作者簡(jiǎn)介：伍賽特（1990-），男，工學(xué)碩士，工程師，經(jīng)濟(jì)師，信息系統(tǒng)項(xiàng)目管理師，知識(shí)產(chǎn)權(quán)師，中國(guó)內(nèi)燃機(jī)學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員，中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員。研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置。

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

摘? 要：簡(jiǎn)要概述無人機(jī)的定義、分類及相關(guān)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，重點(diǎn)對(duì)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)、汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)（亦稱轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)）、噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)（含渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)及渦輪螺旋槳風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)等）等無人機(jī)熱動(dòng)力系統(tǒng)（航空發(fā)動(dòng)機(jī)），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(jī)電動(dòng)力系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行詳盡闡述，并對(duì)不同無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的選型過程及應(yīng)用可行性進(jìn)行分析，為相關(guān)技術(shù)研究提供必要的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；燃料電池；熱動(dòng)力系統(tǒng)；電動(dòng)力系統(tǒng)；發(fā)動(dòng)機(jī)

中圖分類號(hào)：V279? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：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(jī)是指由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、機(jī)內(nèi)無人駕駛、可重復(fù)使用的、可依靠機(jī)載控制器自主飛行或由人在計(jì)算機(jī)或特定遙控器的遙控下飛行的飛行器[1]。

無人機(jī)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(xiǎn)的任務(wù)。無人機(jī)相比于傳統(tǒng)的載人飛行器，具有以下優(yōu)點(diǎn)。

可實(shí)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(jìn)行空戰(zhàn)的風(fēng)險(xiǎn)，而無人機(jī)由于沒有駕駛員，會(huì)在很大程度上減少戰(zhàn)爭(zhēng)中的人員傷亡，因此無人機(jī)在軍事領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

成本低廉。由于無人機(jī)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(yīng)急系統(tǒng)等，設(shè)計(jì)、研制、使用和維護(hù)的成本大大降低。一般的無人機(jī)造價(jià)只有載人飛行器的10%，甚至更低。

機(jī)動(dòng)靈活，低能耗。無人機(jī)本身結(jié)構(gòu)相比于載人機(jī)要更簡(jiǎn)單，因此尺寸小、重量輕，便于起降和控制，機(jī)動(dòng)靈活。同時(shí)耗能較低，續(xù)航時(shí)間遠(yuǎn)長(zhǎng)于一般的載人飛行器，相比載人機(jī)具有更廣闊的活動(dòng)空間，能夠進(jìn)入惡劣的或載人機(jī)不易進(jìn)入的環(huán)境中進(jìn)行工作。

隱蔽性強(qiáng)。無人機(jī)的小體積也使得其反射面積比載人機(jī)要小得多，更容易躲避雷達(dá)的檢測(cè)，使得其暴露率大大減小。而它機(jī)動(dòng)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(diǎn)，無人機(jī)在軍事偵察和攻擊等軍事領(lǐng)域以及公共安全、農(nóng)林、環(huán)保、交通、航拍等民用領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，無人機(jī)技術(shù)也成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，具有較為廣闊的發(fā)展前景。

1? 無人機(jī)及其分類

1.1? 按無人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域分類

無人機(jī)按照其應(yīng)用領(lǐng)域分類可分為軍用無人機(jī)和民用無人機(jī)。軍用無人機(jī)包括靶機(jī)、無人偵察機(jī)、無人戰(zhàn)斗機(jī)、無人誘餌機(jī)和電子干擾無人機(jī)等。也可按任務(wù)的周期長(zhǎng)短分為戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)和戰(zhàn)略無人機(jī)，所執(zhí)行的任務(wù)往往周期較長(zhǎng)，具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。在民用方面，無人機(jī)已經(jīng)被運(yùn)用到通信中繼、公共安全、應(yīng)急搜救、農(nóng)業(yè)噴藥、環(huán)保監(jiān)測(cè)、交通管制、氣象預(yù)測(cè)和影視航拍等多個(gè)領(lǐng)域。

1.2? 按無人機(jī)機(jī)翼布局樣式分類

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

1.2.1? 固定翼式無人機(jī)

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

1.2.2? 撲翼式無人機(jī)

撲翼式無人機(jī)是以仿生學(xué)原理為基礎(chǔ)，通過模仿飛行生物（例如蒼蠅、蝙蝠等）的外觀而設(shè)計(jì)的無人機(jī)，這種無人機(jī)在飛行時(shí)通過機(jī)翼的上下?lián)鋭?dòng)產(chǎn)生升力和向前的推進(jìn)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(chǎn)生的動(dòng)力有限，因此這種無人機(jī)多為微小型無人機(jī)。

