作者簡介：伍賽特（1990-），男，工學碩士，工程師，經濟師，信息系統(tǒng)項目管理師，知識產權師，中國內燃機學會高級會員，中國機械工程學會高級會員。研究方向為內燃機與動力裝置。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.15.001

摘? 要：簡要概述無人機的定義、分類及相關技術優(yōu)勢，重點對活塞式發(fā)動機、汪克爾發(fā)動機（亦稱轉子發(fā)動機）、噴氣式發(fā)動機（含渦輪噴氣發(fā)動機、渦輪風扇發(fā)動機、渦輪螺旋槳發(fā)動機、渦輪軸發(fā)動機及渦輪螺旋槳風扇發(fā)動機等）等無人機熱動力系統(tǒng)（航空發(fā)動機），以及現(xiàn)階段正在發(fā)展的燃料電池、太陽能電池及蓄電池等無人機電動力系統(tǒng)的技術特點進行詳盡闡述，并對不同無人機動力系統(tǒng)的選型過程及應用可行性進行分析，為相關技術研究提供必要的理論依據(jù)。

關鍵詞：無人機；燃料電池；熱動力系統(tǒng)；電動力系統(tǒng)；發(fā)動機

中圖分類號：V279? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）15-0001-08

Abstract： This paper briefly summarizes the definition， classification and related technical advantages of UAV， focusing on the thermal power system （aero-engine） of UAV such as piston engine， Wankel engine （also known as rotor engine）， jet engine （including turbojet engine， turbofan engine， turboprop engine， turboshaft engine， turboprop fan engine， etc.）. The technical characteristics of the developing UAV electric power systems such as fuel cell， solar cell and storage battery are described in detail， and the selection process and application feasibility of different UAV power systems are analyzed. It provides a necessary theoretical basis for related technical research.

Keywords： UAV; fuel cell; thermal power system; electric power system; engine

無人機是指由動力驅動、機內無人駕駛、可重復使用的、可依靠機載控制器自主飛行或由人在計算機或特定遙控器的遙控下飛行的飛行器[1]。

無人機的出現(xiàn)體現(xiàn)了人類的一種愿望，那就是利用靈活自主的飛行器低成本地替人類執(zhí)行危險的任務。無人機相比于傳統(tǒng)的載人飛行器，具有以下優(yōu)點。

可實現(xiàn)零傷亡?，F(xiàn)代科技的發(fā)展使得防空武器的性能和殺傷力日益提升，顯著增加了使用載人飛行武器進行空戰(zhàn)的風險，而無人機由于沒有駕駛員，會在很大程度上減少戰(zhàn)爭中的人員傷亡，因此無人機在軍事領域具有廣泛的應用前景。

成本低廉。由于無人機不用搭載駕駛員，因此無須搭建人工操作系統(tǒng)、生命保障系統(tǒng)和應急系統(tǒng)等，設計、研制、使用和維護的成本大大降低。一般的無人機造價只有載人飛行器的10%，甚至更低。

機動靈活，低能耗。無人機本身結構相比于載人機要更簡單，因此尺寸小、重量輕，便于起降和控制，機動靈活。同時耗能較低，續(xù)航時間遠長于一般的載人飛行器，相比載人機具有更廣闊的活動空間，能夠進入惡劣的或載人機不易進入的環(huán)境中進行工作。

隱蔽性強。無人機的小體積也使得其反射面積比載人機要小得多，更容易躲避雷達的檢測，使得其暴露率大大減小。而它機動靈活的特性也使得其可以更隨意地改變飛行的速度和高度，這也增加了其隱蔽性和生存能力。

正是由于以上的優(yōu)點，無人機在軍事偵察和攻擊等軍事領域以及公共安全、農林、環(huán)保、交通、航拍等民用領域都得到了廣泛的應用，無人機技術也成為當前的研究熱點，具有較為廣闊的發(fā)展前景。

1? 無人機及其分類

1.1? 按無人機應用領域分類

無人機按照其應用領域分類可分為軍用無人機和民用無人機。軍用無人機包括靶機、無人偵察機、無人戰(zhàn)斗機、無人誘餌機和電子干擾無人機等。也可按任務的周期長短分為戰(zhàn)術無人機和戰(zhàn)略無人機，所執(zhí)行的任務往往周期較長，具有長遠的戰(zhàn)略意義。在民用方面，無人機已經被運用到通信中繼、公共安全、應急搜救、農業(yè)噴藥、環(huán)保監(jiān)測、交通管制、氣象預測和影視航拍等多個領域。

1.2? 按無人機機翼布局樣式分類

按照無人機機翼的布局樣式可分為傳統(tǒng)固定翼式無人機、撲翼式無人機和旋翼式無人機3種。

1.2.1? 固定翼式無人機

固定翼式無人機的機翼主體是固定的，由動力系統(tǒng)產生推力或拉力，由固定機翼產生升力。其中大部分無人機的外觀跟普通飛機的外觀相似，在機身兩側中部和后部分別裝有機翼和尾翼，頭部裝有螺旋槳，也有一部分無人機因功能需要而具有獨特的外觀。

