格拉漢姆·瓦里克

地面及空中平臺的操作人員更傾向于使用煤油而非汽油作為動力系統(tǒng)燃料，尤其對于無人機(jī)系統(tǒng)而言，緊湊高效的重油發(fā)動機(jī)可激發(fā)小型無人機(jī)系統(tǒng)更大的潛能，使其在更大負(fù)載下實現(xiàn)更長的任務(wù)續(xù)航能力。但適用于無人機(jī)系統(tǒng)的輕型、可靠的重油發(fā)動機(jī)的研發(fā)并非易事。

一家位于美國康涅狄格州布洛姆菲爾德市、名為液體活塞（Liquid Piston）的新興公司，研發(fā)了一種新型熱力循環(huán)——高效混合熱力循環(huán)（HFHC）。HFHC是一種四沖程循環(huán)，燃油/空氣混合物通過轉(zhuǎn)子進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)壓縮并點燃，因為定體積燃燒，效率得到提升，隨后燃?xì)庠谕ㄟ^轉(zhuǎn)子排出之前發(fā)生過度膨脹，如圖1所示?；贖FHC，液體活塞公司正在一種新型轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)——X發(fā)動機(jī)。該發(fā)動機(jī)將比活塞柴油機(jī)更小更輕，且比汽油發(fā)動機(jī)效率更高。

X發(fā)動機(jī)的設(shè)計類似于汪克爾發(fā)動機(jī)，但結(jié)構(gòu)發(fā)生了一些變化，如圖2所示。汪克爾發(fā)動機(jī)是一種結(jié)構(gòu)簡單緊湊的轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)，具有橢圓形殼體與三角形轉(zhuǎn)子，已經(jīng)在某些無人機(jī)系統(tǒng)中得以應(yīng)用，但并未廣泛應(yīng)用。這是因為在汪克爾發(fā)動機(jī)中，三角形轉(zhuǎn)子頂部的密封裝置會隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而高速內(nèi)外移動，給潤滑造成困難，為了潤滑，不得不將潤滑油與吸入發(fā)動機(jī)的空氣混合，但這其中90%的潤滑油都會被燃燒掉。X發(fā)動機(jī)在汪克爾發(fā)動機(jī)的基礎(chǔ)上，將后者轉(zhuǎn)子和外殼的形狀顛倒，形成了三角形外殼與橢圓形轉(zhuǎn)子，如此一來，頂部密封裝置安裝在靜止的殼體上，可直接進(jìn)行潤滑。

液體活塞公司從2004年就開始致力于HFHC的研究工作，目前已經(jīng)進(jìn)行到第五代HFHC發(fā)動機(jī)的研發(fā)。其與美國陸軍合作，研發(fā)X-mini發(fā)動機(jī)（圖3），目的是為牽引榴彈炮開發(fā)混合電動電源。X-mini是一型重4lb.、輸出功率3～5hp、氣缸工作容積為70cc并采用電火花點火的發(fā)動機(jī)，其驗證機(jī)已經(jīng)在單座賽車中進(jìn)行了測試，替代了賽車原先重達(dá)40lb.、輸出功率6hp的活塞發(fā)動機(jī)。目前，X-mini發(fā)動機(jī)技術(shù)成熟度（TRL）已達(dá)到6級，其目標(biāo)是在2019年3月前達(dá)到TRL7并準(zhǔn)備投產(chǎn)，預(yù)期應(yīng)用方向包括小型無人機(jī)系統(tǒng)、小型發(fā)電機(jī)組、鏈鋸以及助力車等。

圖1 液體活塞公司的高效混合熱力循環(huán)

圖2 液體活塞公司的X發(fā)動機(jī)（右）Vs.汪克爾發(fā)動機(jī)（左）

圖3 X-mini發(fā)動機(jī)

圖4 設(shè)計用于戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)的X4發(fā)動機(jī)

之后，美國國防部預(yù)研局（DARPA）與液體活塞公司簽署了一份國防預(yù)研合同，進(jìn)一步為發(fā)電機(jī)組和無人機(jī)系統(tǒng)研發(fā)一種30kW（40hp）功率、以柴油為燃料的轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)，即X4發(fā)動機(jī)，如圖4所示。X4發(fā)動機(jī)采用壓縮點火并擁有三個缸體，其設(shè)計目標(biāo)為單位功率1.5hp/lb.、剎車單位耗油率186g/kW/hr.以及最大功率下剎車效率45%等。美國國防部預(yù)研局這一項目目前已進(jìn)入第二階段，總資金已達(dá)600萬美元。第一階段的目標(biāo)是驗證氣缸工作容積為0.75L的X4發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)完整性，已成功驗證了高達(dá)26：1的壓比，并最高能在150bar缸內(nèi)壓力下正常吸氣工作。第二階段耗資250萬美元，主要關(guān)注核心機(jī)功率和效率的驗證——核心機(jī)在40%～50%的剎車效率下達(dá)到30kW功率。X4發(fā)動機(jī)的目標(biāo)應(yīng)用為2/3級戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)，此外，液體活塞公司還在推動其在電動垂直起降空中的士的混合電動推進(jìn)系統(tǒng)中的應(yīng)用。

液體活塞公司同時也在為其200hp級的X發(fā)動機(jī)尋求作為飛機(jī)輔助動力裝置（APU）的可能性。該發(fā)動機(jī)的燃油效率將是渦輪基輔助動力裝置的4倍，相似的重量卻占更小空間。目前，已經(jīng)關(guān)于混合電動推進(jìn)和輔助動力裝置展開了合作對話。