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尖兵之翼-2006中国无人机大会论文集 无人机用小型航空活塞发动机的发展

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王兴海 马震郑 勇 (西北工业大学365所，陕西西安710072) 在局部战争中，无人机作为一种越来越完备的升空平台，己经从支援型装备走到了战争的前沿， 成为现代信息化作战中令全世界刮目相看的璀璨明星，成为美国、法国、以色列等发达国家武器装 备发展的重点之一。早期无人机的动力装置几乎全部采用航空活塞式发动机，随着无人机用途扩大、 重量增加、升限提高、速度增大以及续航时间的增长，涡喷、涡桨、涡轴和涡扇发动机也己经开始 在无人机上使用。但由于活塞发动机具有体积小、重量轻、升功率高、结构简单、操作维护方便等 诸多优点，并且生产周期短、成本低，因而得到小型无人机的青睐。以小型航空活塞发动机为动力 的低空、低速无人机的种类和应用数量在无人机中都占居着主导地位。 航空动力历来是航空技术的难点和关键技术之一，随着无人机技术的发展，对小型无人机发动 机提出了更高的要求，这就为小型航空活塞式发动机技术的发展提供了方向和目标。近几年，世界 各国投入大量的人力物力，在小型航空活塞发动机强化和新技术的应用等方面进行了深入的研究， 以此来适应和推动无人机技术的发展。

1 国外发展概况 二战以后，由于西方发达国家民间航空运动和通用航空的普及，小型航空活塞式发动机在这些 国家一直有着稳固需求，这种需求促成了小型航空活塞式发动机研制、生产和使用的良性发展。目 前国外小型航空活塞式发动机工艺成熟，产品种类较为齐全，不仅有二冲程发动机，还有四冲程和转 子发动机，部分产品如表to

表1 国外航空发动机一览表

型号	UAV -AR682R	LIMBACH -L275E	LIMBACH -L550E	LIMBACH -L2400EF	LIM BACH -L2400ET	ROTAX912	ROTAX914UL
型式	双转子	二冲程	二冲程	四冲程	四冲程	四冲程	四冲程
排量	598cc	274cc	548cc	2424cc	2424cc	1211 cc	1211 cc
功率	75hp /6000rpm	22hp /7200rpm	50hp /7500rpm	I00hp /3000rpm	130hp /3000rpm	80hp /5800rpm	115hp /5800rpm
耗油率	374g/kWh			265g/kWh	255g/kWh	263 g/kWh	237g/kWh
冷却	机匣水冷 转子风冷	风冷	风冷	缸体风冷 缸头水冷	缸体风冷 缸头水冷	缸体风冷 缸头水冷	缸体风冷 缸头水冷
供油	化油器	化油器	化油器	电子喷射	电子喷射	化油器	化油器
增压	无	无	无	无	涡轮增压器	无	涡轮增压器
生产商	UEL	LIMBACH	LIMBACH	LIMBACH	LIMBACH	ROTAX	ROTAX

.524 . 尖兵之翼一2006中国无人机大会论文集 小型二冲程发动机一般为化油器、风冷、自然吸气式，具有升功率大、体积小重量轻、结构简单、 使用维护方便的优点，能满足一般小型低空短航时无人机的要求。但由于二冲程发动机缸数和冷却 的限制，进一步提高功率有很大困难，同时由于进排气过程不完善，造成二冲程活塞式发动机耗油 率较高、废气涡轮增压系统难于实现，无法满足中高空长航时无人机的要求。 四冲程发动机具有较大的功率、较低的耗油率、优良的高空性能和较高的可靠性。“捕食者”A 是美军目前一种重要的中空、远程、超长续航时间的无人机系统，其动力装置采用的是奥地利生产 的四冲程化油器式增压发动机ROTAX914 0“捕食者”A无人机升限为7925米，续航时间为40小时， 任务载荷为204公斤，可携带武器在内的多种任务设备，如导弹、合成孔径雷达、电视摄影机和前 视红外装置，卫星天线等。“苍鹭”无人机是上世纪90年代兴起的高空长航时无人机发展浪潮中的 代表作之一，1994年首次公开。该机执行多种任务，侧重于情报收集、监视、目标捕获和跟踪、通 信和数据中继。它采用一台功率74.6千瓦的四冲程涡轮增压发动机，最大起飞重量1100千克，最 大巡航速度231千米/小时，最大续航时间达50小时0 转子发动机具有运转平稳、零部件少、转速高的特点，美国的莱特(Wright)公司研制的转子发 动机主要用于军用直升机和军用车辆动力。英国Norton公司从69年开始研制三角转子发动机，产品 用于摩托车。84年以后，公司根据多年研制产品的经验，认为三角转子发动机最适合用于小型无人机。 87年该公司研制成功AR731转子发动机，用于靶机。4年中共生产了4000台AR731发动机。92年 12月UEL (UAV ENGINES LTD)公司成立，从Norton公司买了三角转子发动机的技术和生产权。 经多年的努力，目前UEL公司已成功开发了单转子风冷和双转子液冷两大系列发动机，功率范围从 20马力至90马力。UEL公司的三角转子发动机全部用小型无人机，主要用户有以色列、美国、英国、 南韩、印度等国家。目前约有25种小型无人机采用该公司的三角转子发动机。 国外小型航空活塞发动机的涡轮增压技术已经比较成熟。废气涡轮增压器可以强化发动机输出功 率，提高高空工作性能。近些年来，随着汽车工业技术的发展，废气涡轮增压器设计和制造技术发展 迅速，各种小型化、高转速的废气涡轮增压器纷纷出现，目前部分国外小型航空活塞发动机已经使用 了废气涡轮增压器。 虽然国外大部分航空活塞式发动机仍采用化油器式燃油系统，但电控汽油喷射技术己经开始在小 型航空活塞式发动机上应用。随着电子技术和控制理论的发展，发动机的自动化和智能化程度逐渐提 高，已经出现了发动机数字电子管理系统，它除了能有效控制发动机的喷油系统、点火系统和涡轮增 压器外，还兼有发动机故障诊断和检测的功能，并可辅助操作人员完成发动机的控制。

