无人机动力系统技术特点及选型研究

作者简介：伍赛特（1990-），男，工学硕士，工程师，经济师，信息系统项目管理师，知识产权师，中国内燃机学会高级会员，中国机械工程学会高级会员。研究方向为内燃机与动力装置。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.15.001

摘  要：简要概述无人机的定义、分类及相关技术优势，重点对活塞式发动机、汪克尔发动机（亦称转子发动机）、喷气式发动机（含涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机及涡轮螺旋桨风扇发动机等）等无人机热动力系统（航空发动机），以及现阶段正在发展的燃料电池、太阳能电池及蓄电池等无人机电动力系统的技术特点进行详尽阐述，并对不同无人机动力系统的选型过程及应用可行性进行分析，为相关技术研究提供必要的理论依据。

关键词：无人机；燃料电池；热动力系统；电动力系统；发动机

中图分类号：V279        文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）15-0001-08

Abstract： This paper briefly summarizes the definition， classification and related technical advantages of UAV， focusing on the thermal power system （aero-engine） of UAV such as piston engine， Wankel engine （also known as rotor engine）， jet engine （including turbojet engine， turbofan engine， turboprop engine， turboshaft engine， turboprop fan engine， etc.）. The technical characteristics of the developing UAV electric power systems such as fuel cell， solar cell and storage battery are described in detail， and the selection process and application feasibility of different UAV power systems are analyzed. It provides a necessary theoretical basis for related technical research.

Keywords： UAV; fuel cell; thermal power system; electric power system; engine

無人机是指由动力驱动、机内无人驾驶、可重复使用的、可依靠机载控制器自主飞行或由人在计算机或特定遥控器的遥控下飞行的飞行器[1]。

无人机的出现体现了人类的一种愿望，那就是利用灵活自主的飞行器低成本地替人类执行危险的任务。无人机相比于传统的载人飞行器，具有以下优点。

可实现零伤亡。现代科技的发展使得防空武器的性能和杀伤力日益提升，显著增加了使用载人飞行武器进行空战的风险，而无人机由于没有驾驶员，会在很大程度上减少战争中的人员伤亡，因此无人机在军事领域具有广泛的应用前景。

成本低廉。由于无人机不用搭载驾驶员，因此无须搭建人工操作系统、生命保障系统和应急系统等，设计、研制、使用和维护的成本大大降低。一般的无人机造价只有载人飞行器的10%，甚至更低。

机动灵活，低能耗。无人机本身结构相比于载人机要更简单，因此尺寸小、重量轻，便于起降和控制，机动灵活。同时耗能较低，续航时间远长于一般的载人飞行器，相比载人机具有更广阔的活动空间，能够进入恶劣的或载人机不易进入的环境中进行工作。

隐蔽性强。无人机的小体积也使得其反射面积比载人机要小得多，更容易躲避雷达的检测，使得其暴露率大大减小。而它机动灵活的特性也使得其可以更随意地改变飞行的速度和高度，这也增加了其隐蔽性和生存能力。

正是由于以上的优点，无人机在军事侦察和攻击等军事领域以及公共安全、农林、环保、交通、航拍等民用领域都得到了广泛的应用，无人机技术也成为当前的研究热点，具有较为广阔的发展前景。

1  无人机及其分类

1.1  按无人机应用领域分类

无人机按照其应用领域分类可分为军用无人机和民用无人机。军用无人机包括靶机、无人侦察机、无人战斗机、无人诱饵机和电子干扰无人机等。也可按任务的周期长短分为战术无人机和战略无人机，所执行的任务往往周期较长，具有长远的战略意义。在民用方面，无人机已经被运用到通信中继、公共安全、应急搜救、农业喷药、环保监测、交通管制、气象预测和影视航拍等多个领域。

1.2  按无人机机翼布局样式分类

按照无人机机翼的布局样式可分为传统固定翼式无人机、扑翼式无人机和旋翼式无人机3种。

1.2.1  固定翼式无人机

固定翼式无人机的机翼主体是固定的，由动力系统产生推力或拉力，由固定机翼产生升力。其中大部分无人机的外观跟普通飞机的外观相似，在机身两侧中部和后部分别装有机翼和尾翼，头部装有螺旋桨，也有一部分无人机因功能需要而具有独特的外观。