1.2.3? 旋翼式無人機(jī)

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

1.3? 按無人機(jī)的性能指標(biāo)分類

1.3.1? 按機(jī)體重量分類

不同的無人機(jī)機(jī)體重量差別較大，按機(jī)體重量分為微型、輕型、中型、重型和超重型5個(gè)等級(jí)。

微型無人機(jī)：機(jī)體重量小于5 kg。由于這類無人機(jī)體積小巧，部署便捷，機(jī)動(dòng)靈活，隱蔽性強(qiáng)，可以很好地用于軍事偵察、通信、電子干擾、對(duì)地攻擊，以及城市監(jiān)控、邊境巡邏等任務(wù)，因此微型無人機(jī)是當(dāng)前無人機(jī)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一。

輕型無人機(jī)：機(jī)體重量在5～50 kg。

中型無人機(jī)：機(jī)體重量在50～200 kg。

重型無人機(jī)：機(jī)體重量在200～2 000 kg。

超重型無人機(jī)：機(jī)體重量大于2 000 kg。

1.3.2? 按航程和續(xù)航時(shí)間劃分

近程無人機(jī)：最大飛行時(shí)間小于5 h的無人機(jī)。

中程無人機(jī)：最大飛行時(shí)間在5～24 h的無人機(jī)。

遠(yuǎn)程無人機(jī)：最大飛行時(shí)間大于24 h的無人機(jī)。

1.3.3? 按機(jī)翼載荷量劃分

所謂機(jī)翼載荷量，是指機(jī)體重量與機(jī)翼面積的比值。由小到大可分為以下3類。

低載荷：機(jī)翼載荷量小于50 kg。

中載荷：機(jī)翼載荷量在50～100 kg。

高載荷：機(jī)翼載荷量大于100 kg。

2? 無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)概述

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

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

應(yīng)用于航空器的發(fā)動(dòng)機(jī)主要包括活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，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(dòng)機(jī)都可以在無人機(jī)上使用。

圖1? 航空發(fā)動(dòng)機(jī)分類

3? 活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)

3.1? 總體概述

在活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)中，通過燃料在氣缸內(nèi)的燃燒，將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。其工作的每一循環(huán)包括5個(gè)過程：①進(jìn)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(gè)過程可以在2個(gè)行程內(nèi)完成，稱為兩行程發(fā)動(dòng)機(jī)；也可以在4個(gè)行程內(nèi)完成，稱為四行程發(fā)動(dòng)機(jī)。用于航空領(lǐng)域的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)大多為四行程，并且大多配備有增壓器，使空氣進(jìn)人氣缸前先經(jīng)過增壓器增壓，從而增加進(jìn)入氣缸的空氣量。

3.2? 汽油活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)

汽油活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)是發(fā)展歷史最悠久的航空發(fā)動(dòng)機(jī)，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(dòng)機(jī)。在氣缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞通過連桿與曲軸連接，曲軸（直接或通過減速器）驅(qū)動(dòng)螺旋槳為飛機(jī)提供前進(jìn)動(dòng)力。第一種成功的航空發(fā)動(dòng)機(jī)是萊特兄弟為“飛行者”飛機(jī)設(shè)計(jì)制造的汽油活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)采用液冷、四行程、火花點(diǎn)火的方式運(yùn)行。

汽油活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過多年的改進(jìn)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(jìn)。大部分改進(jìn)集中在整機(jī)性能提升，而動(dòng)力系統(tǒng)的制造方法等方面實(shí)際上并未改變。而在噪聲、振動(dòng)、易于使用和成本等方面，相較于現(xiàn)代車用發(fā)動(dòng)機(jī)，用于航空領(lǐng)域的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)在這些方面的性能相對(duì)更差[2-3]。

3.3? 柴油活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)

該類發(fā)動(dòng)機(jī)以柴油作為燃料，柴油價(jià)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(jià)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(dòng)機(jī)，但一直都沒有取得大的突破。美國(guó)航空航天局（NASA）于20世紀(jì)70年代實(shí)施了柴油活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)研究計(jì)劃，研發(fā)了一款功率為300 kW的機(jī)組。該款發(fā)動(dòng)機(jī)采用6缸星型結(jié)構(gòu)，配備有減速器，并采用渦輪增壓系統(tǒng)，最終由于技術(shù)方案問題，沒有取得成功。

