国外微型无人机推进技术的发展 2004.doc

国外微型无人机推进技术的发展 2004-06-11
Development of MAV's Propulsion Technology

胡晓煜

20世纪90年代，国外开始发展微型无人机（MAV）以来，其动力技术就一直是人们关注和研究的热点。目前，人们提出的MAV动力方案有很多种，其中一些将在近期获得应用。本文还介绍了国外正在发展的有应用前景的MAV动力技术

在20世纪90年代初，美
国军方提出了MAV的概念，它是一种长、宽和高都小于15厘米（手掌大小）、重量不到100克、飞行速度10～20米/秒、续航时间1小时、航程1～10千米的固定翼飞机或旋翼直升机。

MAV的用途包括为野外作战提供复杂地形情况下敌方的信息以及在城市作战中侦察建筑物群之间和建筑物上方的敌情，并可进入室内窃听和监视敌方的情报。此外，这种无人机还可执行受限环境（如小巷、洞穴等）的目标搜索任务等。由于MAV具有许多诱人的应用前景，因此成为世界最热门发展的技术之一。

然而，由于尺寸、重量、续航时间等都有严格的限制，因此，MAV的发展面临许多技术难点。其中，动力系统技术是最大的难题之一。

迄今为止，人们提出的MAV动力方案包括电动机、内燃机、微型喷气发动机和往复式化学肌肉等。其中，可为电动机提供能源的包括锂电池、固态氧化物燃料电池和锌空气电池等，微型燃气涡轮发电机和热电发电机等也可作为MAV的电源。此外，国外也提出了以太阳能和微波作为MAV能量来源的想法。

但是，目前国外已发展的MAV基本采用成熟的产品和技术。固定翼型MAV大多采用以锂电池驱动的电动机为动力，旋翼型MAV大多以航模飞机用内燃机为动力。

主要要求和技术指标

MAV对其动力系统的主要要求是：重量轻、体积小；高能量密度和功率密度，可为MAV提供飞行和机载设备用一切能源；振动小，不干扰载荷的工作，如拍摄图片；噪声小，以保证MAV的隐蔽性；此外，MAV动力还应易于起动、可靠性高。

各种MAV动力的比较

电池驱动的电动机是目前MAV应用最多的动力形式。它具有技术成熟、噪声小、振动小等优点。但是，它也有很多不足：能量密度低、续航时间短（目前国外以最新型效率高达90%的无刷钕铁硼磁超小型电机和最先进的锂电池为动力的MAV最长可连续运行20～30分钟）；电池在飞行中的重量始终不变；高功率电池还有易燃、易污染等问题。目前，国外正在发展固态氧化物燃料电池和锌空气燃料电池技术，预计这些技术将在3～4年内成熟，将是MAV的最佳选择。

内燃机是目前MAV实际应用的第二种动力形式，是近期MAV的最好选择之一。目前，这种发动机已投产，具有技术成熟、价格便宜、能量密度比电池高的优点，被航模爱好者大量采用。但是，内燃机的高油耗限制了无人机的航程和续航时间，采用这种发动机的MAV最长可飞行20分钟；而且，这种发动机难以满足重量轻、噪声低、振动小和可靠性高的要求。此外，它对温度和湿度非常敏感，在恶劣的环境条件下很难使用；同时，发动机的空中再起动也存在很大困难。目前，国外正在研究低噪声、振动小和运行时间长的先进内燃机技术。
微型喷气发动机是MAV最有前途的动力装置之一。国外发展中的微型喷气发动机包括微型燃气涡轮发动机、过氧化氢火箭/涡轮组合发动机和脉冲喷气发动机等。微型燃气涡轮发动机具有高功率密度、高飞行速度和振动相对小等许多优点。但是，由于小尺寸效应的影响，这种发动机的气动损失和传热问题非常突出，此外，还存在燃烧时间过短、零件加工困难等难点。目前，这种发动机技术的发展还处于部件研究阶段。基于过氧化氢的火箭/涡轮组合发动机具有储存性好、无污染、无毒，单位推力高、无需点火、噪声极小和排气红外信号低等特点，可较好地满足MAV的性能要求，预计可持续飞行1小时。同时，这种发动机采用现有的技术，因此大大降低了技术风险。目前，国外正在制造飞行尺寸的发动机。