1.2.2  扑翼式无人机

扑翼式无人机是以仿生学原理为基础，通过模仿飞行生物（例如苍蝇、蝙蝠等）的外观而设计的无人机，这种无人机在飞行时通过机翼的上下扑动产生升力和向前的推进力，通过“翅膀”与尾翼的配合改变飞行航向，就像飞行生物一样。由于扑翼产生的动力有限，因此这种无人机多为微小型无人机。

1.2.3  旋翼式无人机

旋翼式无人机的机翼安装在机身的上方，通过具有特定气动外形的机翼高速旋转获得升力并改变位置和姿态，类似于直升机。根据安装的机翼数量分为单旋翼无人机和多旋翼无人机。四旋翼飞行器是目前最为流行的无人机。

1.3  按无人机的性能指标分类

1.3.1  按机体重量分类

不同的无人机机体重量差别较大，按机体重量分为微型、轻型、中型、重型和超重型5个等级。

微型无人机：机体重量小于5 kg。由于这类无人机体积小巧，部署便捷，机动灵活，隐蔽性强，可以很好地用于军事侦察、通信、电子干扰、对地攻击，以及城市监控、边境巡逻等任务，因此微型无人机是当前无人机研究的热点领域之一。

轻型无人机：机体重量在5～50 kg。

中型无人机：机体重量在50～200 kg。

重型无人机：机体重量在200～2 000 kg。

超重型无人机：机体重量大于2 000 kg。

1.3.2  按航程和续航时间划分

近程无人机：最大飞行时间小于5 h的无人机。

中程无人机：最大飞行时间在5～24 h的无人机。

远程无人机：最大飞行时间大于24 h的无人机。

1.3.3  按机翼载荷量划分

所谓机翼载荷量，是指机体重量与机翼面积的比值。由小到大可分为以下3类。

低载荷：机翼载荷量小于50 kg。

中载荷：机翼载荷量在50～100 kg。

高载荷：机翼载荷量大于100 kg。

2  无人机动力系统概述

动力系统是为无人机提供推力的整套系统。飞行器的飞行速度、高度、航程、机载重量和机动能力等在很大程度上取决于动力系统的性能水平。

作为无人机的动力来源，动力系统是无人机最重要的组成部分，动力系统的好坏直接决定了无人机的整体性能。目前动力系统主要可分为2大类，一是热动力类，以甲醇、汽油或航空煤油作为发动机的动力来源；二是电动力类，以电源提供电能，再由电机将电能转换为机械能。

应用于航空器的发动机主要包括活塞式发动机、喷气发动机和火箭发动机，其分类总体如图1所示。就目前而言，绝大多数类型的航空发动机都可以在无人机上使用。

图1  航空发动机分类

3  活塞式发动机

3.1  总体概述

在活塞式发动机中，通过燃料在气缸内的燃烧，将热能转变为机械能。其工作的每一循环包括5个过程：①进气过程；②压缩过程；③燃烧过程；④膨胀过程；⑤排气过程。这5个过程可以在2个行程内完成，称为两行程发动机；也可以在4个行程内完成，称为四行程发动机。用于航空领域的活塞式发动机大多为四行程，并且大多配备有增压器，使空气进人气缸前先经过增压器增压，从而增加进入气缸的空气量。

3.2  汽油活塞式发动机

汽油活塞式发动机是发展历史最悠久的航空发动机，是第一种满足重于空气的、并且能充分满足航空器高推重比要求的发动机。在气缸内往复运动的活塞通过连杆与曲轴连接，曲轴（直接或通过减速器）驱动螺旋桨为飞机提供前进动力。第一种成功的航空发动机是莱特兄弟为“飞行者”飞机设计制造的汽油活塞式发动机。该发动机采用液冷、四行程、火花点火的方式运行。

汽油活塞式发动机经过多年的改进提高，诸如使用现代电子燃油喷气系统代替汽化器改进。大部分改进集中在整机性能提升，而动力系统的制造方法等方面实际上并未改变。而在噪声、振动、易于使用和成本等方面，相较于现代车用发动机，用于航空领域的活塞式发动机在这些方面的性能相对更差[2-3]。

