【《无人机发动机技术发展分析》3000字】

无人机发动机技术发展研究目录TOC\o"1-3"\h\u5098无人机发动机技术发展研究 I262431动力发展需求研究 I232242活塞式发动机技术发展分析 II195322.1重油发动机需求 II57342.2多级增压技术 II325833涡轴发动机技术发展分析 II174123.1高速度飞行 III145603.2高精度恒转速及变转速控制 III34563.3混合电推进系统 III165664涡桨发动机技术发展分析 III296314.1更高电功率的提取 IV53334.2滑油系统适应性改进 IV25201参考文献 IV摘要：近年来，无人机在中空长航时领域的发展和应用不断扩张，从平台性能，载荷需求等方面、机场适应性，适航认证等、供应链是自主可控的、可靠性，安全性等对核心关键设备发动机的整体要求，进行了中小航空发动机型谱规划、系列化开发，模块化设计，开发思路，鉴定定型、全生命周期的低成本要求，带来的是反思与启发。关键词：无人机；活塞式发动机；涡轴发动机；涡桨发动机技术1动力发展需求研究中空长航时无人机的动力装置一般选用常规吸气式小涡轮发动机或者往复式内燃机，每代无人机整机升级换代，都会伴随发动机产品容量的增加。新能源类动力装置同样得到了大力发展，但是，离通航产业化还有待技术成熟，配套齐全。当前我国主流多款中空长航时无人机都是军民两用型无人机，民用平台多是在早期国内军用，军贸无人机平台的基础上进行适应性改装。与民用产品相比，军用产品在现实战场环境中、气象，电磁场等环境错综复杂，它的性能需求高、功能需要更齐全、自主可控的要求比较严格、采购价格较高。受到行业特点，应用领域的影响、市场规模等等因素，很少有针对通航应用另行开发动力产品，仅仅是物流运输领域，就已经诞生了数种新型的平台，但是还没有形成规模，没有实现产业化。2活塞式发动机技术发展分析中空长航时固定翼无人机为了达到高升力和高升阻比的目的、缓失速特性的续航，一般取后掠角小，展弦比大的特点、长直机身的“滑翔机”设计，中小型活塞式发动机（≤300kW）由于其价格低廉，油耗少，技术成熟、维修方便的优点，辅之以恒速螺旋桨，能达到起飞，爬升的目的、巡航，着陆等典型剖面中功率推力优化匹配问题，因此，中，小型航空活塞式发动机仍将是该类型无人机相当长一段时间内的优选动力源。由于航空活塞式发动机工艺开发的需要，以核心关键产品自主可控为需求，以产业链，供应链补链为强链为背景，以航天科工31所、重庆宗申、以安徽航瑞为代表，已进行国产化开发，并且已被广泛的证实。2.1重油发动机需求航空重油比普通车用汽油，航空煤油安全系数更高、燃烧效率高的同时还方便储存与取用。重油航空活塞式引擎大多使用高压共轨式燃油，燃油消耗量较少，本实用新型能够极大地增加已有平台航时航程。美国以“捕食者”系RQ-1为原型，经过改装成重油发动机，更新到MQ-1C“灰鹰”之后，起飞质量从1t增加至1.6t,航时由原来的24h增加至36h,核心性能与作战能力得到了极大的提高。以满足功率需求为前提进行轻量化设计、增压匹配技术等、在重油活塞式发动机的开发过程中，高效可靠燃烧是一个技术难题。2.2多级增压技术针对航空活塞式发动机高空功率衰减，进气增压为有效措施。通常是在单级涡轮增压之后进行，航空活塞式发动机运行高度可达8000m以上；以增加升限、解决高原起降难题，两级乃至多级增压技术急需克服。目前，国际上研究采用三级增压，甚至能使航空活塞式发动机飞行高度达到24000m,而且国内对这一领域的研究也比较晚。另外，多级增压所带来的各层级高效匹配，裕度设计等、高空舱标定，高效中冷和综合热管理技术等都是人们关注的焦点。3涡轴发动机技术发展分析中空长航时垂直起降无人机具有强烈的市场需求，这种无人机构型涉及单旋翼，纵列式和倾转旋翼。