中空长航时无人机恒速螺旋桨与发动机匹配研究

温占永，罗洋

(中国航天空气动力技术研究院 航天彩虹无人机股份有限公司， 北京 100074)

0 引 言

中空长航时无人机一般是指飞行高度为3～9 km、飞行时间为20～40 h的无人机，具有质量轻、价格便宜、耗油率低、推进效率高等特点，可用于执行侦察监视、对地打击、战场毁伤评估、电子战等军事任务或者自然灾害状况观测、通讯中继、气象研究、高空大气科学等民用任务[1-4]。近年来随着导航、飞行控制、数据链等技术的发展成熟，中空长航时无人机成为各国武器装备研发的热点，代表性的机型有美国的“捕食者”(MQ-1)、以色列的“苍鹭” (Heron)以及中国的“彩虹-4”(CH-4)、“彩虹-5”(CH-5)、“翼龙-1” 等。中空长航时无人机一般飞行速度在300 km/h以内，在该速度范围内选用活塞式发动机与螺旋桨组合作为动力装置最为经济[5-6]。随着飞行高度的升高，非增压活塞发动机的功率严重衰减，因而中空长航时无人机一般选用涡轮增压活塞式发动机[7-8]。可变桨距、木质或复合材料恒速螺旋桨在宽广的飞行速度范围内可保持较高的螺旋桨效率，被广泛应用于中空长航时无人机上[9-10]。

中空长航时无人机航时、航程等飞行性能的好坏不仅受发动机本身经济性能的影响，还取决于恒速螺旋桨与发动机匹配性能的优劣。最理想的情况是，在无人机飞行高度-速度包线内，发动机工作在经济区间且所选择的螺旋桨在各发动机经济工况点的效率均最高。唐梓杰等[11]对某航空二冲程活塞发动机与定距螺旋桨开展了匹配研究，提出为小型二冲程活塞发动机选配最佳定距螺旋桨的方法；林漫群等[12]对低空轻型无人机推进系统螺旋桨与发动机开展了匹配试验研究，考虑了风速对驱动力和耗油量的影响，但没考虑飞行高度的影响，该方法较适用于小型发动机与定距螺旋桨的优化匹配。

针对中空长航时无人机用大型恒速螺旋桨与活塞式发动机的匹配研究相对匮乏的问题，本文结合发动机速度特性曲线、耗油率特性曲线、高空特性曲线及螺旋桨推进特性曲线，提出为已选定活塞式发动机匹配恒速螺旋桨的方法，以期为中空长航时无人机用恒速螺旋桨的选配提供参考。

1 理论分析

1.1 螺旋桨基本公式

螺旋桨的基本特性公式[13]如下：

前进比：

(1)

功率系数：

(2)

拉力系数：

(3)

飞行时的推力：

(4)

静止时的推力(净态推力)：

(5)

式中：V为飞行速度，m/s；n为螺旋桨转速，r/s；D为螺旋桨直径，m；Pe为发动机输出功率，W；ρ为空气密度，kg/m3；η为螺旋桨效率。

一般情况下，螺旋桨厂商提供基于螺旋桨前进比、功率系数的螺旋桨效率矩阵。根据式(1)和式(2)可计算出前进比和功率系数，再对厂商提供的螺旋桨效率矩阵插值计算可得出螺旋桨效率，进而可计算出飞行时螺旋桨的推力。通过式(1)～式(5)可知，飞行速度、螺旋桨直径、发动机功率、发动机转速、大气密度对前进比或功率系数有影响，进而对螺旋桨效率有影响。因此，螺旋桨与发动机的匹配分析应综合考虑上述因素。

1.2 匹配特性评价

中空长航时无人机飞行剖面一般分为起飞、爬升、巡航、下滑及着陆等飞行阶段。中空长航时无人机对航时、航程要求较高，因此恒速螺旋桨与活塞式发动机匹配的优劣在于是否在无人机飞行高度-速度包线内具有较低的单位推力燃油消耗率及较高的推力输出。单位推力燃油消耗率综合反映了活塞式发动机与螺旋桨组合作为动力装置的经济性能，如式(6)～式(8)所示。