3.3  柴油活塞式发动机

该类发动机以柴油作为燃料，柴油价格低，容易获取，且效率高，节能环保性能较好，克服了航空汽油燃料价格高、污染大（含鉛）、难以获取等问题。早在1920—1930年，航空界就开始尝试开发柴油活塞式发动机，但一直都没有取得大的突破。美国航空航天局（NASA）于20世纪70年代实施了柴油活塞式发动机的技术研究计划，研发了一款功率为300 kW的机组。该款发动机采用6缸星型结构，配备有减速器，并采用涡轮增压系统，最终由于技术方案问题，没有取得成功。

20世纪末期，得益于车用柴油机技术的持续发展和产品性能的大幅提升，航空柴油活塞式发动机实现突破性发展，发动机电子控制系统、电子燃油喷射系统、涡轮增压等技术和系统的采用，使其能更有效地发挥固有的优势。柴油活塞式发动机的柴油采用压燃方式，无须使用点火装置，并且不需要添加剂，而汽油则需要配备添加剂。柴油活塞式发动机在使用性能上的优点是耗油率较低（单位功率下单位时间的燃油消耗率）。2000年以来，由于航空汽油价格持续走高，存在未来市场供应不足的问题，对柴油活塞式发动机的需求迫切，由此得到了一定发展。在该类发动机发展过程中，欧洲企业在世界范围内保有领先地位，这主要依托于车用柴油机的技术优势。

3.4  活塞式发动机在航空领域的应用与技术发展概述

如3.2中所述，活塞式发动机有着悠久的发展史，莱特兄弟的第一架飞机即采用了活塞式发动机。直到第二次世界大战结束前期，在喷气发动机第一次运用于军事战争之前，活塞式发动机是唯一使用的发动机类型。此后，喷气发动机首次取代了活塞式发动机，因为其可以在更高的速度下飞行，并且具有很好的动力性能。目前，活塞式发动机多用于小型航空器。

无人机用活塞式发动机单台功率小至几千瓦，大至几十千瓦。活塞式发动机必须驱动螺旋桨等推进器才能为飞行器提供动力。螺旋桨剖面与机翼剖面相似，从空气动力学原理看，螺旋拉力的产生和机翼上升力的产生在原理上是相同的。

4  汪克尔发动机

4.1  汪克尔发动机的技术特点

该类发动机是由德国工程师汪克尔（Felix Wankel）发明的，其主要工作原理与活塞式发动机相近，仍然是燃料在密闭空间里燃烧释放热量，并转换为输出功。

汪克尔发动机也可被视为一类活塞式发动机，但与上文3.2及3.3中所述的采用往复式结构的活塞式发动机有所不同，汪克尔发动机的活塞在气缸内作旋转运动，无需配备曲柄连杆机构。汪克尔发动机通过气口换气，同样不需要复杂的气阀配气机构，因而结构大为简化，并具有重量轻、体积小、比功率高、零件少、制造成本低、运转平衡且高速性能良好等优点。与四行程发动机曲轴每旋转2圈做1次功相比，汪克尔发动机的转子每旋转1圈就做1次功，具有升功率高的优点。此外，由于汪克尔发动机内部的转子作轴向旋转运动，无须精密的曲轴平衡，无需连杆、进排气门和凸轮轴等配气机构，结构上更简单紧凑，零件总数和运动件数分别减少30%和60%，且不会产生往复惯性力，因此能够在较高的转速下运行。

尽管汪克尔发动机有诸多的优点，但由于换气、燃烧和膨胀做功等不充分而导致燃油消耗率高、污染重，此外存在部件以线接触工作，磨损严重，零部件寿命短等问题，这些缺点也限制了汪克尔发动机的发展。

