無人機發(fā)動機技術發(fā)展研究目錄TOC\o"1-3"\h\u5098無人機發(fā)動機技術發(fā)展研究 I262431動力發(fā)展需求研究 I232242活塞式發(fā)動機技術發(fā)展分析 II195322.1重油發(fā)動機需求 II57342.2多級增壓技術 II325833渦軸發(fā)動機技術發(fā)展分析 II174123.1高速度飛行 III145603.2高精度恒轉(zhuǎn)速及變轉(zhuǎn)速控制 III34563.3混合電推進系統(tǒng) III165664渦槳發(fā)動機技術發(fā)展分析 III296314.1更高電功率的提取 IV53334.2滑油系統(tǒng)適應性改進 IV25201參考文獻 IV摘要：近年來，無人機在中空長航時領域的發(fā)展和應用不斷擴張，從平臺性能，載荷需求等方面、機場適應性，適航認證等、供應鏈是自主可控的、可靠性，安全性等對核心關鍵設備發(fā)動機的整體要求，進行了中小航空發(fā)動機型譜規(guī)劃、系列化開發(fā)，模塊化設計，開發(fā)思路，鑒定定型、全生命周期的低成本要求，帶來的是反思與啟發(fā)。關鍵詞：無人機；活塞式發(fā)動機；渦軸發(fā)動機；渦槳發(fā)動機技術1動力發(fā)展需求研究中空長航時無人機的動力裝置一般選用常規(guī)吸氣式小渦輪發(fā)動機或者往復式內(nèi)燃機，每代無人機整機升級換代，都會伴隨發(fā)動機產(chǎn)品容量的增加。新能源類動力裝置同樣得到了大力發(fā)展，但是，離通航產(chǎn)業(yè)化還有待技術成熟，配套齊全。當前我國主流多款中空長航時無人機都是軍民兩用型無人機，民用平臺多是在早期國內(nèi)軍用，軍貿(mào)無人機平臺的基礎上進行適應性改裝。與民用產(chǎn)品相比，軍用產(chǎn)品在現(xiàn)實戰(zhàn)場環(huán)境中、氣象，電磁場等環(huán)境錯綜復雜，它的性能需求高、功能需要更齊全、自主可控的要求比較嚴格、采購價格較高。受到行業(yè)特點，應用領域的影響、市場規(guī)模等等因素，很少有針對通航應用另行開發(fā)動力產(chǎn)品，僅僅是物流運輸領域，就已經(jīng)誕生了數(shù)種新型的平臺，但是還沒有形成規(guī)模，沒有實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。2活塞式發(fā)動機技術發(fā)展分析中空長航時固定翼無人機為了達到高升力和高升阻比的目的、緩失速特性的續(xù)航，一般取后掠角小，展弦比大的特點、長直機身的“滑翔機”設計，中小型活塞式發(fā)動機（≤300kW）由于其價格低廉，油耗少，技術成熟、維修方便的優(yōu)點，輔之以恒速螺旋槳，能達到起飛，爬升的目的、巡航，著陸等典型剖面中功率推力優(yōu)化匹配問題，因此，中，小型航空活塞式發(fā)動機仍將是該類型無人機相當長一段時間內(nèi)的優(yōu)選動力源。由于航空活塞式發(fā)動機工藝開發(fā)的需要，以核心關鍵產(chǎn)品自主可控為需求，以產(chǎn)業(yè)鏈，供應鏈補鏈為強鏈為背景，以航天科工31所、重慶宗申、以安徽航瑞為代表，已進行國產(chǎn)化開發(fā)，并且已被廣泛的證實。2.1重油發(fā)動機需求航空重油比普通車用汽油，航空煤油安全系數(shù)更高、燃燒效率高的同時還方便儲存與取用。重油航空活塞式引擎大多使用高壓共軌式燃油，燃油消耗量較少，本實用新型能夠極大地增加已有平臺航時航程。美國以“捕食者”系RQ-1為原型，經(jīng)過改裝成重油發(fā)動機，更新到MQ-1C“灰鷹”之后，起飛質(zhì)量從1t增加至1.6t,航時由原來的24h增加至36h,核心性能與作戰(zhàn)能力得到了極大的提高。以滿足功率需求為前提進行輕量化設計、增壓匹配技術等、在重油活塞式發(fā)動機的開發(fā)過程中，高效可靠燃燒是一個技術難題。2.2多級增壓技術針對航空活塞式發(fā)動機高空功率衰減，進氣增壓為有效措施。通常是在單級渦輪增壓之后進行，航空活塞式發(fā)動機運行高度可達8000m以上；以增加升限、解決高原起降難題，兩級乃至多級增壓技術急需克服。目前，國際上研究采用三級增壓，甚至能使航空活塞式發(fā)動機飛行高度達到24000m,而且國內(nèi)對這一領域的研究也比較晚。另外，多級增壓所帶來的各層級高效匹配，裕度設計等、高空艙標定，高效中冷和綜合熱管理技術等都是人們關注的焦點。3渦軸發(fā)動機技術發(fā)展分析中空長航時垂直起降無人機具有強烈的市場需求，這種無人機構型涉及單旋翼，縱列式和傾轉(zhuǎn)旋翼。