20世紀(jì)末期，得益于車用柴油機(jī)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展和產(chǎn)品性能的大幅提升，航空柴油活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)突破性發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)、電子燃油噴射系統(tǒng)、渦輪增壓等技術(shù)和系統(tǒng)的采用，使其能更有效地發(fā)揮固有的優(yōu)勢(shì)。柴油活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的柴油采用壓燃方式，無須使用點(diǎn)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(dòng)機(jī)在使用性能上的優(yōu)點(diǎn)是耗油率較低（單位功率下單位時(shí)間的燃油消耗率）。2000年以來，由于航空汽油價(jià)格持續(xù)走高，存在未來市場(chǎng)供應(yīng)不足的問題，對(duì)柴油活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的需求迫切，由此得到了一定發(fā)展。在該類發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展過程中，歐洲企業(yè)在世界范圍內(nèi)保有領(lǐng)先地位，這主要依托于車用柴油機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

3.4? 活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用與技術(shù)發(fā)展概述

如3.2中所述，活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)有著悠久的發(fā)展史，萊特兄弟的第一架飛機(jī)即采用了活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)。直到第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束前期，在噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)第一次運(yùn)用于軍事戰(zhàn)爭(zhēng)之前，活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)是唯一使用的發(fā)動(dòng)機(jī)類型。此后，噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)首次取代了活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，因?yàn)槠淇梢栽诟叩乃俣认嘛w行，并且具有很好的動(dòng)力性能。目前，活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)多用于小型航空器。

無人機(jī)用活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)單臺(tái)功率小至幾千瓦，大至幾十千瓦?；钊桨l(fā)動(dòng)機(jī)必須驅(qū)動(dòng)螺旋槳等推進(jìn)器才能為飛行器提供動(dòng)力。螺旋槳剖面與機(jī)翼剖面相似，從空氣動(dòng)力學(xué)原理看，螺旋拉力的產(chǎn)生和機(jī)翼上升力的產(chǎn)生在原理上是相同的。

4? 汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)

4.1? 汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)

該類發(fā)動(dòng)機(jī)是由德國(guó)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(dòng)機(jī)相近，仍然是燃料在密閉空間里燃燒釋放熱量，并轉(zhuǎn)換為輸出功。

汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)也可被視為一類活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，但與上文3.2及3.3中所述的采用往復(fù)式結(jié)構(gòu)的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)有所不同，汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞在氣缸內(nèi)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，無需配備曲柄連桿機(jī)構(gòu)。汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)通過氣口換氣，同樣不需要復(fù)雜的氣閥配氣機(jī)構(gòu)，因而結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，并具有重量輕、體積小、比功率高、零件少、制造成本低、運(yùn)轉(zhuǎn)平衡且高速性能良好等優(yōu)點(diǎn)。與四行程發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸每旋轉(zhuǎn)2圈做1次功相比，汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)1圈就做1次功，具有升功率高的優(yōu)點(diǎn)。此外，由于汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子作軸向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，無須精密的曲軸平衡，無需連桿、進(jìn)排氣門和凸輪軸等配氣機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)上更簡(jiǎn)單緊湊，零件總數(shù)和運(yùn)動(dòng)件數(shù)分別減少30%和60%，且不會(huì)產(chǎn)生往復(fù)慣性力，因此能夠在較高的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。

盡管汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)有諸多的優(yōu)點(diǎn)，但由于換氣、燃燒和膨脹做功等不充分而導(dǎo)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(yán)重，零部件壽命短等問題，這些缺點(diǎn)也限制了汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展。

4.2? 汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用

汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)的概念于20世紀(jì)20年代末期即已提出，在車用汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)不斷成熟的基礎(chǔ)上，其應(yīng)用范圍也逐步擴(kuò)展到了航空領(lǐng)域。20世紀(jì)60年代，汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)開始安裝到小型航空器上，在無人機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用日漸廣闊。如4.1中所述，汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子采用偏心結(jié)構(gòu)，將高溫燃?xì)獾膲毫D(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、重量輕、功重比高、振動(dòng)小、噪聲低、運(yùn)行平穩(wěn)和轉(zhuǎn)速高等優(yōu)點(diǎn)。轉(zhuǎn)子不會(huì)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(fù)部件，超速運(yùn)行時(shí)不易發(fā)生損傷。德國(guó)汪克爾股份有限公司成功發(fā)展出專門用于飛機(jī)的汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)，并實(shí)現(xiàn)了一定技術(shù)上的突破。汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)類飛機(jī)上的應(yīng)用越來越普遍。

汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)的工作轉(zhuǎn)速相對(duì)較高，扭矩相對(duì)較低，螺旋槳必須使用減速裝置。汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)的一項(xiàng)突出優(yōu)勢(shì)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(jī)組油氣比有所降低，由此可與減速器一起工作，相應(yīng)降低曲軸轉(zhuǎn)速，從而便于驅(qū)動(dòng)螺旋槳。但由此使得汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)的功重比有所降低。不僅如此，這些系統(tǒng)增加了機(jī)組成本，因此汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)尚未在航空領(lǐng)域得到大范圍推廣。

目前，汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)的部分問題并未得到充分解決，可用產(chǎn)品的功率一般都較小，主要用于無人機(jī)，如需在輕型飛機(jī)和家庭自制飛機(jī)上得以應(yīng)用，還需要較長(zhǎng)時(shí)間的完善。

5? 噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)

在20世紀(jì)40年代以前，航空動(dòng)力領(lǐng)域主要采用活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)。但當(dāng)航空器的飛行速度提高到接近聲速，需要突破聲障時(shí)，卻遇到了重重困難。噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的出現(xiàn)，才使得飛行器的飛行性能有了質(zhì)的飛躍，開創(chuàng)了一個(gè)新的飛行時(shí)代?，F(xiàn)階段得以廣泛應(yīng)用的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)主要包括渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)及渦輪螺旋槳風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)等幾類。

5.1? 渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)

渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)是一類早期出現(xiàn)的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，其最簡(jiǎn)單的形式是由壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪和推進(jìn)噴管組成。該類發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)工作時(shí)，燃?xì)庠趪姽軆?nèi)膨脹，幾乎全部剩余勢(shì)能都轉(zhuǎn)換成了動(dòng)能，燃?xì)饬骶哂泻芨叩乃俣?，從而產(chǎn)生推力推動(dòng)航空器前行。

5.2? 渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)

渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)是目前最常見的一種噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，這種發(fā)動(dòng)機(jī)是在渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的前段加裝了一個(gè)風(fēng)扇，該風(fēng)扇可被視為一個(gè)較大的單級(jí)壓氣機(jī)，與后文所述的渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)有一定相似之處。所不同的是，風(fēng)扇被封閉在一個(gè)管狀殼體里。只有一小部分進(jìn)入風(fēng)扇的空氣經(jīng)過渦輪，其余的空氣（80%～90%）通過管狀導(dǎo)管（外涵道）流到推進(jìn)噴管中，發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)相比，渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)更為高效且噪聲更小。該類發(fā)動(dòng)機(jī)單位推力的耗油量?jī)H有早期發(fā)動(dòng)機(jī)的1/2，并且噪聲下降了20 dB。因?yàn)樵擃惏l(fā)動(dòng)機(jī)在飛行馬赫數(shù)大于0.8時(shí)仍能平穩(wěn)地飛行，所以在商業(yè)運(yùn)輸中得以廣泛使用?，F(xiàn)階段大部分的客機(jī)均采用了渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)。

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

5.3 渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)

與渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)相比，渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)加裝了一個(gè)螺旋槳，其可以使排氣流通過變速箱推動(dòng)螺旋槳。

渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)中，相當(dāng)一部分燃?xì)獾臒崮苻D(zhuǎn)變?yōu)榕ぞ匦问降臋C(jī)械功，繼而轉(zhuǎn)換成螺旋槳的拉力；剩余燃?xì)獾臒崮軇t轉(zhuǎn)換成噴氣的動(dòng)能，即以噴氣推力的形式對(duì)外輸出。因而渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)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(dòng)機(jī)主要應(yīng)用于高空長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)。

第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，成千上萬的運(yùn)輸機(jī)安裝了這種發(fā)動(dòng)機(jī)。得益于渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)的高燃油效率，其已被用于軍用重型運(yùn)輸機(jī)。但在馬赫數(shù)高于0.65時(shí)，渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)無法很好地投入運(yùn)作，這使得其在商業(yè)領(lǐng)域失去了競(jìng)爭(zhēng)力，但這并不妨礙其被用于軍事領(lǐng)域。

5.4? 渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)

渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程與渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)相似，但結(jié)構(gòu)上的差別較大。渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)利用一個(gè)不與壓氣機(jī)相連的自由渦輪驅(qū)動(dòng)無人直升機(jī)的旋翼，并從發(fā)動(dòng)機(jī)尾部輸出功率。

與渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)由渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)及附加的渦輪組成。然而，渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)多用于直升機(jī)上，附加的渦輪則用于驅(qū)動(dòng)旋翼和尾槳[5]。渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸通常較小，該類發(fā)動(dòng)機(jī)最關(guān)鍵的性能是高可靠性（許多小型直升機(jī)只有一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)）和低自重。