4.2  汪克尔发动机在航空领域的应用

汪克尔发动机的概念于20世纪20年代末期即已提出，在车用汪克尔发动机不断成熟的基础上，其应用范围也逐步扩展到了航空领域。20世纪60年代，汪克尔发动机开始安装到小型航空器上，在无人机领域的应用日渐广阔。如4.1中所述，汪克尔发动机的转子采用偏心结构，将高温燃气的压力转换成旋转运动，具有结构紧凑、机构简单、尺寸小、重量轻、功重比高、振动小、噪声低、运行平稳和转速高等优点。转子不会与气缸发生黏连；不容易发生爆震等不正常燃烧现象；不采用往复部件，超速运行时不易发生损伤。德国汪克尔股份有限公司成功发展出专门用于飞机的汪克尔发动机，并实现了一定技术上的突破。汪克尔发动机在试验类飞机上的应用越来越普遍。

汪克尔发动机的工作转速相对较高，扭矩相对较低，螺旋桨必须使用减速装置。汪克尔发动机的一项突出优势是具备分层燃烧系统，可以燃用几乎任何液体燃料。分层燃烧系统使机组油气比有所降低，由此可与减速器一起工作，相应降低曲轴转速，从而便于驱动螺旋桨。但由此使得汪克尔发动机的功重比有所降低。不仅如此，这些系统增加了机组成本，因此汪克尔发动机尚未在航空领域得到大范围推广。

目前，汪克尔发动机的部分问题并未得到充分解决，可用产品的功率一般都较小，主要用于无人机，如需在轻型飞机和家庭自制飞机上得以应用，还需要较长时间的完善。

5  喷气发动机

在20世纪40年代以前，航空动力领域主要采用活塞式发动机。但当航空器的飞行速度提高到接近声速，需要突破声障时，却遇到了重重困难。喷气发动机的出现，才使得飞行器的飞行性能有了质的飞跃，开创了一个新的飞行时代。现阶段得以广泛应用的喷气发动机主要包括涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机及涡轮螺旋桨风扇发动机等几类。

5.1  涡轮喷气发动机

涡轮喷气发动机是一类早期出现的喷气发动机，其最简单的形式是由压气机、燃烧室、涡轮和推进喷管组成。该类发动机存在燃油消耗率较高，喷气噪声较大的弊端。

涡轮喷气发动机工作时，燃气在喷管内膨胀，几乎全部剩余势能都转换成了动能，燃气流具有很高的速度，从而产生推力推动航空器前行。

5.2  涡轮风扇发动机

涡轮风扇发动机是目前最常见的一种喷气发动机，这种发动机是在涡轮喷气发动机的前段加装了一个风扇，该风扇可被视为一个较大的单级压气机，与后文所述的涡轮螺旋桨发动机有一定相似之处。所不同的是，风扇被封闭在一个管状壳体里。只有一小部分进入风扇的空气经过涡轮，其余的空气（80%～90%）通過管状导管（外涵道）流到推进喷管中，发动机约75%的推力来自这部分空气，剩下的推力来自核心射流。旁路的流量与核心射流流量的比值称为“涵道比”。

与早期的涡轮喷气发动机相比，涡轮风扇发动机更为高效且噪声更小。该类发动机单位推力的耗油量仅有早期发动机的1/2，并且噪声下降了20 dB。因为该类发动机在飞行马赫数大于0.8时仍能平稳地飞行，所以在商业运输中得以广泛使用。现阶段大部分的客机均采用了涡轮风扇发动机。

通常而言，采用涡轮风扇发动机的军用飞机的飞行马赫数通常都大于2.0，但为了减小发动机的直径和高速飞行时的阻力，其涵道比相对较低，通常为1.0左右[4]。

5.3 涡轮螺旋桨发动机

与涡轮喷气发动机相比，涡轮螺旋桨发动机加装了一个螺旋桨，其可以使排气流通过变速箱推动螺旋桨。

涡轮螺旋桨发动机中，相当一部分燃气的热能转变为扭矩形式的机械功，继而转换成螺旋桨的拉力；剩余燃气的热能则转换成喷气的动能，即以喷气推力的形式对外输出。因而涡轮螺旋桨发动机的推进力由2部分组成，其中以螺旋桨的拉力为主，拉力和排气推力之比一般为9∶1。涡轮螺旋桨发动机主要应用于高空长航时无人机。

