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油料引发无人机发动机"大战" 美欧竞逐航空重油

时间:2016-12-02 11:43 发布:社会新闻 移动版

【励志侠摘要】最后更新时间:2016-12-02 11:43,油料引发无人机发动机"大战" 美欧竞逐航空重油_谁言老干曾疏落,且看新枝再弄春 浅谈无人机的(重油)活塞发动机. 燃料篇 凤凰军事作者 兵器迷的天空 今年第十一届珠海航展,是中国军迷的盛宴。兵器迷看着这个也想写一篇,看着那个也想唠几句。最后呢,愣是一个字没写。因为那正是兵器迷工作最忙的时候,看着再眼馋也只好作罢。 今天稍缓下来,咱们先聊哪个呢...

【原标题】油料引发无人机发动机"大战" 美欧竞逐航空重油

谁言老干曾疏落,且看新枝再弄春

浅谈无人机的(重油)活塞发动机. 燃料篇

凤凰军事作者 兵器迷的天空

今年第十一届珠海航展,是中国军迷的盛宴。兵器迷看着这个也想写一篇,看着那个也想唠几句。最后呢,愣是一个字没写。因为那正是兵器迷工作最忙的时候,看着再眼馋也只好作罢。

今天稍缓下来,咱们先聊哪个呢?这次航展上要说头彩的当然是歼20,可是它的每一颗铆钉都被大家爆炒了多少回。再找找看今年的珠海航展,曝光率仅次于歼20的就是中国无人机。而大家知道,无人机的主要技术就是两项,传感器和动力。美国的《无人机系统路线图(20052030)》就指出:推进技术和处理器技术是无人机的两大关键技术。那么这次,偏爱航空发动机的兵器迷,就来聊聊无人机的动力之一航空(重油)活塞发动机。

航空重油

咱们先说航空汽油

这位说了,兵器迷跑题了啊。明明说好的是重油,怎么扯上汽油了呢?

没办法,兵器迷的话唠程度是晚期了,总爱从根儿上刨。要说航空重油,就得从航空汽油讲起。

话说,现代航空活塞发动机,其本来的用途是初级教练机、行政机、小型运动飞机和无人机的动力装置。这些发动机的燃料大多为航空汽油,但是航空汽油在实际运用中有一些缺陷:

第一个问题,是航空汽油普遍含铅,准确的说是四乙基铅(Tetra-ethyl lead,缩写TEL)。四乙基铅可以提高燃料的辛烷值,提高燃油的闪点,防止发动机内发生爆震,让发动机使用更高的压缩比,进而改善汽车发动机效率和功率。但是,过度接触四乙基铅,可以造成人的神经中毒导致的的全身性疾病,重者可昏迷致死,且有致癌嫌疑,对人体有害。

举例来说,在航空汽油品牌中,Avgas 100LL 是比较常用的,每加仑最大含铅量为2克。含铅较低的有Avgas 80/87 航空汽油,1加仑最大含铅量降低为0.5克,但也降低了辛烷值,因此只用于压缩比低的引擎。而Avgas 100/130 航空汽油辛烷值较高,同时每加仑最大含铅量达到4克,正逐渐被Avgas 100LL替代。

即便含铅添加剂正在不断降低,含铅汽油这环保日益重要的当今社会自然不受待见。欧美国家已经明确提出禁止使用含铅燃料的期限,也禁止在军舰等军事设施上配备含铅汽油,很多大航线也不配备航空汽油。这是航空汽油的最大问题之一。

解决的方式之一,是改用车用无铅汽油代替航空含铅汽油。不过车用汽油有较高的饱和蒸汽压和添加剂腐蚀性,如果飞机发动机的燃料系统没经过充分的设计,油料若在燃料管道气化为气泡,就会阻碍甚至阻断发动机燃料供应,给飞机带来安全隐患。这种气锁(Vapor Lock)效应,是汽油带来的第二个问题。

第三个问题是,航空汽油易挥发且闪点(是在规定的试验条件下,使用某种点火源造成液体汽化而着火的最低温度)较低,常温下汽油混合气体遇到明火很容易燃烧和爆炸。用于危险的军用场景不够安全。

由于上述这些原因,无人机燃料的焦点逐步移到了航空重油上。

在很多人的心目中,重油是档次比较低的油料。那么,究竟什么是航空重油呢?