5.5? 渦輪螺旋槳風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)

渦輪螺旋槳風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)（簡(jiǎn)稱為“槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)”）是渦輪螺旋發(fā)動(dòng)機(jī)最新的一種結(jié)構(gòu)型式。渦輪螺旋槳風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于其燃油消耗率明顯低于渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)，而且自身馬赫數(shù)高達(dá)0.8。由于使用了現(xiàn)代化的材料，渦輪螺旋槳風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的螺旋槳具有更高的強(qiáng)度和更薄的超聲速葉片，這使采用渦輪螺旋槳風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的新型飛機(jī)比采用渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)的傳統(tǒng)飛機(jī)具有更高的飛行速度。但渦輪螺旋槳風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)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(jià)格的上漲，對(duì)渦輪螺旋槳風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行降噪處理的要求勢(shì)在必行。

5.6? 噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的對(duì)比

如上文所述，目前在飛機(jī)上用作動(dòng)力源的航空發(fā)動(dòng)機(jī)，主要有活塞式和噴氣式2大類。2類發(fā)動(dòng)機(jī)均利用燃料在機(jī)組內(nèi)燃燒，并將燃燒所產(chǎn)生的一部分熱能轉(zhuǎn)換為推動(dòng)飛機(jī)前進(jìn)的能量。

事實(shí)上，活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)本身只能將燃料燃燒所產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換成扭矩形式的機(jī)械能，并不能直接推動(dòng)飛機(jī)前行，必須依靠螺旋槳將扭矩轉(zhuǎn)換成為推進(jìn)力，才能為飛機(jī)提供真正的動(dòng)力來源。

活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)由于使用壽命長(zhǎng)，并具有較高的可靠性，以及在低空、低速飛行時(shí)的經(jīng)濟(jì)性，所以直到目前為止，仍有一定的應(yīng)用前景。但就目前而言，活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)如需輸出更高的功率，并實(shí)現(xiàn)更高的飛行速度，有2類技術(shù)問題必須克服：一類是活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)本身的，另一類是螺旋槳的。活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)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(jié)果必然會(huì)顯著增加發(fā)動(dòng)機(jī)的重量和體積。

噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)有著顯著區(qū)別。在活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)中，燃料燃燒所產(chǎn)生的熱能，首先通過活塞連桿及曲軸機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)動(dòng)螺旋槳的機(jī)械能，然后再由螺旋槳將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成為推進(jìn)功率；而噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)則沒有用于轉(zhuǎn)換能量的中間機(jī)構(gòu)（如曲軸、活塞等）。

在活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)中，燃料燃燒的熱能首先作用于活塞上，使曲軸旋轉(zhuǎn)；而噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的推力可直接用于推動(dòng)飛機(jī)。

對(duì)于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)而言，由于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的氣體燃燒后向外噴出，由此產(chǎn)生反作用力推動(dòng)飛機(jī)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(chǎn)生推力，如圖1所示的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)即依靠此類原理工作。就現(xiàn)階段而言，噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)已在許多領(lǐng)域中代替了活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，其主要原因主要有以下幾點(diǎn)。

1）噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的比重量低于活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，并且該數(shù)值還有日益下降的趨勢(shì)。這一優(yōu)點(diǎn)主要源于2個(gè)方面。一方面，渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)本身的重量相對(duì)較小。

2）噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的正面投影面積較小，所以產(chǎn)生的阻力同樣較小。

3）噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)造更為簡(jiǎn)易，沒有進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)部件，沒有配備氣門機(jī)構(gòu)等復(fù)雜的機(jī)構(gòu)，所以噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)件數(shù)目通常少于活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)。

4）與活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)相比，噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的飛機(jī)通常很難飛行至這一高度。

5）活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)多采用精煉的高級(jí)汽油；與此相對(duì)，噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)于燃料的要求并不嚴(yán)格，可燃用價(jià)格更為低廉的煤油，顯著降低了燃料成本。

噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)，主要在于低速航行時(shí)的經(jīng)濟(jì)性較差。與活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)相比，渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)在起飛時(shí)的動(dòng)力性能較差。但總體而言，渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)可使飛機(jī)以超音速的狀態(tài)飛行，在該領(lǐng)域具備顯著優(yōu)勢(shì)。