燃料电池技术

固态氧化物燃料电池（SOFC） 这种电池由燃料电极、氧化剂电极以及固态陶瓷电解质组成，其工作原理与普通的燃料电池相同。具有发电效率高（可达50％～60％）、噪声低、无毒、无污染、对温度和湿度不敏感、不受天气变化的影响等优点，理论上可长期使用，无需维护，电池放出的余热还可用热交换器转化为更多的电或推力。

从1997年底开始，美国IGR公司开始研制MAV用的SOFC。目前，已研制出一种可满足MAV要求的SOFC。整个电池装在一个扑克牌大小、厚1厘米的不锈钢外壳内，电池重42克，功率密度420毫瓦/克，能量密度6000焦耳/克（是最好的不可再生锂电池的4倍），输出功率18瓦，可使MAV连续飞行4小时。

锌空气电池 锌空气电池是一种性能十分优异的燃料电池，其基本工作原理是：电池阳极上的锌与电解液中的OH发生负极电化学反应，释放出电子；同时，气体扩散电极或空气阴极反应层中的催化剂与电解液和空气中的氧气接触，吸收电子，发生正极电化学反应。于是，在外电路中产生电流。

由于锌空气电池的氧化剂来自空气，因此电池重量大大减轻；比能量很高（最高达400瓦·时/千克），是现在所有化学电源中最高的；放电电压平稳、放电持续时间长、成本低、安全和无环境污染。目前，锌空气电池已用于军用便携电池包。

以色列已研制成功用于MAV的锌空气电池。该电池重13克，尺寸4.9厘米×4.9厘米×0.25厘米 ，可使重量为150克的MAV飞行30分钟。锌空气电池可做成各种形状，因此可作为MAV的一个结构单元。目前，这种电池正在美国海军陆战队的"龙眼"无人机上试验，计划2004年投入使用。

微型热电发电机

美国布莱克史伯格技术公司和Hi-Z技术公司在1998～2001年合作研制了一种用于MAV的高效微型热电发电机（TEG），利用发动机产生的废热，为MAV的机载设备供电。这种发电机利用塞贝克（温差电动势）效应，将热能直接转化为电能。发电机可做成微型发动机的外壳，或用特殊的薄膜贴在发动机的外壁上，利用发动机排出的废热产生额外的电能。目前，这两家公司的两种小型热电发电机已在几种内燃机上进行了试验，并在较大些的无人机发动机上用6块TEG产生了1瓦的电功率。今后，TEG将采用更先进的热电材料。

TEG的技术难题包括：发电机的小型化、减重、减少模块电极损失、提高能量转化率、改进耐久性和可靠性、热通量的最佳化、传热和粘接机理等。

内燃机技术

D-STAR工程公司的微型内燃机 这种发动机采用JP-8燃料，体积为0.82立方厘米，可产生74.57瓦的功率。据报道，这种发动机的噪声指标可满足MAV的噪声标准。

Estes公司的Cox系列内燃机 它是世界上最小的批生产内燃机，也是国外MAV采用最多的发动机。它具有体积小、功率大的优点，例如，Cox Tee Dee 0.01型内燃机的体积只有0.16立方厘米，重量25克，但可使5厘米的螺旋桨的转速达到30000转/分，并提供40瓦的功率，且价格很低。

Aerodyne公司的微型内燃机 20世纪90年代后期，Aerodyne公司开始为美国国防部预研局的MAV计划研制一种以丙烷为燃料的微型内燃机（MICE）该发动机具有高能量密度、重量轻、体积小的优点。另外，它摩擦损失很小，无需滑油，只需固体薄膜润滑。发动机的功率等级从10瓦到1000瓦甚至更高。功率10瓦的发动机重21克，直径1.5厘米，长4.5厘米，能量密度1200焦耳/克，功率密度330毫瓦/克，续航时间1小时。预计，功率为20瓦的MICE可连续工作8小时，并且有连续工作72小时或更长时间的潜力。

目前，Aerodyne公司丙烷燃料的MICE试验已达到了10瓦的输出功率，并进行了1小时耐久性试验，同时验证了发动机的低摩擦特性。

转子发动机 美国加利福尼亚布克利大学正在研究一种采用液体碳氢燃料的小型转子发动机。发动机采用钢材料，用放电加工（EDM）方法制造。计划发展两代可满足MAV需求的小型转子发动机。

