油动：世间最强悍的能力标兵

2023-07-23 理论教育版权反馈

【摘要】：绝大部分固定翼无人机使用汽油动力，而实用的无人直升机更是只能使用汽油发动机，因为面世的电动力直升机航时不会超过15分钟，全部只能用于娱乐。从人类发明飞机以来，一直是以燃油动力为主，最早的固定翼无人机、多旋翼无人机和无人机直升机全部都使用燃油发动机，而今天续航能力较高的无人机也是全部使用燃油发动机。汽油活塞发动机在无人机上使用的各种发动机中，汽油发动机是推力跨度最大的发动机类型。

电动无人机虽然使用简单，但是飞机上电力的传输总是受到线材的限制，大电流频繁变化会对机载设备造成干扰，电动机和电池的功率也会受到制造工艺的限制，这些特性限制了电动力的普及。电动无人机多是多旋翼无人机和总重30千克以下的固定翼。绝大部分固定翼无人机使用汽油动力，而实用的无人直升机更是只能使用汽油发动机，因为面世的电动力直升机航时不会超过15分钟，全部只能用于娱乐。也有很多人开始尝试在多旋翼无人机上使用汽油发动机，来提高续航时间，但是还没有成熟产品面世。

从人类发明飞机以来，一直是以燃油动力为主，最早的固定翼无人机、多旋翼无人机和无人机直升机全部都使用燃油发动机，而今天续航能力较高的无人机也是全部使用燃油发动机。使用燃油作为无人机动力，还有一个非常大的优点，就是燃料加注很快。一般小型无人机几分钟就可以再次执行任务，而电池充电则需要半小时至一小时的时间。另外，油动发动机的功率可以做到很高，从推力十几千克的小型汽油发动机，到推力几千千克涡扇发动机，可选余地很大。

飞行器上常见的油动发动机分为甲醇机、汽油活塞发动机、转子发动机、重油发动机、涡轮喷气发动机、涡轮轴发动机和涡轮风扇发动机几种。

但是由于甲醇往往含有甲醛的杂质，又往往加配硝基甲烷，其安全性很难保证，仅限于航模使用。涡轮轴和涡轮风扇发动机没有微型产品，常用于中大型无人机，使用、维护、保养、维修都不是目前规模的民用无人机公司能够驾驭的，我们先不详谈。微型涡轮喷气发动机的使用寿命问题至今无法解决，不会用在成熟的无人机上面，所以我们也就不再涉及相关内容。真正实用的其实还是各种汽油和重油发动机，下面就讲讲这些常见于各种无人机的汽油活塞发动机，重油发动机和转子发动机。

汽油活塞发动机

在无人机上使用的各种发动机中，汽油发动机是推力跨度最大的发动机类型。无人机上常用的有二冲程和四冲程发动机，按照气缸的分布常见的有单缸、双缸对置、四缸等分布形式，缸数越多功率也越大，工作越平稳，机构也就越复杂。

单缸和双缸对置的汽油活塞发动机

一般二冲程汽油机发动机都是单缸或双缸对置，用于100千克以下对航时要求不高的固定翼无人机。这种发动机体积比较小，结构简单，维护相对容易，价格便宜。但是由于此类无人机载荷能力有限，所以一般没有自动起动的功能，这使得发动机的起动成为一项体力活，手工拨桨和起动器起动都具有一定的危险性。二冲程发动机一般使用汽油和摩托车润滑油的混合燃油，润滑油燃烧后会直接排放，所以发动机的清理维护工作比较麻烦。

四冲程汽油发动机工作相对平稳，燃油效率要比二冲程高很多，而改装的柴油发动机则效率更高，比较成熟的无人机型号一般使用四冲程发动机。它的工作方式类似汽车发动机，具有进气、压缩、做功和排气四个工作阶段。四冲程发动机可以做到很大，小型和中型无人机所用的双缸和四缸四冲程发动机一般来自通航领域的载人飞行器，典型例子是100hp^[1]的Rotex914发动机，在很多轻型载人飞行器上使用，在许多无人机上也能够找到它们的身影。这种几十hp的航空发动机，一般都标配电子起动器，可以一键启动或空中重启，增加了飞行器的可靠性。而且它们所带的发电机输出功率能够达到几千瓦，能够满足大部分无人机机载设备的需求。