咬文嚼字的说,航空重油是指馏分在航空煤油与柴油之间的航空油料。在实际应用领域,航空重油一般指的是航空煤油或轻质航空柴油。

油料引发无人机发动机

图1:航空重油(航空柴油)

航空重油没有含铅汽油的铅添加剂,也不存在无铅汽油气锁的问题,且闪点和燃点都比汽油高,在遇到意外情况后发生燃烧和爆炸的概率大大降低,因此安全性比航空汽油有很大提高,存储运输都更方便。同时,美军军用飞机采用煤油燃料是很多的,大量使用的Jet A、Jet A1、JP-5和JP-8,都是以煤油为主的燃料。比如JP-5,是煤油混合少量汽油制成, 是美军涡轮动力飞机的标准燃料之一。采用重油作为中小型无人机燃料,对减少军用后勤保障负担也有好处。再加上,与功率相同的活塞发动机与喷气发动机相比,具有体积小,重量轻,升功率高,结构简单,操作维护方便等诸多优点,作为中小型无人机的动力,整体上仍然有优势。西方航空强国们终于在上世纪末启动了重油活塞发动机的研制高潮。

1994 年,美国NASA 开始实施一项通用航空推进计划GAP,为未来价格低廉的通用轻型飞机提供动力技术。对于2010 年后的GAP、无人机UAV 动力规划,首次提出了开发重油航空发动机HFE(Heavy fuel engine)的概念。此概念的提出是基于满足美国新的适航安全标准(FAA规范)要求,以及使用成本和军用后勤保障简化的需要。而英法等国也在开发重油活塞发动机的无人机。1999年,法国莫兰-雷诺公司开发中偶遇活塞发动机的过程中,甚至宣称十年内取消航空汽油。当然后来并没有实现,但中小型无人机燃料从汽油向重油过渡的趋势已经愈发明显。

话虽如此,重油和重油活塞发动机作为无人机的航空燃料和动力,依然有自身的很多弱点,必须在研发和应用时加以考虑。

上回书说道,重油活塞发动机将成为中小型无人机的动力趋势。但是,汝之所长即汝之所短。这一篇要聊的重油活塞发动机的三个技术难点,某种程度上也来源于其自身的优点。

航空重油发动机的技术难点

第一:重油的燃料雾化技术

发动机做功,需要将燃料通过喷嘴喷成颗粒度非常细的雾状,才能与空气充分混合,达到良好的燃烧效果。雾化燃料与空气混合气的形成质量,对于动力性、经济性和排放性都有至关重要的作用。而重油,特别是柴油,比汽油的黏度高,低温流动性差。这造成重油的雾化效果要比汽油差,影响了燃烧效果,甚至导致发动机启动困难。实现重油的可靠雾化及高效的燃烧组织,成为航空重油活塞发动机的核心技术之一。

活塞发动机的重油雾化燃烧改进方式,大致有以下几种。

化油器渐改+辅助预热:两冲程活塞发动机大多采用化油器供油方式,而直接采用现有化油器很难保证重油的可靠雾化和合理燃烧。因此可以对进气系统、化油器、点火系统设计更改,同时增加辅助起动的预热系统,改善燃料的流动性。这种改进方式中,具有代表性的是德国3W公司的重油发动机方案,对进气系统采用加速管;泵膜式化油器进行改进,工作方式接近于机械喷射系统;曲轴箱预热;压缩比降低;起动加入预热塞;点火系统更改,能量增加。这种方法的缺点是,增加的附件多,修改设计复杂,实现上比较困难。

机械喷射系统:即放弃化油器方式,供油方式直接改由发动机附属机械机构驱动,完成燃油的缸内直接喷射和流量调节功能。比如美国XRDi公司的重油解决方案,采用了MCDI 机械燃油直喷系统和点燃方式,燃油直接喷到发动机缸内,实现-30℃条件下无辅助预热装置的可靠起动。这种方法的缺点是:需要单独的机械喷射调节和驱动装置,整体设计比较复杂,成本较高。而且机械调节系统调节范围有限,自由度和灵活性差,适应范围受限。

电控燃油喷射系统:熟悉汽车的同学对这个词不陌生。对的,就是借鉴汽车工业的电喷技术,对航空活塞发动机进行改进设计。电喷的调节范围大,控制自由度和灵活度高于机械喷射。比如澳大利亚Orbital 公司的AADI(Air Assistant Direct Injection) 空气辅助喷射系统,采用一体化喷嘴,使用高压空气对燃油颗粒进行冲击,实现燃油的充分雾化。并通过调整辅助空气压力和夹入空气时间,可以得到不同雾束形状,适应不同的燃烧室形状和火花塞位置。

说到这种方案,还有一个有趣的例子,和大家聊聊。

这是美国NWUAV 公司,其在进行重油雾化电喷设计的过程中,碰到了诸多困难。最后的解决办法,说起来让人叫绝他们想到了喷墨打印机,它就连很小的形状古怪的标点符号都能打印清楚。这喷墨控制喷流的绝活,能否用到喷油控制上呢?