2 国内发展现状 我国无人机发展开始于50年代，从事无人机研究和设计的主要是北航，西工大和南航三所航空 院校。随着无人机的需求的扩大和国家投入的加大，许多研究所加入到了无人机研究的行列，现在 全国从事无人机研究和设计的单位大约有50多个。早期设计的无人机主要用作靶机，动力主要采用 二冲程活塞发动机。现在研究设计的无人机采用的动力装置有活塞发动机，涡喷、涡桨、涡轴和涡 扇发动机等。例如:北航目前正在研制的XXX型无人机属于中高空长航时无人机，其动力装置采

.525 . 尖兵之翼-2006中国无人机大会论文集 用的是奥地利生产的115匹马力ROTAX914废气涡轮增压四冲程发动机。目前国内大部分无人机研 究所采用的小型航空活塞发动机都是进口国外的。 西北工业大学是我国目前唯一的小型航空活塞式发动机的研制单位，目前定型的发动机有多个 型号，产品有二冲程发动机和转子发动机，功率覆盖范围15-55马力，只能满足全机重量小于350 公斤的小型低空中短航时无人机的要求。 为了满足未来无人机向体积更大、质量更重、飞的更高、飞行时间更长的方向发展，国内多个 单位到正在研制功率范围为60-130马力的二冲程或四冲程活塞发动机，其中西北工业大学从2003 年己经开始研制功率为80马力的二冲程发动机，现已进入样机试验阶段。

表2 西北工业大学研制的小型航空活塞发动机

发动机型号	HS-280	HS-350	HS-510 HS-700	Z2G
型式	二冲程	二冲程	二冲程 二冲程	单转子
排量	280cc	350cc	510cc 700cc	208cc
功率输出	15hp /6000rpm	25hp /6000rpm	39hp /6000rpm 55hp /6200rpm	36hp /7800rpm
耗油率	380g/hp. h	360g/hp. h	380g/hp. h 360g/hp. h	380g/hp. h
冷却方式	风冷	风冷	风冷 风冷	风冷
供油方式	化油器	化油器	化油器 化油器	化油器
增压	无	无	无 无	无
减速器	无	无	无 无	无
生产商	西工大	西工大	西工大 西工大	} 西工大
3 主要差距
与国外产品相 (1)可靠性 可靠性是小型	比，国内航空 /使用寿命 航空活塞式发	活塞式发动机 动机最重要的	产品在下列几个方面存在差距。 要求，在飞行期间发动机必须无	故障。良好的结构设计
加上严格的质量控 般都在数百小时， 子系统的裕度的等	制才能达到可 ROTAX912发 都可以增加发	靠性要求。国 动机的寿命甚 动机可靠性和	外80-150hp的小型航空活塞式发 至达到上千小时。新材料、加工 使用寿命。例如，点火系统应该	动机产品中使用寿命一 工艺的改进、增加关键 是双裕度的，两套磁电
机、每个汽缸两个 国内的航空活塞式 (2)产品类 国内目前仅有 没有适合5000-100	火花塞。在现 发动机在这方 型较少 小型二冲程往 00米高度使用	代电子控制发 面的刚刚起步 复和转子活塞 的四冲程增压	动机中，主要的传感器和发动机 。 式发动机，功率覆盖范围为15-5 发动机。	控制单元是双裕度的。 5马力，可选种类较少。