國外微型無人機推進技術(shù)的發(fā)展 2004

1、國外微型無人機推進技術(shù)的發(fā)展20040611DevelopmentofMAVsPropulsionTechnology胡曉煜20世紀90年代，國外開始發(fā)展微型無人機（MAV）以來，其動力技術(shù)就一直是人們關(guān)注和研究的熱點。目前，人們提出的MAV動力方案有很多種，其中一些將在近期獲得應(yīng)用。本文還介紹了國外正在發(fā)展的有應(yīng)用前景的MAV動力技術(shù)在20世紀90年代初，美國軍方提出了MAV的概念，它是一種長、寬和高都小于15厘米（手掌大小）、重量不

2、到100克、飛行速度10～20米秒、續(xù)航時間1小時、航程1～10千米的固定翼飛機或旋翼直升機。MAV的用途包括為野外作戰(zhàn)提供復(fù)雜地形情況下敵方的信息以及在城市作戰(zhàn)中偵察建筑物群之間和建筑物上方的敵情，并可進入室內(nèi)竊聽和監(jiān)視敵方的情報。此外，這種無人機還可執(zhí)行受限環(huán)境（如小巷、洞穴等）的目標搜索任務(wù)等。由于MAV具有許多誘人的應(yīng)用前景，因此成為世界最熱門發(fā)展的技術(shù)之一。然而，由于尺寸、重量、續(xù)航時間等都有嚴格的限制，因此，MAV的發(fā)展面臨

3、許多技術(shù)難點。其中，動力系統(tǒng)技術(shù)是最大的難題之一。迄今為止，人們提出的MAV動力方案包括電動機、內(nèi)燃機、微型噴氣發(fā)動機和往復(fù)式化學(xué)肌肉等。其中，可為電動機提供能源的包括鋰電池、固態(tài)氧化物燃料電池和鋅空氣電池等，微型燃氣渦輪發(fā)電機和熱電發(fā)電機等也可作為MAV的電源。此外，國外也提出了以太陽能和微波作為MAV能量來源的想法。但是，目前國外已發(fā)展的MAV基本采用成熟的產(chǎn)品和技術(shù)。固定翼型MAV大多采用以鋰電池驅(qū)動的電動機為動力，旋翼型MAV大

4、多以航模飛機用內(nèi)燃機為動力。主要要求和技術(shù)指標MAV對其動力系統(tǒng)的主要要求是：重量輕、體積??；高能量密度和功率密度，可為MAV提供飛行和機載設(shè)備用一切能源；振動小，不干擾載荷的工作，如拍攝圖片；噪聲小，以保證MAV的隱蔽性；此外，MAV動力還應(yīng)易于起動、可靠性高。各種MAV動力的比較電池驅(qū)動的電動機是目前MAV應(yīng)用最多的動力形式。它具有技術(shù)成熟、噪聲小、振動小等優(yōu)點。但是，它也有很多不足：能量密度低、續(xù)航時間短（目前國外以最新型效率高達

5、90%的無刷釹鐵硼磁超小型電機和最先進的鋰電池為動力的MAV最長可連續(xù)運行20～30此可作為MAV的一個結(jié)構(gòu)單元。目前，這種電池正在美國海軍陸戰(zhàn)隊的“龍眼“無人機上試驗，計劃2004年投入使用。微型熱電發(fā)電機美國布萊克史伯格技術(shù)公司和HiZ技術(shù)公司在1998～2001年合作研制了一種用于MAV的高效微型熱電發(fā)電機（TEG），利用發(fā)動機產(chǎn)生的廢熱，為MAV的機載設(shè)備供電。這種發(fā)電機利用塞貝克（溫差電動勢）效應(yīng)，將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能。發(fā)電機

6、可做成微型發(fā)動機的外殼，或用特殊的薄膜貼在發(fā)動機的外壁上，利用發(fā)動機排出的廢熱產(chǎn)生額外的電能。目前，這兩家公司的兩種小型熱電發(fā)電機已在幾種內(nèi)燃機上進行了試驗，并在較大些的無人機發(fā)動機上用6塊TEG產(chǎn)生了1瓦的電功率。今后，TEG將采用更先進的熱電材料。TEG的技術(shù)難題包括：發(fā)電機的小型化、減重、減少模塊電極損失、提高能量轉(zhuǎn)化率、改進耐久性和可靠性、熱通量的最佳化、傳熱和粘接機理等。內(nèi)燃機技術(shù)DSTAR工程公司的微型內(nèi)燃機這種發(fā)動機采用J

7、P8燃料，體積為0.82立方厘米，可產(chǎn)生74.57瓦的功率。據(jù)報道，這種發(fā)動機的噪聲指標可滿足MAV的噪聲標準。Estes公司的Cox系列內(nèi)燃機它是世界上最小的批生產(chǎn)內(nèi)燃機，也是國外MAV采用最多的發(fā)動機。它具有體積小、功率大的優(yōu)點，例如，CoxTeeDee0.01型內(nèi)燃機的體積只有0.16立方厘米，重量25克，但可使5厘米的螺旋槳的轉(zhuǎn)速達到30000轉(zhuǎn)分，并提供40瓦的功率，且價格很低。Aerodyne公司的微型內(nèi)燃機20世紀90年代

8、后期，Aerodyne公司開始為美國國防部預(yù)研局的MAV計劃研制一種以丙烷為燃料的微型內(nèi)燃機（MICE）。該發(fā)動機具有高能量密度、重量輕、體積小的優(yōu)點。另外，它摩擦損失很小，無需滑油，只需固體薄膜潤滑。發(fā)動機的功率等級從10瓦到1000瓦甚至更高。功率10瓦的發(fā)動機重21克，直徑1.5厘米，長4.5厘米，能量密度1200焦耳克，功率密度330毫瓦克，續(xù)航時間1小時。預(yù)計，功率為20瓦的MICE可連續(xù)工作8小時，并且有連續(xù)工作72小時或更

9、長時間的潛力。目前，Aerodyne公司丙烷燃料的MICE試驗已達到了10瓦的輸出功率，并進行了1小時耐久性試驗，同時驗證了發(fā)動機的低摩擦特性。轉(zhuǎn)子發(fā)動機美國加利福尼亞布克利大學(xué)正在研究一種采用液體碳氫燃料的小型轉(zhuǎn)子發(fā)動機。發(fā)動機采用鋼材料，用放電加工（EDM）方法制造。計劃發(fā)展兩代可滿足MAV需求的小型轉(zhuǎn)子發(fā)動機。第一代發(fā)動機的轉(zhuǎn)子直徑9毫米，體積78立方毫米，厚3.6毫米，轉(zhuǎn)速30000轉(zhuǎn)分，油耗14毫升時，可產(chǎn)生15瓦的功率。第二