脑洞大开的NWUAV,果真买了喷墨打印机的首席大牛HP 公司有关喷墨技术的5 项专利,并在此基础上开发了微机电MEMS的电控燃油喷射系统。该系统有类似喷墨打印机的微通道喷射结构,直接控制喷射液滴数目,实现了喷油量的精确控制,其喷射雾化效果出奇的好,而且提高了燃料的经济性,同时还可以适用于汽油、柴油、航空煤油以及重油等多种燃料,同时功耗非常低,最大不超过10W,对于小型无人机动是非常不错的选择。

什么是跨界创新,什么叫他山之石可以攻玉? 这个案例就是一个挺好的说明。

新型燃烧室结构

美国Deltahawk公司设计出了一种新型燃烧室,活塞顶部与气缸盖之间设计成上下近似对称的结构,同时采用180喷射角,大大提高了重油的雾化效果,减少了碳烟颗粒的排放,提高了发动机的整体性能。相比新型燃料喷射系统,这种新型燃烧室基本上是发动机的重新设计了。

第二、活塞发动机的涡轮增压技术

航空活塞发动机,可分为二冲程和四冲程两类,其中小功率的两冲程发动机占大多数。

二冲程航空活塞发动机,即活塞从上到下、从下到上两个行程的发动机,采用化油器、风冷、自然式吸气,具有结构简单,重量较轻,运动部件少维护方便,升功率密度大的优点,能够达到低空短航时无人机的需求。

二冲程活塞发动机的做功原理,导致难以避免扫气过程(进、排气重叠期称为扫气期)的废气排出损失,导致油耗高,润滑油消耗量也大,经济性差。另外由于缸数和冷却的限制,进一步提高功率很难。废气涡轮增压的难度也较大。

燃油/润滑油经济性差,就对无人机的长航时构成不利影响,这是一方面的缺点。

由于高空环境下空气稀薄,密度和温度下降,导致进入缸内的空气量减小,发动机充量系数下降,热负荷增加,排温升高,使得燃烧过程恶化,需要对其进行增压。而二冲程发动机无法有效增压,发动机的功率也不能有效提高,就难以提高发动机的巡航高度和实用升限,无人机的高原高空性能就会受到制约。这是另一方面的缺点。

这两个缺点,造成了二冲程发动机难以满足中空长航时无人机需求。

相比之下,四冲程航空活塞发动机,分为进气行程、压缩行程、作功行程和排气行程,燃油经济性比二冲程要好,功率也可以比二冲程航空活塞发动机功率更高。特别是得益于汽车工业技术的发展,小型高转速的废气涡轮增压器大量涌现,涡轮增压技术(和机械增压技术)也已经在四冲程航空活塞发动机得到应用,单级增压技术已经比较成熟。涡轮增压技术的使用,提高了发动机的输出功率,实现了高海拔发动机的功率恢复,从而使无人机的飞行速度和实用升限得以明显提高。

研究表明,带一级增压的活塞发动机在5000米空中可以保持其最大功率持续工作,但超过8000米以上的高空运行仍无法满足进气需求量,造成动力输出不足甚至引发熄火。而二级增压则可以将这一高度提高到11000米(NASA研究的三级增压,甚至可以将航空活塞发动机的飞行高度提高到24000米)。但汽油机在增压压缩终了,混合气浓度和温度上升明显,易发生爆燃,同时汽油机转速范围宽,与增压器的匹配困难,因此高效率增压仍有一定困难。目前国外的主流航空四冲程活塞发动机,比如德国的LIMBACH-L2400ET,德国的TKDI600,奥地利的ROTAX91 4等,普遍具有涡轮增压功能,因此具备较高的可靠性和良好的高空性能,标定转速大约在3000r/min到6000r/min,标定功率34Kw-99kW之间。比如以色列的苍鹭无人机,采用的就是74.6kW的4冲程涡轮增压发动机,巡航高度7620米。

更加典型的,是捕食者A采用的78.3kW的Rotax914型4缸4冲程涡轮一级增压活塞发动机,升限7925米。该发动机采用自然吸气时,在海拔3000m 时,其功率下降30%,4500米时下降40%,9000米时下降65%。而采用一级增压之后在海拔4500m 时,功率依然能达到平原的90%左右。

