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重庆理工大学研发的无人机 受访者供图 过去十几年间，国内在无人机设计和研发方面进行了深入的探索和研究，并取得了令人瞩目的成果，但是国内的无人机动力装置研发水平均远逊于国外。动力装置是制约无人机发展的重要因素，无人机研发首先遭遇到的是发动机技术的瓶颈。 日前，重庆理工大学车辆工程学院动力研究所发布消息称，他们正向研发的一项工业级无人机发动机，打破了国内在无人机用小型活塞式发动机领域的瓶颈，弥补了自主知识产权空白，将率先抢占国内自主研发的无人机发动机市场。该发动机能够使整机搭载100kg负荷，具有功重比大、寿命长、续航里程长等优势。不久之后，将在九龙坡区实现产业化。 尴尬 我国无人机发动机多进口 我国目前多款无人机均采用奥地利Rotax 914型活塞发动机，这种发动机是世界上多种高空长航时无人机的主要动力系统，然而一旦对方限制出口，国内无人机就将陷入缺乏动力设备的艰难境地。 由于国外发达国家对于无人机的研发开始较早，因此取得了较为先进的技术成果，在无人机用小型活塞式发动机研发领域也取得了长足的发展和进步。如2013年，欧洲研制成功一款为轻型单发直升机设计的V8活塞发动机，该发动机具有良好的功重比和优秀的经济性及动力性能，验证了在轻型直升机上配装活塞发动机的合理性。 “在无人直升机动力设备这一最重要的技术领域，我国直升机用发动机基本依赖于进口来满足，尤其是起飞重量在200kg~300kg级的动力系统，国内动力领域完全是一片空白。”重庆理工大学车辆工程学院动力研究所所长杨靖教授介绍，目前，无人直升机采用的动力装置可分为三大类，活塞式发动机、涡轴发动机和电流动力系统。其中，活塞式发动机是无人直升机最重要的动力装置构成。由于无人直升机用发动机对功重比要求较高，其工作环境又极为苛刻，而我国无人直升机研制起步较晚，尤其在无人直升机用活塞式发动机这一领域的研发尚无成熟的产品。 突破 自主研发无人机发动机 “我们正向开发研制的发动机，将打破国内在无人机用小型活塞式发动机领域的瓶颈和弥补无自主知识产权技术的空白，率先抢占国内自主研发的无人机发动机市场。”杨靖告诉记者，针对目前市场上的小型工业级无人直升机动力短缺的现状，团队正向开发了2V86发动机，功率55kW、重量38kg。在发动机冷却系统、润滑系统、燃烧系统及标定方法等方面，根据航空发动机的需求进行了多项创新并申请了发明专利，使其在小型活塞式航空发动机中，具有功重比大、寿命长、续航里程长等优势。 这些技术瓶颈都是如何攻破的？ 首先，通过降低发动机的体积和质量，有效提高了发动机的功重比，即发动机的功率和重量之比。“活塞式发动机相较于涡轴发动机的主要劣势就在于功重比不够大，本项目针对起飞重量200Kg~300Kg、飞行高度在3000m以内的无人直升机进行动力设备设计，有效提高功重比以充分发挥活塞式发动机制造成本低、寿命长、热效率高、油耗率低、续航里程长等特点。”杨靖解释，活塞式发动机的功重比提高具有较高的难度，一般在1左右，本项目研发额定功率55kW的无人直升机专用发动机，其重量控制在38Kg以内，功重比1.4，增压后功率可达80kW，功重比则接近2，这在活塞式发动机里都是十分先进的指标。 “由于直升机的工作环境较地面工作环境严峻、恶劣得多，如果直接将传统活塞式发动机装载在直升机上，则势必会极大地影响发动机的寿命和无人机的操控稳定性等，发动机甚至会直接发生过热、拉缸和失火等故障，直升机就会由于失去推进力而丧失速度与高度，造成严重的事故。”杨靖称，因此，通过正向开发对发动机结构进行相应调整和完善，有效提高发动机搭载直升机工作时的可靠性和稳定性，充分保障无人直升机工作的安全性和寿命。 对于普通任务载荷的无人直升机起飞重量大多在200~300kg，较轻的起飞重量不仅对发动机自身的重量有所限制，同时也制约着其燃油携带质量，而无人直升机进行军事侦察、交通监控、航空摄影等任务时，均要求长航时长里程，所以发动机燃油经济性指标显得尤为重要。该项目研发的发动机创新性地将车用发动机的双火花塞、四气门、高压缩比、虚拟增压等高效燃烧系统运用到无人直升机用发动机的研发上，从而大大提高发动机的经济性，提高无人直升机的续航里程。 项目为有效提高发动机的动力性和工作可靠性，还开发了新型高效燃烧系统，在有效控制热负荷的同时提高了发动机升功率。“针对国内的机械制造和材料工艺水平，设计了新型合理的结构来弥补对零部件加工精度和材料工艺的严苛要求。”杨靖解释，通过集成现代内燃机先进技术，在不盲目提升关键零部件要求的前提下确保整机可靠性和耐久性寿命，全面实现发动机生产的国产化，在降低发动机成本的同时，形成整机系列化发展并与企业联合实现产品市场化。 应用 小型航空发动机将产业化 记者在重庆理工大学车辆工程学院实验室看见了应用2V86发动机的无人直升机，这也是该研发团队开发的，在机身设计和色彩渲染等细节方面，发挥了该学院工业设计专业特长，使机身在制作简单、具有隐身功能的前提下，同时具有现代感，不仅流体阻力小而且端庄大气。整机可以搭载100kg的任务载荷，无论医疗急救或农林植保等民用领域都能够很好地胜任。 “虽然发动机研究和发展工作的特点是技术难度大、耗资多、周期长，但其对飞机的性能以及飞机研制的成败和进度有着决定性的影响。”杨靖表示，这款发动机将通过其优秀的功率重量比、工作可靠性和稳定性、良好的节油性等特点为国内无人直升机提供可靠的动力，打破国产无人直升机动力装备基本依靠进口的窘迫现况，为国产无人直升机提供一颗强劲的“中国心”。 这款正向研制的发动机将打破国内在无人机用小型活塞式发动机领域的瓶颈和弥补无自主知识产权技术的空白，率先抢占国内自主研发的无人机发动机市场。目前已与北京比扬航空有限公司签订了配套搭载合作意向，与西安翔安测控设备有限责任公司签订了动力/飞控一体化合作协议书。此外，这款无人机发动机的产业化也指日可待。重庆理工大学计划通过产学研合作的方式，在九龙坡区成立航空发动机生产企业，专门生产自主研发的系列化小型航空发动机。 |
