液体活塞公司新型转子重油活塞发动机驱动无人机的发展

格拉汉姆·瓦里克

地面及空中平台的操作人员更倾向于使用煤油而非汽油作为动力系统燃料，尤其对于无人机系统而言，紧凑高效的重油发动机可激发小型无人机系统更大的潜能，使其在更大负载下实现更长的任务续航能力。但适用于无人机系统的轻型、可靠的重油发动机的研发并非易事。

一家位于美国康涅狄格州布洛姆菲尔德市、名为液体活塞（Liquid Piston）的新兴公司，研发了一种新型热力循环——高效混合热力循环（HFHC）。HFHC是一种四冲程循环，燃油/空气混合物通过转子进入内燃机压缩并点燃，因为定体积燃烧，效率得到提升，随后燃气在通过转子排出之前发生过度膨胀，如图1所示。基于HFHC，液体活塞公司正在一种新型转子发动机——X发动机。该发动机将比活塞柴油机更小更轻，且比汽油发动机效率更高。

X发动机的设计类似于汪克尔发动机，但结构发生了一些变化，如图2所示。汪克尔发动机是一种结构简单紧凑的转子发动机，具有椭圆形壳体与三角形转子，已经在某些无人机系统中得以应用，但并未广泛应用。这是因为在汪克尔发动机中，三角形转子顶部的密封装置会随着转子旋转而高速内外移动，给润滑造成困难，为了润滑，不得不将润滑油与吸入发动机的空气混合，但这其中90%的润滑油都会被燃烧掉。X发动机在汪克尔发动机的基础上，将后者转子和外壳的形状颠倒，形成了三角形外壳与椭圆形转子，如此一来，顶部密封装置安装在静止的壳体上，可直接进行润滑。

液体活塞公司从2004年就开始致力于HFHC的研究工作，目前已经进行到第五代HFHC发动机的研发。其与美国陆军合作，研发X-mini发动机（图3），目的是为牵引榴弹炮开发混合电动电源。X-mini是一型重4lb.、输出功率3～5hp、气缸工作容积为70cc并采用电火花点火的发动机，其验证机已经在单座赛车中进行了测试，替代了赛车原先重达40lb.、输出功率6hp的活塞发动机。目前，X-mini发动机技术成熟度（TRL）已达到6级，其目标是在2019年3月前达到TRL7并准备投产，预期应用方向包括小型无人机系统、小型发电机组、链锯以及助力车等。

图1 液体活塞公司的高效混合热力循环

图2 液体活塞公司的X发动机（右）Vs.汪克尔发动机（左）

图3 X-mini发动机

图4 设计用于战术无人机的X4发动机

之后，美国国防部预研局（DARPA）与液体活塞公司签署了一份国防预研合同，进一步为发电机组和无人机系统研发一种30kW（40hp）功率、以柴油为燃料的转子发动机，即X4发动机，如图4所示。X4发动机采用压缩点火并拥有三个缸体，其设计目标为单位功率1.5hp/lb.、刹车单位耗油率186g/kW/hr.以及最大功率下刹车效率45%等。美国国防部预研局这一项目目前已进入第二阶段，总资金已达600万美元。第一阶段的目标是验证气缸工作容积为0.75L的X4发动机的结构完整性，已成功验证了高达26：1的压比，并最高能在150bar缸内压力下正常吸气工作。第二阶段耗资250万美元，主要关注核心机功率和效率的验证——核心机在40%～50%的刹车效率下达到30kW功率。X4发动机的目标应用为2/3级战术无人机，此外，液体活塞公司还在推动其在电动垂直起降空中的士的混合电动推进系统中的应用。

液体活塞公司同时也在为其200hp级的X发动机寻求作为飞机辅助动力装置（APU）的可能性。该发动机的燃油效率将是涡轮基辅助动力装置的4倍，相似的重量却占更小空间。目前，已经关于混合电动推进和辅助动力装置展开了合作对话。