第三:高能点火技术

活塞发动机的点火方式有点燃式(火花塞跳火)和压燃式(靠压缩行程将混合气压缩到燃点,使其自动着火)。汽油机采用火花塞方式的比较多。至于重油机,第一篇说过,重油燃点比汽油高,因此火花塞点火需要很高的能量,某型号研究燃油消耗率要高于压燃式20%左右。因此重油机的点火方式更适合采用压燃式,这就需要较高的压缩比才能压燃重油。

对于点燃式的汽油机,为了保证发动机在各种工况和条件下可靠安全的点火,点火系统必须在发动机不同海拔不同工况下都能提供可靠而准确的点火花,目前航空发动机采用的先进点火技术主要有高能点火和双火花塞快速燃烧技术。高能点火系统的工作可靠性以及成本问题没有得到有效解决,航空发动机应用较少。而航空发动机应用双火花塞点火系统已有将近四十年的历史,其中,ROTAX 系列高空汽油机是应用双火花塞点火技术成功的典范。

第四、轻量化航空重油活塞发动机的可靠性

航空活塞发动机体积小,对气动设计有利;重量轻,对提高功重比有利,这是它成为通用航空领域小型飞行器动力的重要优势因素。但是航空活塞发动机的燃料从航空汽油换成重油之后,再经过上述一、二亮点的优化设计,各种部件、附件增加,发动机的体积和重量有所增加,反过来弱化了活塞机的优势。既要降低重量和体积,又要保证在重油粗暴工作方式下发动机的运行正常,对于长航时无人机还要有充分的可靠性和耐久性。这些看似相互矛盾的需求,也正是航空重油活塞发动机的技术难点所在。在前面的燃料雾化和动力增压这些技术路线比较清晰的情况下,反而是可靠性这一点,有时倒成了航空重油活塞发动机最让人头痛的地方。

从实际产品上看,国内国外的一些相关产品,在轻量化和耐久性的均衡性上也遇到了一些问题。

比如,资料表明,德国著名活塞发动机厂商蒂勒特的名牌产品Centurion 1.7发动机,生产量达到1500台,但在耐久性和可靠性上就存在一些问题。

油料引发无人机发动机

Centurion 1.7活塞发动机装备MQ-1C无人机

Centurion 1.7的数控和传动系统改进型Centurion 2.0于2006年开始生产。这是一款4缸涡轮增压柴油机,重油(航煤和航柴均)可作为其燃料。排量1.9升,最大输出功率100kW/135hp,质量134公斤,功重比0.7463,不失功率的最大爬升高度1828m。该型发动机是第一款取得FAA、EASA等60个适航认证的新型航空煤油发动机。但是生产初期依然存在价格昂贵,维修保养复杂和可靠性的问题虽然大修间隔为1500小时,但300飞行小时就要更换齿轮箱(CD数据)。

到了Centurion 2.0的发展型AE300,2009年获得EASA/FAA认证,航煤、航柴和生物重油都可以作为燃料。这一次可靠性虽然有改善,但是轻量化做的不好最大输出功率125kW,质量185公斤,功重比下降到0.6756。

法国SMA公司生产的SR305-230E,4冲程涡轮增压压燃式重油发动机,也获得EASA和FAA认证,2013年7月在美国进行了飞行表演,功率171.3kW,质量208.6公斤,功重比0.8212,不失功率最大爬升高度提升到3048m。在体积轻量化的方面做的不好,作为一款轻型飞机的动力具有820mmX930mmX750mm的较大尺寸,影响了机身的整体流线型设计,市场反馈不理想。

美国Deltahawk公司的DH4发动机,尺寸重量都不大,结构紧凑,功率123.5kW,质量148公斤,功重比0.8345,不失功率最大爬升高度提升高度5486m,大修间隔2000小时。看着数据是不是更加亮眼?问题这是一款2冲程发动机,排放问题又是最大的麻烦。

体积重量的轻量化+使用的可靠耐久性+运营的环保经济性,一举而众善备,说得容易,做到难啊!

有朋友问,燃料和技术都唠完了,那么中国无人机的重油活塞发动机,究竟有何发展呢?

预知后事如何,且听下回分解。

注:所有资料来自于互联网公开报道和公开出版物,如:

《无人机用航空活塞发动机的发展》

《活塞航空重油发动机的发展现状》

《小功率航空活塞发动机的重油技术进展》

《高端作战无人机先进动力系统发展现状及趋势》

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