无人机动力装置技术特点及应用研究

伍赛特

上海汽车集团股份有限公司

为确保无人机的运行，需要为其提供推力或升力的动力来源，也就是驱动螺旋桨或旋翼或风扇，或者产生高速燃气射流的动力装置［1］。本文除了介绍传统的内燃机和燃气轮机外，还对电力推进开展了研究。目前，电力推进已得到了更为普遍的应用，不仅仅可用于小型无人机，也可用于高空、超长航时无人机等领域。

目前，已有四种基本类型的发动机用于无人机推进系统，即四行程内燃机和二行程内燃机、转子发动机和燃气轮机。电机是第五种动力类型，目前已在无人机领域兴起，并且正在发挥出越来越重要的作用。上述四款热力发动机都是通过燃烧汽油、汽油/机油混合物、航空煤油或柴油产生动力。电机则由电池、太阳能电池或燃料电池提供动力。

内燃机的工作循环由一系列热力过程组成，这些过程可以通过压力和容积的函数绘图表示，这些工作图可以合理地显示出每一款热力发动机产生动力的能力和效率。往复式发动机和转子发动机可通过直接连接螺旋桨，以此提供推力并驱动无人机。燃气轮机既可以直接产生喷气推力，也可以通过齿轮箱驱动螺旋桨或旋翼。由于燃气轮机固有的高可靠性，旋翼无人机通常使用此类动力装置。

对四行程内燃机而言，其可以采用液冷或风冷方式，因为采用了气门及控制和驱动气门的机械结构，四行程内燃机具有较高的机械复杂性。活塞的往复运动也会造成剧烈的振动，不过，四行程内燃机通常被认为是高效而可靠的。

二行程内燃机普遍用于割草机、链锯和模型飞机上。二行程和四行程内燃机情况相似，在到达上止点之前，火花塞点燃未燃混合气，产生的气体压力推动活塞向下运动。向下运动的活塞将之前已经吸进曲轴箱的新鲜油气混合气通过气缸侧壁上的扫气口推入燃烧室，这个扫气口位于进气口和排气口的对面。此时，排气口已经打开，正在向上流动的新鲜混合气将已参与燃烧的残留物推出气缸。此时，燃烧残留物和未燃混合气会相互掺混。

气缸壁上的所有开口必须精确定位，这样才能实现对开启和关闭的正确定时，从而让新鲜油气混合气把燃烧残留物推出气缸，同时也能在燃烧行程中使燃烧室处于完全封闭状态。二行程内燃机不需要气门开闭运动，也就没有驱动气门的附属机械结构，因此比四行程内燃机更为简单。由于在工作循环的部分时段内，曲轴箱内容纳有油气混合气，因此曲轴箱必须密封。

二行程内燃机最主要的缺点之一来自燃烧残留物与未燃混合气的掺混。未燃混合气中总会掺进一些杂质，因此将会导致二行程内燃机的油耗增大。

往复式内燃机的摩擦损失主要包括机械摩擦、气体流过进气口和排气口引起的损失（后一种称为泵气损失）。二行程内燃机的泵气损失通常比四行程内燃机的大，即使是在相同的活塞速度和平均有效压力条件下也是如此。

在低负荷工况时的性能恶化通常被认为是二行程内燃机最重大的缺陷。负荷的定义即为内燃机的实际输出功率与最大输出功率之比。在返程过程中，无人机通常工作在低负荷状态（也就是低转速）。对于四行程内燃机而言，当吸气行程开始时，只有燃烧室容积内充满了燃烧残留物，即使只吸入少量的未燃混合气（与低负荷状态相关），也可维持缸内所有气体的可燃性。在二行程内燃机中，当吸气行程开始时，整个气缸工作容积内都充满了燃烧废气，因此必须吸入大量的新鲜混合气，才能确保燃烧过程的持续进行。在低负荷状态下，会存在这样一个临界点，新鲜混合气与燃烧废气混合后的可燃混合气量太少，导致燃烧过程无法持续进行。由于曲轴还在运转，足量的新鲜混合气最终会被扫入并引起燃烧，不过这种燃烧过程可能会影响发火。当二行程内燃机处于低负荷状态时，可能会呈现出不规则的运行状态，有时甚至会出现熄火等现象。燃油喷射技术有助于解决高油耗和低负荷性能这两方面的问题。

转子发动机也是一类常见的动力装置。为了确保转子发动机可靠工作，必须实现转子的完好密封。为此，需要对端面和顶点进行有效密封。端面密封在某种程度上与活塞环密封类似。顶点密封由滑动叶片组成，在离心力作用下，滑动叶片会向外推，并顶住燃烧室内壁，有时会使用弹簧来防止叶片颤振。振动是影响无人机电子系统和敏感的光电载荷系统的重要因素，也是导致无人机系统缺乏系统可靠性的主要原因。如果转子发动机的曲轴回转过程能够以某种方式加以缓解，振动就可得以缓解。就目前而言，转子发动机正朝该方向发展。