復雜的飛行模態(tài)是該類型無人機平臺所具有的一個典型特點，因此，發(fā)動機環(huán)境適應性強，能量密度大，渦軸發(fā)動機就成了它的首選發(fā)動機。3.1高速度飛行這一階段無人直升機速度包線幾乎都是以Ma0.3為約束條件，傾轉(zhuǎn)旋翼型無人機兼具直升機垂直起降優(yōu)點，還具有固定翼飛機的快速性等，因此，可以廣泛應用在邊遠地區(qū)的物資投送，島嶼之間的運輸?shù)葓龊?。該型無人機最高飛行速度可達到Ma0.4或更高，所以為打破發(fā)動機速度包線，達到無人機使用需求，必須對現(xiàn)有國產(chǎn)發(fā)動機進排氣系統(tǒng)加以改進和設計，文中還給出了有關仿真計算、地面臺架試驗與高空臺試驗相結合，對飛行性能評估提供數(shù)據(jù)支持。3.2高精度恒轉(zhuǎn)速及變轉(zhuǎn)速控制垂直起降無人機繼續(xù)朝著多模態(tài)，高機動的方向擴展，針對需同時考慮多模態(tài)旋翼分系統(tǒng)，對轉(zhuǎn)速變化異常靈敏，為了確保旋翼在各種模態(tài)下都能夠保持很高的效率，需要使旋翼恒轉(zhuǎn)速控制精度保持在一個較高水平上，否則將引起單個模態(tài)的旋翼效率的急速降低，繼而引起飛機的控制發(fā)散；另外為了滿足飛機多模態(tài)飛行需要，旋翼需要在不同的工作模態(tài)下運行，轉(zhuǎn)速各不相同，而且目前的渦軸發(fā)動機通常都是單一的恒轉(zhuǎn)速的控制輸出，因此，需要通過發(fā)動機控制率優(yōu)化來達到多恒速點變速要求。3.3混合電推進系統(tǒng)相對于攜帶傳統(tǒng)發(fā)動機飛行器而言，混合動力飛行器節(jié)能，環(huán)保、振動量級小，噪聲水平小，構造簡單、操縱方便的優(yōu)點。對于旋翼無人機，在起降階段，以及進行高機動飛行的情況下，采用“渦軸加電機”并聯(lián)式混合電推進方式，既有足夠動力來源，還可以達到對動力快速反應的目的，為了達到高精度的恒轉(zhuǎn)速和變轉(zhuǎn)速控制；巡航階段使渦軸發(fā)動機處于最優(yōu)工作狀態(tài)，降低油耗時，還可以對儲能裝置進行充電。在混合電推進系統(tǒng)中，能源管理是其中一項關鍵技術，其中，以規(guī)則為基礎的穩(wěn)態(tài)能量管理策略、在優(yōu)化算法基礎上提出了一種動態(tài)能量管理策略、能量等動態(tài)協(xié)調(diào)控制都是研究關注的焦點。4渦槳發(fā)動機技術發(fā)展分析就中空長航時型無人機而言，與活塞式發(fā)動機相比，渦槳發(fā)動機有一個更強大的優(yōu)點：更大的功率；功率質(zhì)量比在3.5~4.8kW/kg，比活塞式發(fā)動機高1kW·kg-1；與活塞式往復部件相比，高速旋轉(zhuǎn)部件的振動量級??；在海拔8000~15000m有較好高空性能。當前，國際上以渦槳發(fā)動機為驅(qū)動的無人機平臺主要以5t級別為主，主要是PredatorB型無人機，采用TPE331-10T渦槳發(fā)動機、采用PT6A-67A渦槳發(fā)動機，用于HeronTP無人機、采用AI-450T渦槳發(fā)動機AkinciB無人機。4.1更高電功率的提取中空長航時無人機注重廣域，遠距和綜合應用，通常攜帶合成孔徑雷達、衛(wèi)星通信設備等、機載防撞系統(tǒng)，光電吊艙、語音電臺和其他應用載荷。用電功耗增大對于發(fā)動機電功率的提取也有較多需求，比如，裝有500kW級別軸功率渦槳發(fā)動機，需抽取電功率大于15kW。另外，單發(fā)無人機為了系統(tǒng)備份，至少實現(xiàn)兩臺機載發(fā)電機聯(lián)合發(fā)電出力。要求發(fā)動機研制單位改型研制時加大電功率提取能力和裕度設計，并著重評價了用電功率增加對發(fā)動機性能的影響、油耗的變化及使用的限制。4.2滑油系統(tǒng)適應性改進與通航有人機飛行高度比較，有必要對用于中高空，長航時無人機的渦槳發(fā)動機滑油系統(tǒng)的運行能力進行評價，特別地，軸承腔與滑油箱之間的壓力發(fā)生改變、滑油泵泵油能力大、封嚴效果及其他以免影響發(fā)動機的潤滑與冷卻。另外飛行時間長，滑油消耗量亦隨之增加，滑油筒擴容是十分必要的，具有滑油液面監(jiān)測，低液位報警等功能，進一步確保了發(fā)動機的工作安全以及平臺的飛行安全。參考文獻[1]于廣民,王奉明,盧娟.高空長航時無人機用發(fā)動機推力需求及技術特點分析[J].燃氣渦輪試驗與研究,2021,34(6):7.[2]孔祥恩,劉海峰.無人機用航空活塞發(fā)動機關鍵技術的研究進展[J].小型內(nèi)燃機與摩托車,2021,050(003):79-87.[3]李悅霖.美國陸軍尋求多燃料無人機發(fā)動機技術[J].國際航空,2020(11