1.2.2? 撲翼式無人機

撲翼式無人機是以仿生學原理為基礎，通過模仿飛行生物（例如蒼蠅、蝙蝠等）的外觀而設計的無人機，這種無人機在飛行時通過機翼的上下?lián)鋭赢a生升力和向前的推進力，通過“翅膀”與尾翼的配合改變飛行航向，就像飛行生物一樣。由于撲翼產生的動力有限，因此這種無人機多為微小型無人機。

1.2.3? 旋翼式無人機

旋翼式無人機的機翼安裝在機身的上方，通過具有特定氣動外形的機翼高速旋轉獲得升力并改變位置和姿態(tài)，類似于直升機。根據(jù)安裝的機翼數(shù)量分為單旋翼無人機和多旋翼無人機。四旋翼飛行器是目前最為流行的無人機。

1.3? 按無人機的性能指標分類

1.3.1? 按機體重量分類

不同的無人機機體重量差別較大，按機體重量分為微型、輕型、中型、重型和超重型5個等級。

微型無人機：機體重量小于5 kg。由于這類無人機體積小巧，部署便捷，機動靈活，隱蔽性強，可以很好地用于軍事偵察、通信、電子干擾、對地攻擊，以及城市監(jiān)控、邊境巡邏等任務，因此微型無人機是當前無人機研究的熱點領域之一。

輕型無人機：機體重量在5～50 kg。

中型無人機：機體重量在50～200 kg。

重型無人機：機體重量在200～2 000 kg。

超重型無人機：機體重量大于2 000 kg。

1.3.2? 按航程和續(xù)航時間劃分

近程無人機：最大飛行時間小于5 h的無人機。

中程無人機：最大飛行時間在5～24 h的無人機。

遠程無人機：最大飛行時間大于24 h的無人機。

1.3.3? 按機翼載荷量劃分

所謂機翼載荷量，是指機體重量與機翼面積的比值。由小到大可分為以下3類。

低載荷：機翼載荷量小于50 kg。

中載荷：機翼載荷量在50～100 kg。

高載荷：機翼載荷量大于100 kg。

2? 無人機動力系統(tǒng)概述

動力系統(tǒng)是為無人機提供推力的整套系統(tǒng)。飛行器的飛行速度、高度、航程、機載重量和機動能力等在很大程度上取決于動力系統(tǒng)的性能水平。

作為無人機的動力來源，動力系統(tǒng)是無人機最重要的組成部分，動力系統(tǒng)的好壞直接決定了無人機的整體性能。目前動力系統(tǒng)主要可分為2大類，一是熱動力類，以甲醇、汽油或航空煤油作為發(fā)動機的動力來源；二是電動力類，以電源提供電能，再由電機將電能轉換為機械能。

應用于航空器的發(fā)動機主要包括活塞式發(fā)動機、噴氣發(fā)動機和火箭發(fā)動機，其分類總體如圖1所示。就目前而言，絕大多數(shù)類型的航空發(fā)動機都可以在無人機上使用。

圖1? 航空發(fā)動機分類

3? 活塞式發(fā)動機

3.1? 總體概述

在活塞式發(fā)動機中，通過燃料在氣缸內的燃燒，將熱能轉變?yōu)闄C械能。其工作的每一循環(huán)包括5個過程：①進氣過程；②壓縮過程；③燃燒過程；④膨脹過程；⑤排氣過程。這5個過程可以在2個行程內完成，稱為兩行程發(fā)動機；也可以在4個行程內完成，稱為四行程發(fā)動機。用于航空領域的活塞式發(fā)動機大多為四行程，并且大多配備有增壓器，使空氣進人氣缸前先經過增壓器增壓，從而增加進入氣缸的空氣量。

3.2? 汽油活塞式發(fā)動機

汽油活塞式發(fā)動機是發(fā)展歷史最悠久的航空發(fā)動機，是第一種滿足重于空氣的、并且能充分滿足航空器高推重比要求的發(fā)動機。在氣缸內往復運動的活塞通過連桿與曲軸連接，曲軸（直接或通過減速器）驅動螺旋槳為飛機提供前進動力。第一種成功的航空發(fā)動機是萊特兄弟為“飛行者”飛機設計制造的汽油活塞式發(fā)動機。該發(fā)動機采用液冷、四行程、火花點火的方式運行。

汽油活塞式發(fā)動機經過多年的改進提高，諸如使用現(xiàn)代電子燃油噴氣系統(tǒng)代替汽化器改進。大部分改進集中在整機性能提升，而動力系統(tǒng)的制造方法等方面實際上并未改變。而在噪聲、振動、易于使用和成本等方面，相較于現(xiàn)代車用發(fā)動機，用于航空領域的活塞式發(fā)動機在這些方面的性能相對更差[2-3]。