(6)

Wf=bePe

(7)

(8)

式中：Wf为燃油消耗率，g/h；F为螺旋桨(或组合动力装置)推力，kgf；sfc为单位推力燃油消耗率，g/(kgf·h)；be为发动机单位功率燃油消耗率，g/(W·h)。

通过公式(8)可见，在单位功率燃油消耗率和飞行速度不变时，螺旋桨效率η和单位推力燃油消耗率sfc在表征组合动力装置的经济性方面是等效的。在相同高度、发动机工况下，发动机功率及单位功率耗油率基本一致，因而在相同高度、发动机工况下螺旋桨的效率越高则单位推力耗油率越低，动力装置经济性越好。通过公式(4)可见，在发动机功率及飞行速度不变时，螺旋桨的效率越高则推力越大。本文在相同飞行高度、发动机工况及相同飞行速度下对比分析不同螺旋桨与已选定发动机的匹配特性，故可采用螺旋桨效率作为综合评价不同螺旋桨与已选定发动机匹配优劣的指标。

2 发动机与螺旋桨

2.1 发动机

2.1.1 发动机速度特性及耗油率特性

根据某型无人机设计起飞重量、升阻比及巡航速度等参数及其他发动机选型要求，选择某航空涡轮增压活塞式发动机提供动力，该发动机海平面标准大气环境下的速度特性、耗油率特性曲线如图1所示，图中横坐标为发动机转速，纵坐标为发动机功率；右侧所示12.5%～115%各数值为发动机油门位置，其中115%油门位置对应的功率-速度特性曲线称为全负荷速度特性曲线，也称外特性曲线，其他油门位置对应的速度特性曲线为部分速度特性曲线；虚线为等单位功率燃油消耗率曲线。

图1 某发动机速度特性及耗油率特性曲线

从图1可以看出：为使发动机单位功率燃油消耗率较低，可将较小油门位置匹配较低的发动机转速、较高油门位置匹配较高的发动机转速，据此初步选出发动机经济工况点，如表1所示。

表1 发动机经济工况点

2.1.2 发动机高空特性

随着飞行高度的上升，空气压力和密度下降，发动机功率出现一定的衰减，如图2所示，可以看出：在较大油门位置，由于涡轮增压的作用，发动机功率衰减较慢；当飞行高度超过涡轮增压作用临界高度后(H=5 km)，发动机功率急剧下降[14]。

图2 发动机高度特性曲线

2.2 螺旋桨

根据发动机布置前后位置、螺旋桨直径限值条件、桨距控制形式及其他螺旋桨选型要求，需要在3条螺旋桨中选择最适合已选定发动机的螺旋桨。这3条螺旋桨均为可变距、三叶、木质恒速螺旋桨，其规格如表2所示，对应的螺旋桨效率如图3所示。

表2 3条螺旋桨规格

(a) 螺旋桨1

3 理论计算与试验结果对比

在某大型风洞内搭建全尺寸发动机-螺旋桨地面试验台。在试验台上可实测得发动机转速、扭矩、推力等参数，进而可计算出实际发动机功率、螺旋桨效率等参数。分别换装螺旋桨1和螺旋桨2，实测来流速度为50 m/s条件下各发动机工况点对应的螺旋桨效率和推力，与理论计算值的对比如图4所示，可以看出：在各个工况点实测推力与理论计算值变化趋势一致，实测螺旋桨效率和理论计算值变化趋势基本一致，但实测螺旋桨效率、推力均小于理论计算值，实测推力、螺旋桨效率值约为理论计算值的90%，实测值较理论值低是因为受到机身遮挡、风洞洞壁效应的影响。