5.7? 現(xiàn)階段噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用

如5.6中所述，噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)是現(xiàn)階段大多數(shù)航空器動(dòng)力系統(tǒng)選擇，因?yàn)槠渚哂懈吖χ乇群褪褂酶呙芏热剂系哪芰?。噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的核心燃?xì)獍l(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(shí)際應(yīng)用。因此，燃?xì)獍l(fā)生器被認(rèn)為是所有噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)所共有的子系統(tǒng)，而將燃?xì)鈩?dòng)力轉(zhuǎn)化成推進(jìn)功率的具體設(shè)備可以有所不同。盡管所有的燃?xì)獍l(fā)生器具有相同的功能，并且在構(gòu)型上或多或少有相似之處，但考慮到不同的應(yīng)用情況，燃?xì)獍l(fā)生器依然可以采用特殊的設(shè)計(jì)方案。

如上文所述，噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)可根據(jù)軸數(shù)、涵道比、機(jī)械結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)外形等參數(shù)的不同來進(jìn)行分類。在渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中，通過從出口排出的高速噴射流產(chǎn)生推力，大部分時(shí)間排氣流速度等于當(dāng)?shù)芈曀伲聪喈?dāng)于排氣口被堵塞。在渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)中，大多數(shù)空氣被吸入涵道中，因此不會(huì)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(jí)風(fēng)扇壓縮，然后在噴口處加速。因此，在渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)中，特別是用于現(xiàn)代大型民用飛機(jī)的大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)，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(chǎn)生的。在渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)中，渦輪產(chǎn)生的額外功率用于驅(qū)動(dòng)螺旋槳并產(chǎn)生推力。相比于渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)，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?xì)獍l(fā)生器中流出的高溫燃?xì)狻?/p>

6? 發(fā)動(dòng)機(jī)在無人機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用及選型研究

一種無人機(jī)選用何種動(dòng)力系統(tǒng)主要由無人機(jī)的任務(wù)和各種動(dòng)力系統(tǒng)的特點(diǎn)決定。相關(guān)研究表明，假設(shè)無人機(jī)的尺寸、推力要求和載油量一定，首先可通過計(jì)算獲得無人機(jī)選用活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)，包括續(xù)航時(shí)間、航程、巡航速度和平均大修間隔時(shí)間，并以此作為基礎(chǔ)進(jìn)行性能比較。如果將活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)替換為渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)，無人機(jī)的最佳巡航速度會(huì)提高70%左右，由此可大幅改善無人機(jī)的響應(yīng)時(shí)間和生存能力。與活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)相比，渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的不足之處是航程和續(xù)航時(shí)間較短，其主要原因在于渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油率高于活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)。如果采用渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)，無人機(jī)的航程和續(xù)航時(shí)間會(huì)略微加長(zhǎng)，續(xù)航速度亦有所提高（但不及渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)），大修間隔時(shí)間類似渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)。通過對(duì)已投入使用的各型無人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)適用情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，表1列出了上述幾類航空發(fā)動(dòng)機(jī)在無人機(jī)領(lǐng)域的適用領(lǐng)域。

從目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)投入使用和正在發(fā)展的各種無人機(jī)來看，雖然其選用的發(fā)動(dòng)機(jī)類別不同，但都傾向于采用技術(shù)已經(jīng)成熟的航空發(fā)動(dòng)機(jī)，并在已有發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上針對(duì)無人機(jī)特性進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)。

對(duì)于任何一類無人機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)的選擇都是一項(xiàng)較為復(fù)雜的問題，不僅涉及發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸，同時(shí)還涉及許多其他的因素，如發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)目、類型、安全性、運(yùn)行環(huán)境、壽命及可靠性、初始成本和維護(hù)費(fèi)用等方面。

在無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的選擇上，是在已有發(fā)動(dòng)機(jī)上改進(jìn)，還是發(fā)展一種全新的發(fā)動(dòng)機(jī)，主要取決于無人機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的要求和用戶的經(jīng)濟(jì)承受能力。用戶的經(jīng)濟(jì)承受能力主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)的采購(gòu)和使用成本2個(gè)方面。發(fā)動(dòng)機(jī)性能和用戶經(jīng)濟(jì)承受能力作為一個(gè)對(duì)立統(tǒng)一體，只有達(dá)到一種相對(duì)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(dòng)機(jī)均適用于無人機(jī)，除了上文提到的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)及渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)等幾類，表2中列出了固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)及脈沖噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)等幾類其他機(jī)型，通過闡述其優(yōu)缺點(diǎn)，分析了其是否適用于無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)。

7? 無人機(jī)電動(dòng)力系統(tǒng)