3.3? 柴油活塞式發(fā)動機

該類發(fā)動機以柴油作為燃料，柴油價格低，容易獲取，且效率高，節(jié)能環(huán)保性能較好，克服了航空汽油燃料價格高、污染大（含鉛）、難以獲取等問題。早在1920—1930年，航空界就開始嘗試開發(fā)柴油活塞式發(fā)動機，但一直都沒有取得大的突破。美國航空航天局（NASA）于20世紀70年代實施了柴油活塞式發(fā)動機的技術研究計劃，研發(fā)了一款功率為300 kW的機組。該款發(fā)動機采用6缸星型結構，配備有減速器，并采用渦輪增壓系統(tǒng)，最終由于技術方案問題，沒有取得成功。

20世紀末期，得益于車用柴油機技術的持續(xù)發(fā)展和產品性能的大幅提升，航空柴油活塞式發(fā)動機實現(xiàn)突破性發(fā)展，發(fā)動機電子控制系統(tǒng)、電子燃油噴射系統(tǒng)、渦輪增壓等技術和系統(tǒng)的采用，使其能更有效地發(fā)揮固有的優(yōu)勢。柴油活塞式發(fā)動機的柴油采用壓燃方式，無須使用點火裝置，并且不需要添加劑，而汽油則需要配備添加劑。柴油活塞式發(fā)動機在使用性能上的優(yōu)點是耗油率較低（單位功率下單位時間的燃油消耗率）。2000年以來，由于航空汽油價格持續(xù)走高，存在未來市場供應不足的問題，對柴油活塞式發(fā)動機的需求迫切，由此得到了一定發(fā)展。在該類發(fā)動機發(fā)展過程中，歐洲企業(yè)在世界范圍內保有領先地位，這主要依托于車用柴油機的技術優(yōu)勢。

3.4? 活塞式發(fā)動機在航空領域的應用與技術發(fā)展概述

如3.2中所述，活塞式發(fā)動機有著悠久的發(fā)展史，萊特兄弟的第一架飛機即采用了活塞式發(fā)動機。直到第二次世界大戰(zhàn)結束前期，在噴氣發(fā)動機第一次運用于軍事戰(zhàn)爭之前，活塞式發(fā)動機是唯一使用的發(fā)動機類型。此后，噴氣發(fā)動機首次取代了活塞式發(fā)動機，因為其可以在更高的速度下飛行，并且具有很好的動力性能。目前，活塞式發(fā)動機多用于小型航空器。

無人機用活塞式發(fā)動機單臺功率小至幾千瓦，大至幾十千瓦?；钊桨l(fā)動機必須驅動螺旋槳等推進器才能為飛行器提供動力。螺旋槳剖面與機翼剖面相似，從空氣動力學原理看，螺旋拉力的產生和機翼上升力的產生在原理上是相同的。

4? 汪克爾發(fā)動機

4.1? 汪克爾發(fā)動機的技術特點

該類發(fā)動機是由德國工程師汪克爾（Felix Wankel）發(fā)明的，其主要工作原理與活塞式發(fā)動機相近，仍然是燃料在密閉空間里燃燒釋放熱量，并轉換為輸出功。

汪克爾發(fā)動機也可被視為一類活塞式發(fā)動機，但與上文3.2及3.3中所述的采用往復式結構的活塞式發(fā)動機有所不同，汪克爾發(fā)動機的活塞在氣缸內作旋轉運動，無需配備曲柄連桿機構。汪克爾發(fā)動機通過氣口換氣，同樣不需要復雜的氣閥配氣機構，因而結構大為簡化，并具有重量輕、體積小、比功率高、零件少、制造成本低、運轉平衡且高速性能良好等優(yōu)點。與四行程發(fā)動機曲軸每旋轉2圈做1次功相比，汪克爾發(fā)動機的轉子每旋轉1圈就做1次功，具有升功率高的優(yōu)點。此外，由于汪克爾發(fā)動機內部的轉子作軸向旋轉運動，無須精密的曲軸平衡，無需連桿、進排氣門和凸輪軸等配氣機構，結構上更簡單緊湊，零件總數(shù)和運動件數(shù)分別減少30%和60%，且不會產生往復慣性力，因此能夠在較高的轉速下運行。

盡管汪克爾發(fā)動機有諸多的優(yōu)點，但由于換氣、燃燒和膨脹做功等不充分而導致燃油消耗率高、污染重，此外存在部件以線接觸工作，磨損嚴重，零部件壽命短等問題，這些缺點也限制了汪克爾發(fā)動機的發(fā)展。