第二次世界大战结束后，成千上万的运输机安装了这种发动机。得益于涡轮螺旋桨发动机的高燃油效率，其已被用于军用重型运输机。但在马赫数高于0.65时，涡轮螺旋桨发动机无法很好地投入运作，这使得其在商业领域失去了竞争力，但这并不妨碍其被用于军事领域。

5.4  涡轮轴发动机

涡轮轴发动机的工作过程与涡轮螺旋桨发动机相似，但结构上的差别较大。涡轮轴发动机利用一个不与压气机相连的自由涡轮驱动无人直升机的旋翼，并从发动机尾部输出功率。

与涡轮螺旋桨发动机一样，涡轮轴发动机由涡轮喷气发动机及附加的涡轮组成。然而，涡轮轴发动机多用于直升机上，附加的涡轮则用于驱动旋翼和尾桨[5]。涡轮轴发动机的尺寸通常较小，该类发动机最关键的性能是高可靠性（许多小型直升机只有一个发动机）和低自重。

5.5  渦轮螺旋桨风扇发动机

涡轮螺旋桨风扇发动机（简称为“桨扇发动机”）是涡轮螺旋发动机最新的一种结构型式。涡轮螺旋桨风扇发动机的优势在于其燃油消耗率明显低于涡轮风扇发动机，而且自身马赫数高达0.8。由于使用了现代化的材料，涡轮螺旋桨风扇发动机的螺旋桨具有更高的强度和更薄的超声速叶片，这使采用涡轮螺旋桨风扇发动机的新型飞机比采用涡轮螺旋桨发动机的传统飞机具有更高的飞行速度。但涡轮螺旋桨风扇发动机的缺点在于噪声较大且自重较高，一定程度上阻碍了其在各类航空器中的大范围推广。由于燃料价格的上涨，对涡轮螺旋桨风扇发动机进行降噪处理的要求势在必行。

5.6  喷气发动机和活塞式发动机的对比

如上文所述，目前在飞机上用作动力源的航空发动机，主要有活塞式和喷气式2大类。2类发动机均利用燃料在机组内燃烧，并将燃烧所产生的一部分热能转换为推动飞机前进的能量。

事实上，活塞式发动机本身只能将燃料燃烧所产生的热能转换成扭矩形式的机械能，并不能直接推动飞机前行，必须依靠螺旋桨将扭矩转换成为推进力，才能为飞机提供真正的动力来源。

活塞式发动机由于使用寿命长，并具有较高的可靠性，以及在低空、低速飞行时的经济性，所以直到目前为止，仍有一定的应用前景。但就目前而言，活塞式发动机如需输出更高的功率，并实现更高的飞行速度，有2类技术问题必须克服：一类是活塞式发动机本身的，另一类是螺旋桨的。活塞式发动机要增大功率，必须增加气缸数目，或加大气缸容积，这样做的结果必然会显著增加发动机的重量和体积。

喷气发动机和活塞式发动机有着显著区别。在活塞式发动机中，燃料燃烧所产生的热能，首先通过活塞连杆及曲轴机构转为转动螺旋桨的机械能，然后再由螺旋桨将机械能转换成为推进功率；而喷气发动机则没有用于转换能量的中间机构（如曲轴、活塞等）。

在活塞式发动机中，燃料燃烧的热能首先作用于活塞上，使曲轴旋转；而喷气发动机所产生的推力可直接用于推动飞机。

对于喷气发动机而言，由于发动机内部的气体燃烧后向外喷出，由此产生反作用力推动飞机前行，所以只要是其自身携带着可以燃烧的燃料和用于协助燃烧的氧化剂，即使在真空中也照样能产生推力，如图1所示的火箭发动机即依靠此类原理工作。就现阶段而言，喷气发动机已在许多领域中代替了活塞式发动机，其主要原因主要有以下几点。

1）喷气发动机的比重量低于活塞式发动机，并且该数值还有日益下降的趋势。这一优点主要源于2个方面。一方面，涡轮喷气发动机的功率随飞行速度的提高而增加。另一方面，涡轮喷气发动机本身的重量相对较小。

