液體活塞公司新型轉子重油活塞發動機驅動無人機的發展

格拉漢姆·瓦里克

地面及空中平臺的操作人員更傾向于使用煤油而非汽油作為動力系統燃料，尤其對于無人機系統而言，緊湊高效的重油發動機可激發小型無人機系統更大的潛能，使其在更大負載下實現更長的任務續航能力。但適用于無人機系統的輕型、可靠的重油發動機的研發并非易事。

一家位于美國康涅狄格州布洛姆菲爾德市、名為液體活塞（Liquid Piston）的新興公司，研發了一種新型熱力循環——高效混合熱力循環（HFHC）。HFHC是一種四沖程循環，燃油/空氣混合物通過轉子進入內燃機壓縮并點燃，因為定體積燃燒，效率得到提升，隨后燃氣在通過轉子排出之前發生過度膨脹，如圖1所示。基于HFHC，液體活塞公司正在一種新型轉子發動機——X發動機。該發動機將比活塞柴油機更小更輕，且比汽油發動機效率更高。

X發動機的設計類似于汪克爾發動機，但結構發生了一些變化，如圖2所示。汪克爾發動機是一種結構簡單緊湊的轉子發動機，具有橢圓形殼體與三角形轉子，已經在某些無人機系統中得以應用，但并未廣泛應用。這是因為在汪克爾發動機中，三角形轉子頂部的密封裝置會隨著轉子旋轉而高速內外移動，給潤滑造成困難，為了潤滑，不得不將潤滑油與吸入發動機的空氣混合，但這其中90%的潤滑油都會被燃燒掉。X發動機在汪克爾發動機的基礎上，將后者轉子和外殼的形狀顛倒，形成了三角形外殼與橢圓形轉子，如此一來，頂部密封裝置安裝在靜止的殼體上，可直接進行潤滑。

液體活塞公司從2004年就開始致力于HFHC的研究工作，目前已經進行到第五代HFHC發動機的研發。其與美國陸軍合作，研發X-mini發動機（圖3），目的是為牽引榴彈炮開發混合電動電源。X-mini是一型重4lb.、輸出功率3～5hp、氣缸工作容積為70cc并采用電火花點火的發動機，其驗證機已經在單座賽車中進行了測試，替代了賽車原先重達40lb.、輸出功率6hp的活塞發動機。目前，X-mini發動機技術成熟度（TRL）已達到6級，其目標是在2019年3月前達到TRL7并準備投產，預期應用方向包括小型無人機系統、小型發電機組、鏈鋸以及助力車等。

圖1 液體活塞公司的高效混合熱力循環

圖2 液體活塞公司的X發動機（右）Vs.汪克爾發動機（左）

圖3 X-mini發動機

圖4 設計用于戰術無人機的X4發動機

之后，美國國防部預研局（DARPA）與液體活塞公司簽署了一份國防預研合同，進一步為發電機組和無人機系統研發一種30kW（40hp）功率、以柴油為燃料的轉子發動機，即X4發動機，如圖4所示。X4發動機采用壓縮點火并擁有三個缸體，其設計目標為單位功率1.5hp/lb.、剎車單位耗油率186g/kW/hr.以及最大功率下剎車效率45%等。美國國防部預研局這一項目目前已進入第二階段，總資金已達600萬美元。第一階段的目標是驗證氣缸工作容積為0.75L的X4發動機的結構完整性，已成功驗證了高達26：1的壓比，并最高能在150bar缸內壓力下正常吸氣工作。第二階段耗資250萬美元，主要關注核心機功率和效率的驗證——核心機在40%～50%的剎車效率下達到30kW功率。X4發動機的目標應用為2/3級戰術無人機，此外，液體活塞公司還在推動其在電動垂直起降空中的士的混合電動推進系統中的應用。

液體活塞公司同時也在為其200hp級的X發動機尋求作為飛機輔助動力裝置（APU）的可能性。該發動機的燃油效率將是渦輪基輔助動力裝置的4倍，相似的重量卻占更小空間。目前，已經關于混合電動推進和輔助動力裝置展開了合作對話。