淺談無人機的（重油）活塞發(fā)動機 . 燃料篇

廣聞博識書齋 2016-12-06

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誰言老干曾疏落，且看新枝再弄春（一）

——淺談無人機的（重油）活塞發(fā)動機 . 燃料篇

今年第十一屆珠海航展，是中國軍迷的盛宴。兵器迷看著這個也想寫一篇，看著那個也想嘮幾句。最后呢，愣是一個字沒寫。因為那正是兵器迷工作最忙的時候，看著再眼饞也只好作罷。

今天稍緩下來，咱們先聊哪個呢？這次航展上要說頭彩的當然是殲20，可是它的每一顆鉚釘都被大家爆炒了多少回。再找找看…今年的珠海航展，曝光率僅次于殲20的就是中國無人機。而大家知道，無人機的主要技術(shù)就是兩項，傳感器和動力。美國的《無人機系統(tǒng)路線圖（2005—2030）》就指出：“推進技術(shù)和處理器技術(shù)是無人機的兩大關(guān)鍵技術(shù)?！蹦敲催@次，偏愛航空發(fā)動機的兵器迷，就來聊聊無人機的動力之一——航空（重油）活塞發(fā)動機。

航空重油

咱們先說航空汽油……

這位說了，兵器迷跑題了啊。明明說好的是重油，怎么扯上汽油了呢？

沒辦法，兵器迷的話嘮程度是晚期了，總愛從根兒上刨。要說航空重油，就得從航空汽油講起。

話說，現(xiàn)代航空活塞發(fā)動機，其本來的用途是初級教練機、行政機、小型運動飛機和無人機的動力裝置。這些發(fā)動機的燃料大多為航空汽油，但是航空汽油在實際運用中有一些缺陷：

第一個問題，是航空汽油普遍含鉛，準確的說是四乙基鉛（Tetra-ethyl lead，縮寫TEL）。四乙基鉛可以提高燃料的辛烷值,提高燃油的閃點，防止發(fā)動機內(nèi)發(fā)生爆震，讓發(fā)動機使用更高的壓縮比，進而改善汽車發(fā)動機效率和功率。但是，過度解除四乙基鉛，可以造成人的神經(jīng)中毒導致的的全身性疾病，重者可昏迷致死，且有致癌嫌疑，對人體有害。

舉例來說，在航空汽油品牌中，Avgas 100LL 是比較常用的，每加侖最大含鉛量為2克。含鉛較低的有Avgas 80/87 航空汽油，1加侖最大含鉛量降低為0.5克，但也降低了辛烷值，因此只用于壓縮比低的引擎。而Avgas 100/130 航空汽油辛烷值較高，同時每加侖最大含鉛量達到4克，正逐漸被Avgas 100LL替代。

即便含鉛添加劑正在不斷降低，含鉛汽油這環(huán)保日益重要的當今社會自然不受待見。歐美國家已經(jīng)明確提出禁止使用含鉛燃料的期限，也禁止在軍艦等軍事設(shè)施上配備含鉛汽油，很多大航線也不配備航空汽油。這是航空汽油的最大問題之一。

解決的方式之一，是改用車用無鉛汽油代替航空含鉛汽油。不過車用汽油有較高的飽和蒸汽壓和添加劑腐蝕性，如果飛機發(fā)動機的燃料系統(tǒng)沒經(jīng)過充分的設(shè)計，油料若在燃料管道氣化為氣泡，就會阻礙甚至阻斷發(fā)動機燃料供應，給飛機帶來安全隱患。這種“氣鎖”(Vapor Lock)效應，是汽油帶來的第二個問題。

第三個問題是，航空汽油易揮發(fā)且閃點（是在規(guī)定的試驗條件下，使用某種點火源造成液體汽化而著火的最低溫度）較低，常溫下汽油混合氣體遇到明火很容易燃燒和爆炸。用于危險的軍用場景不夠安全。

由于上述這些原因，無人機燃料的焦點逐步移到了航空重油上。

在很多人的心目中，重油是檔次比較低的油料。那么，究竟什么是航空重油呢？

咬文嚼字的說，航空重油是指餾分在航空煤油與柴油之間的航空油料。在實際應用領(lǐng)域，航空重油一般指的是航空煤油或輕質(zhì)航空柴油。

圖1：航空重油（航空柴油）

航空重油沒有含鉛汽油的鉛添加劑，也不存在無鉛汽油氣鎖的問題，且閃點和燃點都比汽油高，在遇到意外情況后發(fā)生燃燒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，存儲運輸都更方便。同時，美軍軍用飛機采用煤油燃料是很多的，大量使用的Jet A、Jet A1、JP-5和JP-8，都是以煤油為主的燃料。比如JP-5，是煤油混合少量汽油制成，是美軍渦輪動力飛機的標準燃料之一。采用重油作為中小型無人機燃料，對減少軍用后勤保障負擔也有好處。再加上，與功率相同的活塞發(fā)動機與噴氣發(fā)動機相比，具有體積小，重量輕，升功率高，結(jié)構(gòu)簡單，操作維護方便等諸多優(yōu)點，作為中小型無人機的動力，整體上仍然有優(yōu)勢。西方航空強國們終于在上世紀末啟動了重油活塞發(fā)動機的研制高潮。

1994 年，美國NASA 開始實施一項通用航空推進計劃GAP，為未來價格低廉的通用輕型飛機提供動力技術(shù)。對于2010 年后的GAP、無人機UAV 動力規(guī)劃，首次提出了開發(fā)重油航空發(fā)動機HFE（Heavy fuel engine)的概念。此概念的提出是基于滿足美國新的適航安全標準（FAA規(guī)范）要求，以及使用成本和軍用后勤保障簡化的需要。而英法等國也在開發(fā)重油活塞發(fā)動機的無人機。1999年，法國莫蘭-雷諾公司開發(fā)中偶遇活塞發(fā)動機的過程中，甚至宣稱十年內(nèi)取消航空汽油。當然后來并沒有實現(xiàn)，但中小型無人機燃料從汽油向重油過渡的趨勢已經(jīng)愈發(fā)明顯。