转子发动机为无人机提供了几乎无振动的动力系统，除密封问题外，转子发动机通常较为可靠。至于密封问题，随着新设计和新材料技术的发展，正逐步得以优化。

在所有热力发动机中，最适用于无人机的就是燃气轮机。得益于其稳定燃烧循环特性和旋转运动，燃气轮机产生的振动最小［2］。

燃气轮机能够产生直接推力或通过齿轮驱动旋翼或螺旋桨。空气进入进气道并在发动机的压气机部分进行压缩。空气的压缩既可以通过把空气甩向压气机的四周（离心式压气机）来实现，也可以通过吸入大量空气并向后加速推送给其它的叶片（轴流式压气机）来实现。离心式压气机比较廉价，但正面投影面积会比轴流式压气机更大，而轴流式压气机成本较高，这是由于其采用了大量的小叶片。空气被压缩后，进入燃烧室，产生的炽热燃气高速冲出燃烧室，携带着燃料燃烧所产生的能量，燃气流过涡轮并带动同轴的压气机转动。当然，驱动压气机所需的能量就不能再用来产生推力了。高温燃气通过膨胀，并从喷管喷出，从而为无人机提供动力来源。除此以外，高温燃气也可通过涡轮驱动齿轮传动机构，再带动螺旋桨或旋翼，以此驱动无人机。

燃气轮机的振动比转子发动机更低，其在高空时有着较高的效率。由于具有较好的结构紧凑性和良好的推进效果，高速无人机大多使用燃气轮机。垂直起降飞行器采用燃气轮机的原因除了上述两点外，还因为其固有的可靠性。燃气轮机的主要缺点是造价过高，以及经济性较差。

随着高空长航时无人机和微型无人机的出现，电机逐渐成为一种新型的无人机动力来源，出于多方面的原因，电机备受业界欢迎。这些无人机可以通过电机驱动螺旋桨或旋翼，或者使用电机来模仿鸟类或昆虫的扑翼飞行。

电机的能量来源有多种，通常由电池供能，也可以由太阳能电池或燃料电池提供能源。电动无人机的航程和航时特性取决于其空气动力学特性，其影响规律与采用其它能源动力形式的飞机相似。普遍用于无人机的电机有标准的直流有刷电机和无刷电机两种类型。无刷电机比密封式电机更轻且更高效，因为没有电刷，摩擦更小。

除了采用扑翼方式飞行的一类微型飞行器外，电机主要用于驱动螺旋桨、旋翼或涵道风扇。

通常而言，螺旋桨、旋翼或风扇的效率与桨盘面积成正比，桨盘面积又与直径的平方成正比。使用螺旋桨、旋翼或风扇产生推力或升力最高效的途径是采用较大的桨盘直径和相对较低的转速。对于往复式内燃机，由于转速相对较低，因此更易于与螺旋桨进行匹配，尤其是使用可变螺距螺旋桨时。对于燃气轮机而言，由于受其自身效率的影响，决定了其需要在高转速下运行，再通过齿轮减速到期望转速，从而与螺旋桨或旋翼进行匹配。

对于电机而言，在全转速范围都能够产生相同的扭矩，不过需使电机在高转速下运行。根据需要，通过齿轮减速来产生螺旋桨或旋翼需要的扭矩和转速，是减小电机尺寸和重量的可行途径。

6.1 电池

电池能够输出相当可观的功率。电池总能量对飞行器航时的影响，一定程度上等同于机载燃油量对使用热力发动机为动力的飞行器航时的影响［3］。拥有较高的比功率和较高能量存储密度的电池是当前研究的热点课题。用于无人机的电池组通常可进行充电，并非一次电池。

6.1.1 镍镉电池

镍镉电池用氢氧化镍作为正极（阳极），镉/氢氧化镉为负极（阴极）。电解液为氢氧化钾。在充电电池当中，镍镉电池十分常见，但其含有毒金属。镍镉电池通常用于以长寿命和高放电率为重要指标的场合。

6.1.2 镍氢电池

镍氢电池用储氢合金代替镉作为负极（阴极），同镍镉电池一样，正极（阳极）也是氢氧化镍。

镍氢电池具有高能量密度，并且使用对环境无害的金属。与镍镉电池相比，镍氢电池的能量密度要高出约40%。近年来，镍氢电池正在逐步取代镍镉电池，其原因是考虑到处理废旧电池时对环境的影响，以及对高能量密度的需求。

6.1.3 锂离子电池

由于能量密度高、重量轻，锂离子电池是一种快速发展的电池技术。尽管其能量密度略低于金属锂，但典型锂离子电池的能量密度要高于标准镍镉电池，对锂离子电池的处理是对环境无害的。

