國(guó)外微型無(wú)人機(jī)推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展 2004

1、國(guó)外微型無(wú)人機(jī)推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展20040611DevelopmentofMAVsPropulsionTechnology胡曉煜20世紀(jì)90年代，國(guó)外開(kāi)始發(fā)展微型無(wú)人機(jī)（MAV）以來(lái)，其動(dòng)力技術(shù)就一直是人們關(guān)注和研究的熱點(diǎn)。目前，人們提出的MAV動(dòng)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(guó)外正在發(fā)展的有應(yīng)用前景的MAV動(dòng)力技術(shù)在20世紀(jì)90年代初，美國(guó)軍方提出了MAV的概念，它是一種長(zhǎng)、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(shí)間1小時(shí)、航程1～10千米的固定翼飛機(jī)或旋翼直升機(jī)。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(jìn)入室內(nèi)竊聽(tīng)和監(jiān)視敵方的情報(bào)。此外，這種無(wú)人機(jī)還可執(zhí)行受限環(huán)境（如小巷、洞穴等）的目標(biāo)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(shí)間等都有嚴(yán)格的限制，因此，MAV的發(fā)展面臨

3、許多技術(shù)難點(diǎn)。其中，動(dòng)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(dòng)力方案包括電動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、微型噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和往復(fù)式化學(xué)肌肉等。其中，可為電動(dòng)機(jī)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?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)和熱電發(fā)電機(jī)等也可作為MAV的電源。此外，國(guó)外也提出了以太陽(yáng)能和微波作為MAV能量來(lái)源的想法。但是，目前國(guó)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(dòng)的電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，旋翼型MAV大

4、多以航模飛機(jī)用內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力。主要要求和技術(shù)指標(biāo)MAV對(duì)其動(dòng)力系統(tǒng)的主要要求是：重量輕、體積?。桓吣芰棵芏群凸β拭芏?，可為MAV提供飛行和機(jī)載設(shè)備用一切能源；振動(dòng)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(dòng)力還應(yīng)易于起動(dòng)、可靠性高。各種MAV動(dòng)力的比較電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)是目前MAV應(yīng)用最多的動(dòng)力形式。它具有技術(shù)成熟、噪聲小、振動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)。但是，它也有很多不足：能量密度低、續(xù)航時(shí)間短（目前國(guó)外以最新型效率高達(dá)

5、90%的無(wú)刷釹鐵硼磁超小型電機(jī)和最先進(jìn)的鋰電池為動(dòng)力的MAV最長(zhǎng)可連續(xù)運(yùn)行20～30此可作為MAV的一個(gè)結(jié)構(gòu)單元。目前，這種電池正在美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)的“龍眼“無(wú)人機(jī)上試驗(yàn)，計(jì)劃2004年投入使用。微型熱電發(fā)電機(jī)美國(guó)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(jī)（TEG），利用發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的廢熱，為MAV的機(jī)載設(shè)備供電。這種發(fā)電機(jī)利用塞貝克（溫差電動(dòng)勢(shì)）效應(yīng)，將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能。發(fā)電機(jī)

6、可做成微型發(fā)動(dòng)機(jī)的外殼，或用特殊的薄膜貼在發(fā)動(dòng)機(jī)的外壁上，利用發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)已在幾種內(nèi)燃機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)，并在較大些的無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上用6塊TEG產(chǎn)生了1瓦的電功率。今后，TEG將采用更先進(jìn)的熱電材料。TEG的技術(shù)難題包括：發(fā)電機(jī)的小型化、減重、減少模塊電極損失、提高能量轉(zhuǎn)化率、改進(jìn)耐久性和可靠性、熱通量的最佳化、傳熱和粘接機(jī)理等。內(nèi)燃機(jī)技術(shù)DSTAR工程公司的微型內(nèi)燃機(jī)這種發(fā)動(dòng)機(jī)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(bào)道，這種發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲指標(biāo)可滿足MAV的噪聲標(biāo)準(zhǔn)。Estes公司的Cox系列內(nèi)燃機(jī)它是世界上最小的批生產(chǎn)內(nèi)燃機(jī)，也是國(guó)外MAV采用最多的發(fā)動(dòng)機(jī)。它具有體積小、功率大的優(yōu)點(diǎn)，例如，CoxTeeDee0.01型內(nèi)燃機(jī)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(dá)到30000轉(zhuǎn)分，并提供40瓦的功率，且價(jià)格很低。Aerodyne公司的微型內(nèi)燃機(jī)20世紀(jì)90年代

8、后期，Aerodyne公司開(kāi)始為美國(guó)國(guó)防部預(yù)研局的MAV計(jì)劃研制一種以丙烷為燃料的微型內(nèi)燃機(jī)（MICE）。該發(fā)動(dòng)機(jī)具有高能量密度、重量輕、體積小的優(yōu)點(diǎn)。另外，它摩擦損失很小，無(wú)需滑油，只需固體薄膜潤(rùn)滑。發(fā)動(dòng)機(jī)的功率等級(jí)從10瓦到1000瓦甚至更高。功率10瓦的發(fā)動(dòng)機(jī)重21克，直徑1.5厘米，長(zhǎng)4.5厘米，能量密度1200焦耳克，功率密度330毫瓦克，續(xù)航時(shí)間1小時(shí)。預(yù)計(jì)，功率為20瓦的MICE可連續(xù)工作8小時(shí)，并且有連續(xù)工作72小時(shí)或更

9、長(zhǎng)時(shí)間的潛力。目前，Aerodyne公司丙烷燃料的MICE試驗(yàn)已達(dá)到了10瓦的輸出功率，并進(jìn)行了1小時(shí)耐久性試驗(yàn)，同時(shí)驗(yàn)證了發(fā)動(dòng)機(jī)的低摩擦特性。轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)美國(guó)加利福尼亞布克利大學(xué)正在研究一種采用液體碳?xì)淙剂系男⌒娃D(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)采用鋼材料，用放電加工（EDM）方法制造。計(jì)劃發(fā)展兩代可滿足MAV需求的小型轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)。第一代發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)，可產(chǎn)生15瓦的功率。第二