4.2? 汪克爾發(fā)動機在航空領域的應用

汪克爾發(fā)動機的概念于20世紀20年代末期即已提出，在車用汪克爾發(fā)動機不斷成熟的基礎上，其應用范圍也逐步擴展到了航空領域。20世紀60年代，汪克爾發(fā)動機開始安裝到小型航空器上，在無人機領域的應用日漸廣闊。如4.1中所述，汪克爾發(fā)動機的轉子采用偏心結構，將高溫燃氣的壓力轉換成旋轉運動，具有結構緊湊、機構簡單、尺寸小、重量輕、功重比高、振動小、噪聲低、運行平穩(wěn)和轉速高等優(yōu)點。轉子不會與氣缸發(fā)生黏連；不容易發(fā)生爆震等不正常燃燒現(xiàn)象；不采用往復部件，超速運行時不易發(fā)生損傷。德國汪克爾股份有限公司成功發(fā)展出專門用于飛機的汪克爾發(fā)動機，并實現(xiàn)了一定技術上的突破。汪克爾發(fā)動機在試驗類飛機上的應用越來越普遍。

汪克爾發(fā)動機的工作轉速相對較高，扭矩相對較低，螺旋槳必須使用減速裝置。汪克爾發(fā)動機的一項突出優(yōu)勢是具備分層燃燒系統(tǒng)，可以燃用幾乎任何液體燃料。分層燃燒系統(tǒng)使機組油氣比有所降低，由此可與減速器一起工作，相應降低曲軸轉速，從而便于驅動螺旋槳。但由此使得汪克爾發(fā)動機的功重比有所降低。不僅如此，這些系統(tǒng)增加了機組成本，因此汪克爾發(fā)動機尚未在航空領域得到大范圍推廣。

目前，汪克爾發(fā)動機的部分問題并未得到充分解決，可用產品的功率一般都較小，主要用于無人機，如需在輕型飛機和家庭自制飛機上得以應用，還需要較長時間的完善。

5? 噴氣發(fā)動機

在20世紀40年代以前，航空動力領域主要采用活塞式發(fā)動機。但當航空器的飛行速度提高到接近聲速，需要突破聲障時，卻遇到了重重困難。噴氣發(fā)動機的出現(xiàn)，才使得飛行器的飛行性能有了質的飛躍，開創(chuàng)了一個新的飛行時代?，F(xiàn)階段得以廣泛應用的噴氣發(fā)動機主要包括渦輪噴氣發(fā)動機、渦輪風扇發(fā)動機、渦輪螺旋槳發(fā)動機、渦輪軸發(fā)動機及渦輪螺旋槳風扇發(fā)動機等幾類。

5.1? 渦輪噴氣發(fā)動機

渦輪噴氣發(fā)動機是一類早期出現(xiàn)的噴氣發(fā)動機，其最簡單的形式是由壓氣機、燃燒室、渦輪和推進噴管組成。該類發(fā)動機存在燃油消耗率較高，噴氣噪聲較大的弊端。

渦輪噴氣發(fā)動機工作時，燃氣在噴管內膨脹，幾乎全部剩余勢能都轉換成了動能，燃氣流具有很高的速度，從而產生推力推動航空器前行。

5.2? 渦輪風扇發(fā)動機

渦輪風扇發(fā)動機是目前最常見的一種噴氣發(fā)動機，這種發(fā)動機是在渦輪噴氣發(fā)動機的前段加裝了一個風扇，該風扇可被視為一個較大的單級壓氣機，與后文所述的渦輪螺旋槳發(fā)動機有一定相似之處。所不同的是，風扇被封閉在一個管狀殼體里。只有一小部分進入風扇的空氣經過渦輪，其余的空氣（80%～90%）通過管狀導管（外涵道）流到推進噴管中，發(fā)動機約75%的推力來自這部分空氣，剩下的推力來自核心射流。旁路的流量與核心射流流量的比值稱為“涵道比”。

與早期的渦輪噴氣發(fā)動機相比，渦輪風扇發(fā)動機更為高效且噪聲更小。該類發(fā)動機單位推力的耗油量僅有早期發(fā)動機的1/2，并且噪聲下降了20 dB。因為該類發(fā)動機在飛行馬赫數(shù)大于0.8時仍能平穩(wěn)地飛行，所以在商業(yè)運輸中得以廣泛使用。現(xiàn)階段大部分的客機均采用了渦輪風扇發(fā)動機。

通常而言，采用渦輪風扇發(fā)動機的軍用飛機的飛行馬赫數(shù)通常都大于2.0，但為了減小發(fā)動機的直徑和高速飛行時的阻力，其涵道比相對較低，通常為1.0左右[4]。

5.3 渦輪螺旋槳發(fā)動機

與渦輪噴氣發(fā)動機相比，渦輪螺旋槳發(fā)動機加裝了一個螺旋槳，其可以使排氣流通過變速箱推動螺旋槳。

渦輪螺旋槳發(fā)動機中，相當一部分燃氣的熱能轉變?yōu)榕ぞ匦问降臋C械功，繼而轉換成螺旋槳的拉力；剩余燃氣的熱能則轉換成噴氣的動能，即以噴氣推力的形式對外輸出。因而渦輪螺旋槳發(fā)動機的推進力由2部分組成，其中以螺旋槳的拉力為主，拉力和排氣推力之比一般為9∶1。渦輪螺旋槳發(fā)動機主要應用于高空長航時無人機。