2）喷气发动机的正面投影面积较小，所以产生的阻力同样较小。

3）喷气发动机的构造更为简易，没有进行往复运动的机构部件，没有配备气门机构等复杂的机构，所以喷气发动机的机件数目通常少于活塞式发动机。

4）与活塞式发动机相比，喷气发动机适航的高度范围较广，可在15～20 km的高度区间飞行；而采用活塞式发动机的飞机通常很难飞行至这一高度。

5）活塞式发动机多采用精炼的高级汽油；与此相对，喷气发动机对于燃料的要求并不严格，可燃用价格更为低廉的煤油，显著降低了燃料成本。

喷气发动机的缺点，主要在于低速航行时的经济性较差。与活塞式发动机相比，涡轮喷气发动机在起飞时的动力性能较差。但总体而言，涡轮喷气发动机可使飞机以超音速的状态飞行，在该领域具备显著优势。

5.7  现阶段喷气发动机的发展及应用

如5.6中所述，喷气发动机是现阶段大多数航空器动力系统选择，因为其具有高功重比和使用高密度燃料的能力。喷气发动机的核心燃气发生器能提供热和高压气体。如何使用高温气体中的能量取决于其实际应用。因此，燃气发生器被认为是所有喷气发动机所共有的子系统，而将燃气动力转化成推进功率的具体设备可以有所不同。尽管所有的燃气发生器具有相同的功能，并且在构型上或多或少有相似之处，但考虑到不同的应用情况，燃气发生器依然可以采用特殊的设计方案。

如上文所述，喷气发动机可根据轴数、涵道比、机械结构和气动外形等参数的不同来进行分类。在涡轮喷气发动机中，通过从出口排出的高速喷射流产生推力，大部分时间排气流速度等于当地声速，即相当于排气口被堵塞。在涡轮风扇发动机中，大多数空气被吸入涵道中，因此不会参与后续的压缩、燃烧、膨胀等热力过程。涵道空气通过一级风扇压缩，然后在喷口处加速。因此，在涡轮风扇发动机中，特别是用于现代大型民用飞机的大涵道比发动机，大部分推力是由未加热的涵道空气而不是由加热的空气产生的。在涡轮螺旋桨发动机中，涡轮产生的额外功率用于驱动螺旋桨并产生推力。相比于涡轮喷气发动机和涡轮风扇发动机，流过螺旋桨的空气流量更高，然而该部分空气的加速能量明显低于燃气发生器中流出的高温燃气。

6  发动机在无人机领域的应用及选型研究

一种无人机选用何种动力系统主要由无人机的任务和各种动力系统的特点决定。相关研究表明，假设无人机的尺寸、推力要求和载油量一定，首先可通过计算获得无人机选用活塞式发动机的性能指标，包括续航时间、航程、巡航速度和平均大修间隔时间，并以此作为基础进行性能比较。如果将活塞式发动机替换为涡轮风扇发动机，无人机的最佳巡航速度会提高70%左右，由此可大幅改善无人机的响应时间和生存能力。与活塞式发动机相比，涡轮风扇发动机的不足之处是航程和续航时间较短，其主要原因在于涡轮风扇发动机的耗油率高于活塞式发动机。如果采用涡轮螺旋桨发动机，无人机的航程和续航时间会略微加长，续航速度亦有所提高（但不及涡轮风扇发动机），大修间隔时间类似涡轮风扇发动机。通过对已投入使用的各型无人机发动机适用情况进行统计分析，表1列出了上述几类航空发动机在无人机领域的适用领域。

从目前国内外已经投入使用和正在发展的各种无人机来看，虽然其选用的发动机类别不同，但都倾向于采用技术已经成熟的航空发动机，并在已有发动机的基础上针对无人机特性进行相应改进。

对于任何一类无人机，发动机的选择都是一项较为复杂的问题，不仅涉及发动机的尺寸，同时还涉及许多其他的因素，如发动机数目、类型、安全性、运行环境、寿命及可靠性、初始成本和维护费用等方面。