如上文所述，無人機(jī)使用的熱動(dòng)力系統(tǒng)主要有活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)等幾類。此外，部分小型無人機(jī)也會(huì)采用電機(jī)作為動(dòng)力來源，主要是考慮電機(jī)性能較為可靠，并且維護(hù)簡(jiǎn)單。在之前的較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，電機(jī)多應(yīng)用于航模飛機(jī)，隨著自身性能的優(yōu)化，電機(jī)也可用作于低載荷無人機(jī)、多旋翼無人機(jī)的主要?jiǎng)恿υ?。而為了向電機(jī)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(jī)燃料電池動(dòng)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(jī)中，燃料電池已經(jīng)被用作為主要的動(dòng)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(diǎn)，燃料電池已越來越廣泛地應(yīng)用于各類無人機(jī)中。與純蓄電池驅(qū)動(dòng)的無人機(jī)相比，其具有更高的有效載荷和更長(zhǎng)的航程優(yōu)勢(shì)。

7.2? 無人機(jī)太陽能動(dòng)力系統(tǒng)

一般使用太陽能作為動(dòng)力的無人機(jī)都會(huì)在機(jī)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(huì)自動(dòng)吸收能量，并儲(chǔ)存在蓄電池內(nèi)部作為備用。這是最理想的無人機(jī)動(dòng)力來源，因此各個(gè)國(guó)家都在持續(xù)開發(fā)太陽能無人機(jī)。

除供用戶完成必要的日常工作以外，無人機(jī)也在發(fā)揮著各種重要的生產(chǎn)力作用，尤其是太陽能無人機(jī)。太陽能無人機(jī)的使用場(chǎng)景十分豐富，可以用于監(jiān)測(cè)氣候、環(huán)境以及貨物運(yùn)輸?shù)?。太陽能無人機(jī)在民用領(lǐng)域有較大的應(yīng)用潛力，因而近年來受到較多的關(guān)注。

7.3? 無人機(jī)電源系統(tǒng)的性能對(duì)比

就目前而言，上述無人機(jī)電源系統(tǒng)的特點(diǎn)總結(jié)如下：太陽能電池可利用光能產(chǎn)生電力。由于太陽能電池采用外部能源，其反應(yīng)活動(dòng)不受機(jī)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(yán)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(chǎn)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(duì)高的能量密度，但燃料電池的使用受限于機(jī)載燃料的數(shù)量，并且燃料會(huì)影響無人機(jī)的總重量，燃料儲(chǔ)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(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、瞬時(shí)能量需求響應(yīng)差等。

蓄電池特點(diǎn)類似于燃料電池，但其容量也較為有限。不過雖然單個(gè)蓄電池的總?cè)萘枯^低，但其功率密度卻相對(duì)較高，因此可將蓄電池和燃料電池組合成為混合動(dòng)力系統(tǒng)，其同時(shí)具有蓄電池高功率密度與燃料電池大容量的優(yōu)點(diǎn)。由此，可將燃料電池作為無人機(jī)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(jī)起飛或短時(shí)間超負(fù)荷工作時(shí)的補(bǔ)充電力能源。同時(shí)，燃料電池產(chǎn)生的剩余電力可用于為蓄電池充電。

8? 無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的綜合選型研究

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

對(duì)于功率需求較低的無人機(jī)，根據(jù)應(yīng)用情況同樣可以使用噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)以外的其他動(dòng)力系統(tǒng)，如往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)或者活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)、汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)或電機(jī)等，幾類無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)在功率范圍和航速范圍的概要對(duì)比見表3。

表3? 不同無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的功率范圍及航速范圍對(duì)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(duì)較低。盡管電機(jī)的功重比相對(duì)較好，但相比于礦物燃料，現(xiàn)有電池的能量?jī)?chǔ)存能力是比較低的。這就是大型無人機(jī)多使用噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的原因，因?yàn)槠浣Y(jié)合了大的功重比和使用高能量密度燃料的優(yōu)點(diǎn)。

表4? 不同能源的對(duì)比

9? 無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展前景展望

對(duì)于無人機(jī)而言，動(dòng)力系統(tǒng)是一類至關(guān)重要、必不可少的組成部件。動(dòng)力系統(tǒng)不僅可為無人機(jī)的航行提供推力，而且決定了無人機(jī)的性能及應(yīng)用情況?？v觀無人機(jī)的設(shè)計(jì)流程可知，動(dòng)力系統(tǒng)決定了無人機(jī)的續(xù)航能力、尺寸大小、重量及應(yīng)用范圍。