第二次世界大戰(zhàn)結束后，成千上萬的運輸機安裝了這種發(fā)動機。得益于渦輪螺旋槳發(fā)動機的高燃油效率，其已被用于軍用重型運輸機。但在馬赫數(shù)高于0.65時，渦輪螺旋槳發(fā)動機無法很好地投入運作，這使得其在商業(yè)領域失去了競爭力，但這并不妨礙其被用于軍事領域。

5.4? 渦輪軸發(fā)動機

渦輪軸發(fā)動機的工作過程與渦輪螺旋槳發(fā)動機相似，但結構上的差別較大。渦輪軸發(fā)動機利用一個不與壓氣機相連的自由渦輪驅動無人直升機的旋翼，并從發(fā)動機尾部輸出功率。

與渦輪螺旋槳發(fā)動機一樣，渦輪軸發(fā)動機由渦輪噴氣發(fā)動機及附加的渦輪組成。然而，渦輪軸發(fā)動機多用于直升機上，附加的渦輪則用于驅動旋翼和尾槳[5]。渦輪軸發(fā)動機的尺寸通常較小，該類發(fā)動機最關鍵的性能是高可靠性（許多小型直升機只有一個發(fā)動機）和低自重。

5.5? 渦輪螺旋槳風扇發(fā)動機

渦輪螺旋槳風扇發(fā)動機（簡稱為“槳扇發(fā)動機”）是渦輪螺旋發(fā)動機最新的一種結構型式。渦輪螺旋槳風扇發(fā)動機的優(yōu)勢在于其燃油消耗率明顯低于渦輪風扇發(fā)動機，而且自身馬赫數(shù)高達0.8。由于使用了現(xiàn)代化的材料，渦輪螺旋槳風扇發(fā)動機的螺旋槳具有更高的強度和更薄的超聲速葉片，這使采用渦輪螺旋槳風扇發(fā)動機的新型飛機比采用渦輪螺旋槳發(fā)動機的傳統(tǒng)飛機具有更高的飛行速度。但渦輪螺旋槳風扇發(fā)動機的缺點在于噪聲較大且自重較高，一定程度上阻礙了其在各類航空器中的大范圍推廣。由于燃料價格的上漲，對渦輪螺旋槳風扇發(fā)動機進行降噪處理的要求勢在必行。

5.6? 噴氣發(fā)動機和活塞式發(fā)動機的對比

如上文所述，目前在飛機上用作動力源的航空發(fā)動機，主要有活塞式和噴氣式2大類。2類發(fā)動機均利用燃料在機組內燃燒，并將燃燒所產生的一部分熱能轉換為推動飛機前進的能量。

事實上，活塞式發(fā)動機本身只能將燃料燃燒所產生的熱能轉換成扭矩形式的機械能，并不能直接推動飛機前行，必須依靠螺旋槳將扭矩轉換成為推進力，才能為飛機提供真正的動力來源。

活塞式發(fā)動機由于使用壽命長，并具有較高的可靠性，以及在低空、低速飛行時的經濟性，所以直到目前為止，仍有一定的應用前景。但就目前而言，活塞式發(fā)動機如需輸出更高的功率，并實現(xiàn)更高的飛行速度，有2類技術問題必須克服：一類是活塞式發(fā)動機本身的，另一類是螺旋槳的?；钊桨l(fā)動機要增大功率，必須增加氣缸數(shù)目，或加大氣缸容積，這樣做的結果必然會顯著增加發(fā)動機的重量和體積。

噴氣發(fā)動機和活塞式發(fā)動機有著顯著區(qū)別。在活塞式發(fā)動機中，燃料燃燒所產生的熱能，首先通過活塞連桿及曲軸機構轉為轉動螺旋槳的機械能，然后再由螺旋槳將機械能轉換成為推進功率；而噴氣發(fā)動機則沒有用于轉換能量的中間機構（如曲軸、活塞等）。

在活塞式發(fā)動機中，燃料燃燒的熱能首先作用于活塞上，使曲軸旋轉；而噴氣發(fā)動機所產生的推力可直接用于推動飛機。

對于噴氣發(fā)動機而言，由于發(fā)動機內部的氣體燃燒后向外噴出，由此產生反作用力推動飛機前行，所以只要是其自身攜帶著可以燃燒的燃料和用于協(xié)助燃燒的氧化劑，即使在真空中也照樣能產生推力，如圖1所示的火箭發(fā)動機即依靠此類原理工作。就現(xiàn)階段而言，噴氣發(fā)動機已在許多領域中代替了活塞式發(fā)動機，其主要原因主要有以下幾點。