在无人机动力系统的选择上，是在已有发动机上改进，还是发展一种全新的发动机，主要取决于无人机对发动机性能的要求和用户的经济承受能力。用户的经济承受能力主要包括发动机的采购和使用成本2个方面。发动机性能和用户经济承受能力作为一个对立统一体，只有达到一种相对的平衡才是最佳解决方案。但就目前而言，并非所有类型的发动机均适用于无人机，除了上文提到的活塞式发动机、涡轮喷气发动机及涡轮风扇发动机等几类，表2中列出了固体火箭发动机、冲压喷气发动机及脉冲喷气发动机等几类其他机型，通过阐述其优缺点，分析了其是否适用于无人机动力系统。

7  无人机电动力系统

如上文所述，无人机使用的热动力系统主要有活塞式发动机、涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机等几类。此外，部分小型无人机也会采用电机作为动力来源，主要是考虑电机性能较为可靠，并且维护简单。在之前的较长一段时间内，电机多应用于航模飞机，随着自身性能的优化，电机也可用作于低载荷无人机、多旋翼无人机的主要动力源。而为了向电机提供必要的能量来源，同样需配备必要的电源系统[6]。

7.1  无人机燃料电池动力系统

通过采用燃料电池，可以减少航空器的排放。在部分小型无人机中，燃料电池已经被用作为主要的动力系统[7]。

由于氢的高能量密度，以及燃料电池自身低噪声的特点，燃料电池已越来越广泛地应用于各类无人机中。与纯蓄电池驱动的无人机相比，其具有更高的有效载荷和更长的航程优势。

7.2  无人机太阳能动力系统

一般使用太阳能作为动力的无人机都会在机翼部位安装有太阳能电池。在阳光充足的情况下，太阳能电池会自动吸收能量，并储存在蓄电池内部作为备用。这是最理想的无人机动力来源，因此各个国家都在持续开发太阳能无人机。

除供用户完成必要的日常工作以外，无人机也在发挥着各种重要的生产力作用，尤其是太阳能无人机。太阳能无人机的使用场景十分丰富，可以用于监测气候、环境以及货物运输等。太阳能无人机在民用领域有较大的应用潜力，因而近年来受到较多的关注。

7.3  无人机电源系统的性能对比

就目前而言，上述无人机电源系统的特点总结如下：太阳能电池可利用光能产生电力。由于太阳能电池采用外部能源，其反应活动不受机载物料数量的限制，但由于太阳能电池的能源来自外部太阳光照射，其输出严重依赖于外部条件。此外，太阳能电池需要足够大的面积以产生充足的电能来保证飞行。

相比较而言，燃料电池能提供稳定的电力输出，而很少受到外部条件的影响。燃料电池堆具有相对高的能量密度，但燃料电池的使用受限于机载燃料的数量，并且燃料会影响无人机的总重量，燃料储备一般是氢，重量较大。不仅如此，燃料电池也存在一些其他固有特性缺陷，如启动时间长、瞬时能量需求响应差等。

蓄电池特点类似于燃料电池，但其容量也较为有限。不过虽然单个蓄电池的总容量较低，但其功率密度却相对较高，因此可将蓄电池和燃料电池组合成为混合动力系统，其同时具有蓄电池高功率密度与燃料电池大容量的优点。由此，可将燃料电池作为无人机在巡航阶段所需的主要电力能源，而蓄电池则可作为无人机起飞或短时间超负荷工作时的补充电力能源。同时，燃料电池产生的剩余电力可用于为蓄电池充电。

8  无人机动力系统的综合选型研究

综合上文所述，无人机动力系统的选择主要取决于无人机所需的功率、功重比、效率和动力系统的能量密度。动力系统主要可以分为3个部分：第一部分是能量载体或者燃料；第二部分是动力系统本体；第三部分则是将能量转变成推力的转换设备（如螺旋桨、风扇和喷射管）。

对于功率需求较低的无人机，根据应用情况同样可以使用喷气发动机以外的其他动力系统，如往复式发动机或者活塞式发动机、汪克尔发动机或电机等，几类无人机动力系统在功率范围和航速范围的概要对比见表3。

表3  不同无人机动力系统的功率范围及航速范围对比

不同能源的比较见表4。可以看出相比于煤油与氢，蓄电池的能量密度依然相对较低。尽管电机的功重比相对较好，但相比于矿物燃料，现有电池的能量储存能力是比较低的。这就是大型无人机多使用喷气发动机的原因，因为其结合了大的功重比和使用高能量密度燃料的优点。