(a) 螺旋桨1

由于发动机油门-转速-飞行速度组合数量很多，采用试验的方式开展活塞式发动机与恒速螺旋桨匹配研究不仅耗资巨大而且耗时很长，理论计算值与实测值变化趋势一致表明可以采用理论计算的方法开展活塞式发动机与恒速螺旋桨匹配研究。

现代螺旋桨的规格已经标准化、系列化，通过理论计算值进行比较分析可得到满意的匹配结果，在初期螺旋桨选择过程中，可采用理论计算值进行比较各螺旋桨与发动机匹配的优劣[15]。

4 各飞行阶段螺旋桨效率对比分析

4.1 起飞着陆阶段

3条螺旋桨在7个工况点的螺旋桨效率、推力如图5～图6所示。

(a) H=0 km,V=30 m/s

(a) H=0 km,V=30 m/s

在某无人机起飞阶段，发动机油门位置设置在115%、发动机转速设为5 800 rpm，即工况点7。在着陆阶段发动机油门一般设置在25%以下，即工况点1或2。根据无人机总体气动布局形式，该无人机起飞离地速度、着陆滑跑速度一般在40 m/s以下，可知无论在起飞阶段还是着陆阶段，采用螺旋桨2与已选定发动机匹配时螺旋桨效率最高、推力最大。

4.2 爬升阶段

某无人机在爬升过程中一般以最大连续工作状态(工况点6)爬升至约7 km，爬升速度范围为30～40 m/s。在30、40 m/s典型飞行速度下，0～7 km飞行高度范围内，对比分析3条螺旋桨在发动机工况点6工作时的效率，如图7所示，可以看出：螺旋桨1在低、高空条件下效率均很低，螺旋桨2低空爬升时螺旋桨效率最高，在高空爬升时性能最佳略低于螺旋桨3。

(a) 工况点6,V=30 m/s

4.3 巡航阶段

根据某无人机巡航飞行性能参数，在发动机工况点3(40%油门，4 500 rpm)、3～5 km飞行高度、40～50 m/s巡航飞行速度范围内，对比分析3种螺旋桨的效率，如图8所示。

(a) 工况点3,H=3 km

从图8可以看出：螺旋桨2匹配已选定发动机在巡航飞行高度-速度范围内均具有最高的螺旋桨效率，最适用于已选定发动机；螺旋桨1在低空较高速度下效率较高，螺旋桨3在较高飞行高度下效率较高，这和在爬升过程中分析得到结果是一致的。

4.4 下滑阶段

某无人机下滑过程对推力需求较低，下滑速度范围为30～40 m/s。在下滑阶段可将发动机设置在25%油门位置，对应发动机转速3 500 rpm(工况点2)。在30、40 m/s典型飞行速度下，0～7 km飞行高度范围内，对比分析3条螺旋桨在发动机工况点2工作时的效率，如图9所示，可以看出：在整个下滑过程中螺旋桨2和已选定发动机最为匹配。

(a) 工况点2,V=30 m/s

综合考虑，在各发动机经济工况点选配3条恒速螺旋桨，在某无人机起飞、爬升、巡航、下滑、着陆阶段对螺旋桨效率进行对比分析，可以看出螺旋桨2是与已选定发动机匹配最佳的螺旋桨。

5 结 论

(1) 在飞行高度、速度及发动机工况点一定的情况下，螺旋桨效率能综合反映动力装置的经济性能和动力性能，可作为评价恒速螺旋桨与已选定发动机匹配优劣的指标。

(2) 中空长航时无人机恒速螺旋桨与发动机匹配的关键在于恒速螺旋桨在发动机经济工况点应具有较高的效率。根据发动机速度特性及耗油率特性曲线选出发动机经济工况点，在起飞、爬升、巡航、下滑及着陆等飞行阶段对比分析各螺旋桨在发动机经济工况点的效率。

(3) 本文方法考虑了飞行高度、速度等因素对发动机功率、螺旋桨效率的影响，可用于中空长航时无人机用恒速螺旋桨选配，为已选定活塞式发动机匹配最佳的恒速螺旋桨。