1）噴氣發(fā)動機的比重量低于活塞式發(fā)動機，并且該數(shù)值還有日益下降的趨勢。這一優(yōu)點主要源于2個方面。一方面，渦輪噴氣發(fā)動機的功率隨飛行速度的提高而增加。另一方面，渦輪噴氣發(fā)動機本身的重量相對較小。

2）噴氣發(fā)動機的正面投影面積較小，所以產生的阻力同樣較小。

3）噴氣發(fā)動機的構造更為簡易，沒有進行往復運動的機構部件，沒有配備氣門機構等復雜的機構，所以噴氣發(fā)動機的機件數(shù)目通常少于活塞式發(fā)動機。

4）與活塞式發(fā)動機相比，噴氣發(fā)動機適航的高度范圍較廣，可在15～20 km的高度區(qū)間飛行；而采用活塞式發(fā)動機的飛機通常很難飛行至這一高度。

5）活塞式發(fā)動機多采用精煉的高級汽油；與此相對，噴氣發(fā)動機對于燃料的要求并不嚴格，可燃用價格更為低廉的煤油，顯著降低了燃料成本。

噴氣發(fā)動機的缺點，主要在于低速航行時的經濟性較差。與活塞式發(fā)動機相比，渦輪噴氣發(fā)動機在起飛時的動力性能較差。但總體而言，渦輪噴氣發(fā)動機可使飛機以超音速的狀態(tài)飛行，在該領域具備顯著優(yōu)勢。

5.7? 現(xiàn)階段噴氣發(fā)動機的發(fā)展及應用

如5.6中所述，噴氣發(fā)動機是現(xiàn)階段大多數(shù)航空器動力系統(tǒng)選擇，因為其具有高功重比和使用高密度燃料的能力。噴氣發(fā)動機的核心燃氣發(fā)生器能提供熱和高壓氣體。如何使用高溫氣體中的能量取決于其實際應用。因此，燃氣發(fā)生器被認為是所有噴氣發(fā)動機所共有的子系統(tǒng)，而將燃氣動力轉化成推進功率的具體設備可以有所不同。盡管所有的燃氣發(fā)生器具有相同的功能，并且在構型上或多或少有相似之處，但考慮到不同的應用情況，燃氣發(fā)生器依然可以采用特殊的設計方案。

如上文所述，噴氣發(fā)動機可根據(jù)軸數(shù)、涵道比、機械結構和氣動外形等參數(shù)的不同來進行分類。在渦輪噴氣發(fā)動機中，通過從出口排出的高速噴射流產生推力，大部分時間排氣流速度等于當?shù)芈曀?，即相當于排氣口被堵塞。在渦輪風扇發(fā)動機中，大多數(shù)空氣被吸入涵道中，因此不會參與后續(xù)的壓縮、燃燒、膨脹等熱力過程。涵道空氣通過一級風扇壓縮，然后在噴口處加速。因此，在渦輪風扇發(fā)動機中，特別是用于現(xiàn)代大型民用飛機的大涵道比發(fā)動機，大部分推力是由未加熱的涵道空氣而不是由加熱的空氣產生的。在渦輪螺旋槳發(fā)動機中，渦輪產生的額外功率用于驅動螺旋槳并產生推力。相比于渦輪噴氣發(fā)動機和渦輪風扇發(fā)動機，流過螺旋槳的空氣流量更高，然而該部分空氣的加速能量明顯低于燃氣發(fā)生器中流出的高溫燃氣。

6? 發(fā)動機在無人機領域的應用及選型研究

一種無人機選用何種動力系統(tǒng)主要由無人機的任務和各種動力系統(tǒng)的特點決定。相關研究表明，假設無人機的尺寸、推力要求和載油量一定，首先可通過計算獲得無人機選用活塞式發(fā)動機的性能指標，包括續(xù)航時間、航程、巡航速度和平均大修間隔時間，并以此作為基礎進行性能比較。如果將活塞式發(fā)動機替換為渦輪風扇發(fā)動機，無人機的最佳巡航速度會提高70%左右，由此可大幅改善無人機的響應時間和生存能力。與活塞式發(fā)動機相比，渦輪風扇發(fā)動機的不足之處是航程和續(xù)航時間較短，其主要原因在于渦輪風扇發(fā)動機的耗油率高于活塞式發(fā)動機。如果采用渦輪螺旋槳發(fā)動機，無人機的航程和續(xù)航時間會略微加長，續(xù)航速度亦有所提高（但不及渦輪風扇發(fā)動機），大修間隔時間類似渦輪風扇發(fā)動機。通過對已投入使用的各型無人機發(fā)動機適用情況進行統(tǒng)計分析，表1列出了上述幾類航空發(fā)動機在無人機領域的適用領域。

從目前國內外已經投入使用和正在發(fā)展的各種無人機來看，雖然其選用的發(fā)動機類別不同，但都傾向于采用技術已經成熟的航空發(fā)動機，并在已有發(fā)動機的基礎上針對無人機特性進行相應改進。