第一代发动机的转子直径9毫米，体积78 立方毫米，厚3.6毫米，转速30000转/分，油耗14毫升/时，可产生15瓦的功率。第二代发动机的转子直径13毫米，体积348 立方毫米，厚9毫米，油耗62毫升/时，转速30000转/分，可产生30瓦的功率。同时，该公司也在研究转子直径1毫米，转速40000 转/分，发动机体积0.08立方毫米，可产生10～20毫瓦功率的微型转子发动机。

目前，该实验室正在进行采用氢与空气混气的小型转子发动机的试验，发动机在9300转/分的转速下，产生了3.7瓦的功率。这种发动机的技术难点包括密封、点火、热管理和加工技术。

微型喷气发动机

MIT的微型发动机 美国麻省理工学院（MIT）从1994年开始研究基于微机电系统的微型燃气涡轮发动机、微型燃气涡轮发电机和微型火箭发电机。微型燃气涡轮发动机直径2厘米、厚3毫米，材料为Si或SiC，重1～2克，可发出10～20瓦的电功率或0.05～0.1牛的推力，并且每小时消耗不到15克的氢。稍大的可以用碳氢燃料产生100瓦的功率。验证机采用氢燃料，材料单晶硅。基准发动机将用甲烷，材料为碳化硅。

这种发动机由6层硅片叠堆而成，气流轴向流经第1和第2片，然后转90度，从第3片的压气机转子和扩压器径向流出。当气流继续沿径向流到燃烧室进气孔时，燃料喷入并与之混合。接着，混合气又转为轴向流入第4片内的燃烧室，经点火燃烧后燃气继续转向沿径向向内流经在第5片内的涡轮导向叶片和转子叶片，最后，燃气转向轴向由在第6层内的喷管排出。

这种发动机的优点是：功率密度与同类大发动机的相同；机构紧凑、尺寸小；由于采用MEMS加工技术，因此产品的标准化程度高，成本较低；模块式结构，可多个联合使用；用途多样，可作为便携电源、推进动力、机翼附面层和环流控制器吹风以及电子设备和可带在人身上的"微型空调"等。

目前，MIT已完成了"基准"发动机的设计和零部件制造方法的研究，压气机、涡轮、燃烧室和空气轴承的试验已经结束。2001年第一季度，基准微型涡喷发动机已经开始运转。目前，采用空气轴承的涡轮转速已达到130万转/分，采用氢/空气混气的硅基燃烧室已可连续运转。MIT已研制出带催化剂的硅材料微型燃烧室，并在碳氢燃料中进行了试验。

基于过氧化氢的火箭/涡轮组合发动机 20世纪90年代后期，英国防务评估与研究局（DERA）推进部提出一种用于MAV的以过氧化氢（H2O2）和煤油或其他相近物质为燃料的火箭/涡轮组合发动机。 它的工作原理是：过氧化氢在催化剂的作用下产生蒸汽和高温氧气，氧气与位于火箭发动机尾部的小燃烧室中的煤油发生反应，产生的高速排气推动一个与涡轮耦合的涵道风扇。这种发动机具有单位推力大、排气红外信号低、无污染、无毒、可储存、无需点火系统、性能与微型燃气涡轮发动机可比等许多优点，并且由于采用了成熟的技术，技术风险小。

QinetiQ公司从2001年开始为期三年的MAV发动机研究计划， 目的是发展满足MAV要求（推动重100克的MAV飞行1小时）的发动机样机。发动机重1.6克，采用H2O2/煤油混合燃料，可产生0.0621牛的推力。目前，该公司正在制造一体化的飞行尺寸的推进系统。

往复化学肌肉

美国佐治亚技术大学的研究人员研制了一种以往复化学肌肉（RCM）为动力的扑翼微型无人机。与电池的工作原理类似，RCM通过非燃烧反应把化学能直接转化为动能，即在一个催化室中，H2O2与水混合，产生蒸汽。同时，它也为传感器或其他机载系统供电。RCM的优点是结构紧凑，并有很高的能量释放率。一个带RCM的效率100%的50克重MAV可能只需要1瓦多点的功率。1立方厘米的燃料可推动100克重的MAV飞行32秒，等量燃料可使重量减半到50克的MAV连续飞行3分钟。预计，该大学不久将试验第四代RCM。