典型的锂离子电池使用石墨（碳）阴极和由钴酸锂或锰酸锂制成的阳极，有时也使用磷酸铁锂，其电解液为溶于有机溶剂的锂盐，这些材料相对来说都是较为环保的。

锂离子电池是目前大部分电动和混合动力地面车辆所采用的技术，大量的市场商业需求可能会促进其技术成熟度并降低成本。

6.1.4 锂聚合物电池

锂聚合物电池使用钴酸锂或锰酸锂作为正极，以碳或锂作为负极。锂聚合物电池所用的电解质与其它电池不同，它采用聚合物电解质取代了传统的浸泡在电解液中的多孔隔膜。

固态聚合物设计使得电池在生产制造、坚固耐用、安全性，以及制成薄片几何形状方面大为简化。选择锂聚合物电池的主要原因还是形状因素，它允许用户在选择电池的外形方面有很大的自由度，尤其是极薄的外形。

6.1.5 太阳能电池

以当今的技术水平，考虑了所有的能提高效率的技术途径后，太阳能电池在该领域的研究和开发是一个热点。在未来，太阳能电池的效率上限很有可能会得到进一步提高。在设计和选用太阳能电池所作的权衡中，效率并不是唯一的因素，尤其是用于无人机时更是如此。有些效率较低的太阳能电池比某些效率较高的电池更轻，也更容易进行外形调整，以便安放在机翼上。除此之外，取决于具体的无人机类型，电池成本也是一个需权衡的问题［4］。

6.2 燃料电池

燃料电池可以将燃料中储存的能量直接转化为电能，而无需中间步骤，即无需将燃料燃烧产生热能，再将热能转化为机械能驱动曲轴，然后再用输出轴驱动发电机来产生电势和电流。省略了这些中间步骤，使得系统非常简单，不包括任何运动部件（除了燃料阀门和诸如此类的周边设备等），并且可以制成多种大小不一的尺寸。

以氢气为燃料的燃料电池的工作过程是最直观的。燃料电池不是让氢直接与空气中的氧发生反应，而是利用催化剂促使氢在阳极电离，从而产生带正电的氢离子和自由电子，然后再使用电解质让氢离子到达与氧气接触的阴极。这样就使阳极带正电，并且在阳极和阴极之间产生了电势差，从而驱使自由电子在外部电路中流通。当电子到达阴极后，与氧原子结合生成水分子。

所有上述过程之所以能够进行，是因为水分子的结合能小于氢分子和氧分子总的结合能，所以燃料加上氧气后的最终状态的能量低于其最初状态的能量。这与氢和氧如果混合在一起并被点燃后将会发生燃烧放热反应的原因是一样的，只不过避免了与燃烧过程相关的一切烦琐环节。

电解质的选择非常重要。有些在燃料电池中工作性能良好的电解质，需要在高温下工作。这显然需要有效的封装来对电池与外部环境之间进行隔热。

燃料电池并不是真正的电池，因此不能直接充电。不过，如果使用氢气为燃料，生成的水可以储存起来，并通过电解再变回氧气和氢气。这样就使得燃料电池对于使用太阳能电池的电力驱动无人机而言，是一种可有效储存能量并实现能量再生的途径，这种无人机在白天由太阳能电池提供能源，但必须储存能量以供夜间维持飞行状态。如果太阳能电池子系统的阵列设计能够提供足够的能量来驱动飞行器，同时还能以足够高的效率电解水来为下一个夜晚储存足够的能量，那么这个过程就可以无限循环下去。其中，维持不间断飞行所需的全部能量都来自白天的太阳能。

不少研究人员正在传统蓄电池与燃料电池之间进行权衡。在现阶段，该现象可能在一定程度上影响无人机的成本，因为燃料电池通常比蓄电池更为昂贵。如果成本不是影响选择的主要因素，那么制约设计权衡的因素就在于所需蓄电池的重量和体积，以及燃料电池全系统的重量上。其中，包括燃料电池本身、燃料存储系统、水存储系统和电解系统。由于没有外部水源，因此必须要对水进行合理存储。

燃料电池的电解系统能够在相对较低的电压下高效工作，因此不会占据过多空间，另一个必须考虑的因素是电池或燃料电池的维护或更换。

蓄电池都有一个有限的充电/放电循环次数，达到次数后其储能性能开始明显下降。另外，大部分可充电电池都需要周期性地进行完全放电和充电，以避免储能性能的下降。镍镉电池就是因为其充放电性能而广受诟病。

燃料电池可能会受到大气中的CO或CO2的影响。通过一些方案，可以处理这个问题，不过最简单的方法是从一开始就使用非常纯净的水，并在循环过程中不受到电池外界的污染。在某些应用场合，无故障工作时间是一个问题，该问题也是当前不断改进的目标。

为支持地面车辆的发展，正在对各种电池和燃料电池技术进行改良。相关成果正在推动电池领域的技术发展水平。技术发展的速度使得为每一型无人机系统所作的关于电池和燃料电池之间的设计权衡至关重要［5］。

无人机作为一类有着广阔应用前景的航空器，针对其动力系统的设计与研发同样有着不可或缺的重要性。目前，除了以内燃机、转子发动机及燃气轮机等传统热力发动机为代表的热力发动机之外，新型的电动力推进系统也受到了广泛关注。随着相关技术的不断完善，无人机将会得到更加广泛的应用。

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