對于任何一類無人機，發(fā)動機的選擇都是一項較為復雜的問題，不僅涉及發(fā)動機的尺寸，同時還涉及許多其他的因素，如發(fā)動機數(shù)目、類型、安全性、運行環(huán)境、壽命及可靠性、初始成本和維護費用等方面。

在無人機動力系統(tǒng)的選擇上，是在已有發(fā)動機上改進，還是發(fā)展一種全新的發(fā)動機，主要取決于無人機對發(fā)動機性能的要求和用戶的經濟承受能力。用戶的經濟承受能力主要包括發(fā)動機的采購和使用成本2個方面。發(fā)動機性能和用戶經濟承受能力作為一個對立統(tǒng)一體，只有達到一種相對的平衡才是最佳解決方案。但就目前而言，并非所有類型的發(fā)動機均適用于無人機，除了上文提到的活塞式發(fā)動機、渦輪噴氣發(fā)動機及渦輪風扇發(fā)動機等幾類，表2中列出了固體火箭發(fā)動機、沖壓噴氣發(fā)動機及脈沖噴氣發(fā)動機等幾類其他機型，通過闡述其優(yōu)缺點，分析了其是否適用于無人機動力系統(tǒng)。

7? 無人機電動力系統(tǒng)

如上文所述，無人機使用的熱動力系統(tǒng)主要有活塞式發(fā)動機、渦輪噴氣發(fā)動機、渦輪風扇發(fā)動機、渦輪螺旋槳發(fā)動機、渦輪軸發(fā)動機等幾類。此外，部分小型無人機也會采用電機作為動力來源，主要是考慮電機性能較為可靠，并且維護簡單。在之前的較長一段時間內，電機多應用于航模飛機，隨著自身性能的優(yōu)化，電機也可用作于低載荷無人機、多旋翼無人機的主要動力源。而為了向電機提供必要的能量來源，同樣需配備必要的電源系統(tǒng)[6]。

7.1? 無人機燃料電池動力系統(tǒng)

通過采用燃料電池，可以減少航空器的排放。在部分小型無人機中，燃料電池已經被用作為主要的動力系統(tǒng)[7]。

由于氫的高能量密度，以及燃料電池自身低噪聲的特點，燃料電池已越來越廣泛地應用于各類無人機中。與純蓄電池驅動的無人機相比，其具有更高的有效載荷和更長的航程優(yōu)勢。

7.2? 無人機太陽能動力系統(tǒng)

一般使用太陽能作為動力的無人機都會在機翼部位安裝有太陽能電池。在陽光充足的情況下，太陽能電池會自動吸收能量，并儲存在蓄電池內部作為備用。這是最理想的無人機動力來源，因此各個國家都在持續(xù)開發(fā)太陽能無人機。

除供用戶完成必要的日常工作以外，無人機也在發(fā)揮著各種重要的生產力作用，尤其是太陽能無人機。太陽能無人機的使用場景十分豐富，可以用于監(jiān)測氣候、環(huán)境以及貨物運輸?shù)?。太陽能無人機在民用領域有較大的應用潛力，因而近年來受到較多的關注。

7.3? 無人機電源系統(tǒng)的性能對比

就目前而言，上述無人機電源系統(tǒng)的特點總結如下：太陽能電池可利用光能產生電力。由于太陽能電池采用外部能源，其反應活動不受機載物料數(shù)量的限制，但由于太陽能電池的能源來自外部太陽光照射，其輸出嚴重依賴于外部條件。此外，太陽能電池需要足夠大的面積以產生充足的電能來保證飛行。

相比較而言，燃料電池能提供穩(wěn)定的電力輸出，而很少受到外部條件的影響。燃料電池堆具有相對高的能量密度，但燃料電池的使用受限于機載燃料的數(shù)量，并且燃料會影響無人機的總重量，燃料儲備一般是氫，重量較大。不僅如此，燃料電池也存在一些其他固有特性缺陷，如啟動時間長、瞬時能量需求響應差等。

蓄電池特點類似于燃料電池，但其容量也較為有限。不過雖然單個蓄電池的總容量較低，但其功率密度卻相對較高，因此可將蓄電池和燃料電池組合成為混合動力系統(tǒng)，其同時具有蓄電池高功率密度與燃料電池大容量的優(yōu)點。由此，可將燃料電池作為無人機在巡航階段所需的主要電力能源，而蓄電池則可作為無人機起飛或短時間超負荷工作時的補充電力能源。同時，燃料電池產生的剩余電力可用于為蓄電池充電。

8? 無人機動力系統(tǒng)的綜合選型研究

綜合上文所述，無人機動力系統(tǒng)的選擇主要取決于無人機所需的功率、功重比、效率和動力系統(tǒng)的能量密度。動力系統(tǒng)主要可以分為3個部分：第一部分是能量載體或者燃料；第二部分是動力系統(tǒng)本體；第三部分則是將能量轉變成推力的轉換設備（如螺旋槳、風扇和噴射管）。