四冲程发动机的主要缺陷就是系统庞大，只要看看20hp以上的发动机配套零件列表就让人皱眉头了，100hp以上的汽油航空发动机，国内能够做到熟练使用、维护、保养、维修、存储等工作的民间无人机公司凤毛麟角，就更不用说研发了，所以中国的无人机民用之路还很遥远。

重油发动机

重油发动机是这几年的明星产品，原因就是美国波音公司与英国因斯特公司研制的扫描鹰无人机有突出的续航能力。它以整机20千克的重量却能够续航28小时，让全世界为之震惊。

扫描鹰无人机

扫描鹰无人机使用的重油发动机是3W公司和Sonex公司的两款改装产品，能够使用柴油作为燃料，避免在舰船上因为汽油的挥发带来的危险。重油发动机最吸引人的就是高燃油效率，因为柴油本身能量密度高于汽油，所以使用柴油发动机可以提高无人机的续航时间。目前常见的活塞重油发动机大多由活塞汽油机改装而成，国内很多科研单位和公司都在从事相关改装的研究，我们希望早一天看到成熟型号面世。

转子发动机

转子发动机由德国人Felix.Wankel发明，于1927年完成设计，1951年开始大量用于民用轿车。由于转子发动机结构简单、重量轻、维修容易，目前大量用于无人机领域，比较著名的型号就是美国的影子200型无人机和以色列的哈比无人机。

转子发动机的三角形汽缸

转子发动机采用三角转子，在旋转过程中配合气缸壁外形，使转子周围空间体积发生变化而完成压缩爆燃的过程。转子发动机转速高，零件比同功率的活塞发动机少50%～70%，重量轻1/3，并且振动和噪声都比较理想。最关键的是转子发动机可以使用多种燃油，这大大提高了无人机的实用性。在陆地可以使用汽油，在舰上可以使用柴油。当然转子发动机也有弱点，低转速下燃油经济性不如活塞发动机，气缸密封困难，容易磨损等，但是这世界上没有完美的事物，转子发动机的优点会使它在无人机领域有更加广阔的应用前景。

油动多旋翼无人机

由于多旋翼无人机使用维护简单的特点，越来越多地被用于工业领域，但是续航时间一般不会超过1小时。很多人想用油动发动机来解决多旋翼无人机的续航问题。但是无论是活塞发动机、转子发动机还是涡轮喷气发动机，对多旋翼无人机来说都有一个致命缺陷，转速变化迟钝。所以出现了各种折中方案，可惜少有成熟的产品面世，可见其难度很大。

最早出现的油动多旋翼无人机，就是多旋翼无人机发明者D.H.kaPlar在1956年研制的全世界第一架多旋翼无人机Convertawings。Convertawings使用两台发动机，每台发动机控制两个螺旋桨的构造，通过调节螺旋桨输出的推力来实现平衡。

Convertawings多旋翼无人机

现在的工程师们继续沿用这种传动的方式，将螺旋桨改进成变距螺旋桨，甚至直接使用直升机变距机构，通过调节螺旋桨桨叶的攻角来调整每个旋翼拉力，完成飞行器的控制。这就是油动变距多旋翼无人机，这种形式是油动多旋翼无人机中最为常见的一种，也是较为成熟的类型。由于变距控制速度比控制转速快得多，理论上控制性能可以超越电动多旋翼无人机。但是目前传动机构的复杂性，发动机转速的稳定，旋翼挥舞等问题还有待解决。

第二种油动多旋翼无人机是多发动机直驱螺旋桨。就像电动多旋翼无人机一样，使用多个发动机直驱螺旋桨，通过调整油门来控制转速，完成对飞行器的控制。这种方案也有成功案例，但是多个发动机当中一旦有一台出现异常，在很长时间内无法恢复，这对于整个飞行器来说都非常危险。另外单纯使用调速方式，就不得不面对发动机反应迟缓的缺陷，对飞控的控制能力是一种考验。

油动直驱螺旋桨多旋翼无人机

油动：世间最强悍的能力标兵

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