复杂的飞行模态是该类型无人机平台所具有的一个典型特点，因此，发动机环境适应性强，能量密度大，涡轴发动机就成了它的首选发动机。3.1高速度飞行这一阶段无人直升机速度包线几乎都是以Ma0.3为约束条件，倾转旋翼型无人机兼具直升机垂直起降优点，还具有固定翼飞机的快速性等，因此，可以广泛应用在边远地区的物资投送，岛屿之间的运输等场合。该型无人机最高飞行速度可达到Ma0.4或更高，所以为打破发动机速度包线，达到无人机使用需求，必须对现有国产发动机进排气系统加以改进和设计，文中还给出了有关仿真计算、地面台架试验与高空台试验相结合，对飞行性能评估提供数据支持。3.2高精度恒转速及变转速控制垂直起降无人机继续朝着多模态，高机动的方向扩展，针对需同时考虑多模态旋翼分系统，对转速变化异常灵敏，为了确保旋翼在各种模态下都能够保持很高的效率，需要使旋翼恒转速控制精度保持在一个较高水平上，否则将引起单个模态的旋翼效率的急速降低，继而引起飞机的控制发散；另外为了满足飞机多模态飞行需要，旋翼需要在不同的工作模态下运行，转速各不相同，而且目前的涡轴发动机通常都是单一的恒转速的控制输出，因此，需要通过发动机控制率优化来达到多恒速点变速要求。3.3混合电推进系统相对于携带传统发动机飞行器而言，混合动力飞行器节能，环保、振动量级小，噪声水平小，构造简单、操纵方便的优点。对于旋翼无人机，在起降阶段，以及进行高机动飞行的情况下，采用“涡轴加电机”并联式混合电推进方式，既有足够动力来源，还可以达到对动力快速反应的目的，为了达到高精度的恒转速和变转速控制；巡航阶段使涡轴发动机处于最优工作状态，降低油耗时，还可以对储能装置进行充电。在混合电推进系统中，能源管理是其中一项关键技术，其中，以规则为基础的稳态能量管理策略、在优化算法基础上提出了一种动态能量管理策略、能量等动态协调控制都是研究关注的焦点。4涡桨发动机技术发展分析就中空长航时型无人机而言，与活塞式发动机相比，涡桨发动机有一个更强大的优点：更大的功率；功率质量比在3.5~4.8kW/kg，比活塞式发动机高1kW·kg-1；与活塞式往复部件相比，高速旋转部件的振动量级小；在海拔8000~15000m有较好高空性能。当前，国际上以涡桨发动机为驱动的无人机平台主要以5t级别为主，主要是PredatorB型无人机，采用TPE331-10T涡桨发动机、采用PT6A-67A涡桨发动机，用于HeronTP无人机、采用AI-450T涡桨发动机AkinciB无人机。4.1更高电功率的提取中空长航时无人机注重广域，远距和综合应用，通常携带合成孔径雷达、卫星通信设备等、机载防撞系统，光电吊舱、语音电台和其他应用载荷。用电功耗增大对于发动机电功率的提取也有较多需求，比如，装有500kW级别轴功率涡桨发动机，需抽取电功率大于15kW。另外，单发无人机为了系统备份，至少实现两台机载发电机联合发电出力。要求发动机研制单位改型研制时加大电功率提取能力和裕度设计，并着重评价了用电功率增加对发动机性能的影响、油耗的变化及使用的限制。4.2滑油系统适应性改进与通航有人机飞行高度比较，有必要对用于中高空，长航时无人机的涡桨发动机滑油系统的运行能力进行评价，特别地，轴承腔与滑油箱之间的压力发生改变、滑油泵泵油能力大、封严效果及其他以免影响发动机的润滑与冷却。另外飞行时间长，滑油消耗量亦随之增加，滑油筒扩容是十分必要的，具有滑油液面监测，低液位报警等功能，进一步确保了发动机的工作安全以及平台的飞行安全。参考文献[1]于广民,王奉明,卢娟.高空长航时无人机用发动机推力需求及技术特点分析[J].燃气涡轮试验与研究,2021,34(6):7.[2]孔祥恩,刘海峰.无人机用航空活塞发动机关键技术的研究进展[J].小型内燃机与摩托车,2021,050(003):79-87.[3]李悦霖.美国陆军寻求多燃料无人机发动机技术[J].国际航空,2020(11