對于功率需求較低的無人機，根據(jù)應用情況同樣可以使用噴氣發(fā)動機以外的其他動力系統(tǒng)，如往復式發(fā)動機或者活塞式發(fā)動機、汪克爾發(fā)動機或電機等，幾類無人機動力系統(tǒng)在功率范圍和航速范圍的概要對比見表3。

表3? 不同無人機動力系統(tǒng)的功率范圍及航速范圍對比

不同能源的比較見表4?？梢钥闯鱿啾扔诿河团c氫，蓄電池的能量密度依然相對較低。盡管電機的功重比相對較好，但相比于礦物燃料，現(xiàn)有電池的能量儲存能力是比較低的。這就是大型無人機多使用噴氣發(fā)動機的原因，因為其結合了大的功重比和使用高能量密度燃料的優(yōu)點。

表4? 不同能源的對比

9? 無人機動力系統(tǒng)發(fā)展前景展望

對于無人機而言，動力系統(tǒng)是一類至關重要、必不可少的組成部件。動力系統(tǒng)不僅可為無人機的航行提供推力，而且決定了無人機的性能及應用情況?？v觀無人機的設計流程可知，動力系統(tǒng)決定了無人機的續(xù)航能力、尺寸大小、重量及應用范圍。

通常用于無人機的航空發(fā)動機主要包括噴氣發(fā)動機和活塞式發(fā)動機2類。其中，噴氣發(fā)動機的結構和運行過程比活塞式發(fā)動機更為簡單。噴氣發(fā)動機的結構通常比活塞式發(fā)動機更為緊湊，并且重量更輕，這是因為燃氣輪機內的氣流處于連續(xù)流動狀態(tài)，而活塞式發(fā)動機內的氣流則處于間歇性流動狀態(tài)。因此，即使是早期的燃氣輪機，其起飛推重比也不亞于性能最優(yōu)越的活塞式發(fā)動機。不僅如此，噴氣發(fā)動機內部的燃燒過程同樣也是連續(xù)的，并不會像活塞式發(fā)動機那樣產生周期性的爆燃。在過去的幾十年中，噴氣發(fā)動機除涵道比大增以外，其推重比也得到了明顯的改善。上述指標的優(yōu)化得益于發(fā)動機材料的改進、燃燒室出口溫度的提升、核心機效率的提高，以及在相同性能條件下渦輪級數(shù)的減少。

然而，由于燃料成本的提高，以及對CO2及噪聲排放等環(huán)境問題的管控，尋找環(huán)境友好的動力系統(tǒng)已勢在必行。由于燃料電池、太陽能電池、蓄電池等電源及相關元器件的發(fā)展，使得電源更加輕質高效，電力推進有望在無人機行業(yè)得以大范圍推廣。

以太陽能為動力的無人機將是今后無人機發(fā)展的一個重要方向，但在太陽能無人機技術真正實現(xiàn)之前還需要克服不少的關鍵技術難關，然而一旦實現(xiàn)必將會是無人機的一大進步。

目前，除繼續(xù)發(fā)展傳統(tǒng)動力技術之外，為了延長航時，一些新型無人機動力技術也已逐漸受到關注，并逐漸成為研發(fā)的熱點，如無線充電技術、激光充電技術等。隨著無人機動力技術的不斷發(fā)展，部分新型動力設備有望替代傳統(tǒng)的無人機動力系統(tǒng)。但就目前而言，大多數(shù)大型無人機動力系統(tǒng)依然會優(yōu)先選用噴氣發(fā)動機來產生推力；小型無人機也會使用往復式發(fā)動機或者由電池驅動的電機。

因此，現(xiàn)階段在重點開發(fā)無人機用的噴氣發(fā)動機等重點技術的基礎上，還要對以燃料電池動力系統(tǒng)、太陽能動力系統(tǒng)、無線充電等先進技術進行重點研發(fā)，爭取實現(xiàn)無人機動力技術的彎道超車。

10? 結論

動力系統(tǒng)是無人機的心臟，主要可分為熱動力及電動力2類。就目前而言，活塞式發(fā)動機仍然是固定翼無人機采用的主要動力源，其具有動力強勁、運行可靠的特點，一般采用活塞式發(fā)動機的無人機主要是考慮長航時的需要。而噴氣發(fā)動機則具有動力性強、重量輕的優(yōu)勢，一般應用在高空航行的高速大型無人機上，但其仍面臨著成本高昂，燃油消耗率較高的弊端。

目前的無人機電動力系統(tǒng)還存在一些問題，例如航程較短，續(xù)航時間有限等。在輕量化的技術要求條件下，傳統(tǒng)的蓄電池很難實現(xiàn)更大的容量，但由此可重點發(fā)展燃料電池、太陽能等新型動力系統(tǒng)，進一步推動無人機技術的發(fā)展。

參考文獻：

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