表4  不同能源的对比

9  无人机动力系统发展前景展望

对于无人机而言，动力系统是一类至关重要、必不可少的组成部件。动力系统不仅可为无人机的航行提供推力，而且决定了无人机的性能及应用情况。纵观无人机的设计流程可知，动力系统决定了无人机的续航能力、尺寸大小、重量及应用范围。

通常用于无人机的航空发动机主要包括噴气发动机和活塞式发动机2类。其中，喷气发动机的结构和运行过程比活塞式发动机更为简单。喷气发动机的结构通常比活塞式发动机更为紧凑，并且重量更轻，这是因为燃气轮机内的气流处于连续流动状态，而活塞式发动机内的气流则处于间歇性流动状态。因此，即使是早期的燃气轮机，其起飞推重比也不亚于性能最优越的活塞式发动机。不仅如此，喷气发动机内部的燃烧过程同样也是连续的，并不会像活塞式发动机那样产生周期性的爆燃。在过去的几十年中，喷气发动机除涵道比大增以外，其推重比也得到了明显的改善。上述指标的优化得益于发动机材料的改进、燃烧室出口温度的提升、核心机效率的提高，以及在相同性能条件下涡轮级数的减少。

然而，由于燃料成本的提高，以及对CO2及噪声排放等环境问题的管控，寻找环境友好的动力系统已势在必行。由于燃料电池、太阳能电池、蓄电池等电源及相关元器件的发展，使得电源更加轻质高效，电力推进有望在无人机行业得以大范围推广。

以太阳能为动力的无人机将是今后无人机发展的一个重要方向，但在太阳能无人机技术真正实现之前还需要克服不少的关键技术难关，然而一旦实现必将会是无人机的一大进步。

目前，除继续发展传统动力技术之外，为了延长航时，一些新型无人机动力技术也已逐渐受到关注，并逐渐成为研发的热点，如无线充电技术、激光充电技术等。随着无人机动力技术的不断发展，部分新型动力设备有望替代传统的无人机动力系统。但就目前而言，大多数大型无人机动力系统依然会优先选用喷气发动机来产生推力；小型无人机也会使用往复式发动机或者由电池驱动的电机。

因此，现阶段在重点开发无人机用的喷气发动机等重点技术的基础上，还要对以燃料电池动力系统、太阳能动力系统、无线充电等先进技术进行重点研发，争取实现无人机动力技术的弯道超车。

10  结论

动力系统是无人机的心脏，主要可分为热动力及电动力2类。就目前而言，活塞式发动机仍然是固定翼无人机采用的主要动力源，其具有动力强劲、运行可靠的特点，一般采用活塞式发动机的无人机主要是考虑长航时的需要。而喷气发动机则具有动力性强、重量轻的优势，一般应用在高空航行的高速大型无人机上，但其仍面临着成本高昂，燃油消耗率较高的弊端。

目前的无人机电动力系统还存在一些问题，例如航程较短，续航时间有限等。在轻量化的技术要求条件下，传统的蓄电池很难实现更大的容量，但由此可重点发展燃料电池、太阳能等新型动力系统，进一步推动无人机技术的发展。

参考文献：

[1] 伍赛特.无人机技术特点研究及未来发展趋势展望[J].现代制造技术与装备，2019（7）：7-9.

[2] 伍赛特.车用特种发动机技术特点研究及应用前景展望[J].交通节能与环保，2023，19（5）：26-31.

[3] 伍赛特.热力发动机在车用动力装置领域的应用研究及前景展望[J].现代工业经济和信息化，2023，13（6）：291-294，297.

[4] 伍赛特.军用飞机技术现状研究及未来发展趋势展望[J].机电信息，2019（21）：146-147.

[5] 伍赛特.直升机动力装置技术特性及发展趋势研究[J].科技创新与应用，2023，13（17）：30-35，41.

[6] 伍賽特.电动飞机应用可行性分析及前景展望[J].节能，2020，39（4）：57-60.

[7] 伍赛特.燃料电池应用于航空推进领域的前景展望[J].能源研究与管理，2018（4）：89-91，105.