气口气体的含氧量确定发动机是否进入工作状态，是，则由发动机和电动机共同提供动力带动螺旋桨转动，否，则由电动机提供动力带动螺旋桨转动；

17、在离开火灾区域阶段，由发动机和电动机共同提供动力带动螺旋桨转动。

18、进一步的，所述电动机采用恒转速模式工作，所述发动机的转速由电动机决定，发动机提供力矩输出。

19、进一步的，所述进气氧气量由下述方法决定：进气氧气的质量m由公式m=(p1v1m0γ)/(rt1)计算得到，其中p1为通过气压传感器实时检测气压值，v1为正常的环境中飞行通过空气流量计测出空气流量，m0为氧气摩尔质量，γ为进气口含氧量检测装置实时测量环境进气的含氧体积浓度百分比，r为气体常数，t1为通过温度传感器实时测出温度值；所述喷油量由下述方法决定：喷油量m’由公式m’=mβ计算得到，β为空燃比由发动机控制器按预设值查表得到。进一步的，通过进气口含氧量检测装置获得空气的含氧量，在含氧量未下降到一定阈值时，控制系统按照含氧量调整油气比保证发动机的工作，含氧量下降到阈值下时，关闭进气口并停止发动机工作。

20、进一步的，在飞行过程中实时测量环境进气的含氧量和发动机排气的含氧量，若发动机的进气和排气含氧量的变化不大，提示发动机出现故障，此时会进入应急处理过程。

21、进一步的，在飞行过程中实时测量监测电动机的电流和转速，若电动机电流出现突变并超过阈值时，提示发动机出现异常情况，此时会进入应急处理过程。

22、进一步的，所述应急处理过程为：强制释放灭火物资，减轻负载并返航。

23、进一步的，所述含氧量检测装置为荧光氧气传感器，测量的为氧气在空气中的体积浓度。

24、本发明的有益效果是：

25、1、本发明发动机、电动机、单档减速器使用共轴方式连接，结构紧凑、减重明显，降低了直升机的自重，能够携带更多灭火物资。

26、2、本发明使用两个空气含氧量监测装置监测环境含氧量，并且以此为依据设置在突发情况下的紧急处理程序，可以有效保证发动机在极端环境中的安全性。

27、3、本发明采用混动动力，在火场投放灭火救援物资时，关停发动机，关闭进气口，使用纯电驱动，因此可以进入到氧含量很低的低空环境，降低足够的高度，提高灭火物资的投放精准度，提高灭火效率。

28、4、本发明使用燃油作为主要的能源储备，以油电混合的形式作为动力输出，保证了无人机携带的能量密度高，能够拥有足够的负载能力，相较于同尺寸的纯电无人机，具有更轻的自重和更长的续航，且能量补充快，通过补充燃油的方式可以再次进入工作。

29、5.本发明发动机喷油量由进氧量决定，保证发动机在最佳油气比下燃油充分燃烧，保证了发动机始终处在最优工况，减少了耗油量，增加了续航时间。

30、6、本发明在执行灭火任务时使用电动机为动力源，可以在发动机机因氧含量降低的而主动停止工作的情况下继续灭火任务，同时在遇到发动机因进氧量不足引发熄火时，在电动机的工作下紧急爬升脱离低氧环境，保证了直升机的安全。为了让本技术的上述和其他目的、特征和优点更能明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图示，做详细说明如下。