通常用于無人機(jī)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)主要包括噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)2類。其中，噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行過程比活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)更為簡(jiǎn)單。噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)通常比活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)更為緊湊，并且重量更輕，這是因?yàn)槿細(xì)廨啓C(jī)內(nèi)的氣流處于連續(xù)流動(dòng)狀態(tài)，而活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的氣流則處于間歇性流動(dòng)狀態(tài)。因此，即使是早期的燃?xì)廨啓C(jī)，其起飛推重比也不亞于性能最優(yōu)越的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)。不僅如此，噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的燃燒過程同樣也是連續(xù)的，并不會(huì)像活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)那樣產(chǎn)生周期性的爆燃。在過去的幾十年中，噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)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(biāo)的優(yōu)化得益于發(fā)動(dòng)機(jī)材料的改進(jìn)、燃燒室出口溫度的提升、核心機(jī)效率的提高，以及在相同性能條件下渦輪級(jí)數(shù)的減少。

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

以太陽能為動(dòng)力的無人機(jī)將是今后無人機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要方向，但在太陽能無人機(jī)技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)之前還需要克服不少的關(guān)鍵技術(shù)難關(guān)，然而一旦實(shí)現(xiàn)必將會(huì)是無人機(jī)的一大進(jìn)步。

目前，除繼續(xù)發(fā)展傳統(tǒng)動(dòng)力技術(shù)之外，為了延長(zhǎng)航時(shí)，一些新型無人機(jī)動(dòng)力技術(shù)也已逐漸受到關(guān)注，并逐漸成為研發(fā)的熱點(diǎn)，如無線充電技術(shù)、激光充電技術(shù)等。隨著無人機(jī)動(dòng)力技術(shù)的不斷發(fā)展，部分新型動(dòng)力設(shè)備有望替代傳統(tǒng)的無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)。但就目前而言，大多數(shù)大型無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)依然會(huì)優(yōu)先選用噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)來產(chǎn)生推力；小型無人機(jī)也會(huì)使用往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)或者由電池驅(qū)動(dòng)的電機(jī)。

因此，現(xiàn)階段在重點(diǎn)開發(fā)無人機(jī)用的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)等重點(diǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，還要對(duì)以燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)、太陽能動(dòng)力系統(tǒng)、無線充電等先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)研發(fā)，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)無人機(jī)動(dòng)力技術(shù)的彎道超車。

10? 結(jié)論

動(dòng)力系統(tǒng)是無人機(jī)的心臟，主要可分為熱動(dòng)力及電動(dòng)力2類。就目前而言，活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)仍然是固定翼無人機(jī)采用的主要?jiǎng)恿υ?，其具有?dòng)力強(qiáng)勁、運(yùn)行可靠的特點(diǎn)，一般采用活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的無人機(jī)主要是考慮長(zhǎng)航時(shí)的需要。而噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)則具有動(dòng)力性強(qiáng)、重量輕的優(yōu)勢(shì)，一般應(yīng)用在高空航行的高速大型無人機(jī)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(jī)電動(dòng)力系統(tǒng)還存在一些問題，例如航程較短，續(xù)航時(shí)間有限等。在輕量化的技術(shù)要求條件下，傳統(tǒng)的蓄電池很難實(shí)現(xiàn)更大的容量，但由此可重點(diǎn)發(fā)展燃料電池、太陽能等新型動(dòng)力系統(tǒng)，進(jìn)一步推動(dòng)無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 伍賽特.無人機(jī)技術(shù)特點(diǎn)研究及未來發(fā)展趨勢(shì)展望[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2019（7）：7-9.

[2] 伍賽特.車用特種發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)特點(diǎn)研究及應(yīng)用前景展望[J].交通節(jié)能與環(huán)保，2023，19（5）：26-31.

[3] 伍賽特.熱力發(fā)動(dòng)機(jī)在車用動(dòng)力裝置領(lǐng)域的應(yīng)用研究及前景展望[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化，2023，13（6）：291-294，297.

[4] 伍賽特.軍用飛機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀研究及未來發(fā)展趨勢(shì)展望[J].機(jī)電信息，2019（21）：146-147.

[5] 伍賽特.直升機(jī)動(dòng)力裝置技術(shù)特性及發(fā)展趨勢(shì)研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2023，13（17）：30-35，41.

[6] 伍賽特.電動(dòng)飛機(jī)應(yīng)用可行性分析及前景展望[J].節(jié)能，2020，39（4）：57-60.

[7] 伍賽特.燃料電池應(yīng)用于航空推進(jìn)領(lǐng)域的前景展望[J].能源研究與管理，2018（4）：89-91，105.