无人机航空（重油）活塞发动机已成为美欧竞逐的对象，中国也在参与中

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　　12月3日，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（2005—2030）》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。

　　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：

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　针对重油现状，国际第七届重油及沥青砂国际会议显示中国稠油热采技术虽起步较晚，但发展较快，已形成较为成熟的稠油热采配套技术。发现70多个稠油油田中，总地质储量约12亿立方米，年产量达1300万吨，已累计生产逾亿吨。重油及沥青砂资源是世界上的重要能源，全球可采储量约4000亿吨，是常规原油可采储量1500亿吨的2.7倍。随着常规石油的可供利用量日益减少，重油正在成为下世纪人类的重要能源。

　　经过20年的努力，全球重油工业有着比常规油更快的发展速度，重油、沥青砂的年产量由2000万吨上升到近亿吨，其重要性日益受到人们的关注。而中国陆上稠油及沥青砂资源分布很广，约占石油资源量的20%，其产量已占世界的1/10。由于重油的勘探、开发、炼制技术比较复杂，资金投入大，而且容易造成环境污染，因而重油工业的发展比较艰难。

　　然而，面对21世纪常规油资源趋于减少的威胁，许多有识之士从长远出发，正孜孜不倦地研究新技术开发重油，使人类广泛利用这种资源的可能性不断增强。自1982年在辽河油田高升油藏采用注蒸汽吞吐开采试验成功以来，中国的稠油开采技术发展迅速，蒸汽吞吐方法已成为稠油开采的主要技术，热采量到 1997年稳定在1100万吨水平上，热采井数达到9000口，加上常规冷采产量，占陆上原油总产量的9%。全国稠油产量主要来自辽河、新疆、胜利、河南4个油田，投入开发的地质储量超过8亿吨。

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　　重油又称燃料油，呈暗黑色液体，按照国际公约的分类方法，重油叫做可持久性油类，顾名思义，这种油就比较粘稠，难挥发。所以一旦上岸，很难清除。主要是以原油加工过程中的常压油，减压渣油、裂化渣油、裂化柴油和催化柴油等为原料调合而成。其比重超过0.91的稠油，黏度大，含有大量的氮、硫、蜡质以及金属，基本不流动，而沥青砂则更是不能流动。开采时，有的需要向地下注热，比如注入蒸汽、热水，或者一些烃类物质将其溶解，增加其流动性，有的则是采用类似挖掘煤炭的方法。

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