国防科技NATIONAL DEFENSE TECHNOLOGY 第40卷第5期2019年10月Vol. 40,No. 5Oct. 2019
胥银华I，岳凡I，常书平2
（1.32180 部队，北京 100072； 2.63983 部队，江苏 无锡 214035）
［摘要］ 本文对国外当前无人装备的动力（能源）现状进行梳理，并列举了相应的典型装备，简要分析各类动力（能源）的发展，可为陆军无人装备的相关建设提供卷考
［关键词］ 国外无人装备；动力；能源
［中图分类号］TK05, V279 ［文献标识码］A ［文章编号］1671-4547 （2019） 05 -0047 -04D0I ： 10. 13943/j. issn 1671 -4547. 2019. 05.07
一、国外无人装备动力发展现状（-）燃料动力系统活塞发动机在国外主要应用于地面无人车、 无人水面艇和多用途小型无人机、靶机、侦察无 人机等中小型无人机。活塞发动机可分为旋转活 塞式和往复活塞式，通常利用汽油、煤油等燃料 与空气混合，在密闭的容器内燃烧，膨胀做功， 具有耗油低、故障率低、噪声小和质量轻等优 点 o 例如 Aerosonde 、ScanEagle 、Integrator 等无 人机上使用的都是该类型
的发动机。目前国外军 用无人机活塞发动机主要以重油或多燃油为主， 能够提高系统的安全性，减轻后勤供应难度。涡轮发动机多用于无人直升机，主要包括涡 喷、涡扇、涡桨和涡轴发动机几种，可提高无人 机的带载荷能力、巡航速度和滞空时间，如美国 MQ-8B 火力侦察兵的单发涡轴发动机⑴。目前 国外涡轮发动机已经发展到了很高的技术水平， 研究重点主要为实现经济的可承受性。例如美国 开展的VAATE 计划，分为2009年、2013年和 2017年三个阶段，计划目标是使现役、在研和未 来的军、民两用推进系统的经济可承受性较基准 推进系统提高10倍，将原来只提升推进系统的 综合能力调整为开发和验证先进技术、改善经济 可承受性和实现通用性三方面。
火箭发动机主要用于高速/超高速无人机，
包括压气机：固体、液体和气体；吸气式：脉
冲、冲压以及超燃冲压发动机。目前国外大力发 展的高速/超高速无人机通过火箭发动机、航空 发动机和超燃冲压发动机组合实现超高速飞行。 如美国洛克希德•马丁公司的SR -72察打一体 无人机采用组合推进系统，由传统的涡轮喷气发 动机使无人机从起飞加速至3马赫，之后亚燃/ 超燃冲压发动机（双模态超燃冲压发动机）完成 剩余加速，能够以6436千米每小时的速度执行 侦察和打击目标任务⑴。（二）电力动力系统电机驱动由于噪音低，不需要考虑油源、油
路问题等优点而被各国重视研究及加以利用，主 要电力来源为锂聚合物电池、太阳能电池和燃料 电池
等，主要运用于行走机器人、微/小型无人 机和仿生机器人等无人装备。锂聚合物电池：此类典型装备有美国研制的 “黑寡妇”飞翼无人机.飞翼重50克.头部装螺 旋桨，由电动机驱动，电源来自一对锂电池，推 进系统重110毫克，效率82%，最大速度20米/ 秒。波士顿动力公司的机器人Handle 由电池供 能，驱动电机和液压泵，机器人身高1.98米， 纵跳1.2米.能熟练地实现平稳地走、跑、跳等
［收稿日期］2019 - 06-18
［作者简介］胥银华，男程师.硕七研究方向：装备论证与理论研究.
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动作，无需外接设备，一次充电续航24千米。西班牙的“罗德”轮式机器人由1台电动机驱动，车上供电蓄电池可使用2小时，车速（前进或后退）可在0~6.5千米/小时之间连续变化。但存在的主要问题是当前常规的锂聚合物电池续航能力一般，且充电时间较长，对电动无人装备的使用和行动造成了很大限制。因此，国外主要从提高能量密度和降低电池成本等方面对锂聚合物电池进行研究。如特斯拉在2015年就发布了一款针对航拍应用的原型无人机，其电池能够支持60分钟飞行时间，而充电只需20分钟。Paper Battery公司研制出的混合型超级电容器相比典型的锂离子电池能够提供更高的峰值脉冲功率容量，更大循环寿命和在高温应用中较高的可靠性⑵。
燃料电池：国外应用于无人装备上的燃料电池主要有质子交换膜燃料电池（PEMFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）以及甲醇直接燃料电池（DMFC）等。2004年，美空军最早提出了用燃料电池代替现有小型电动无人机电源的动力方案，并计划在长航时无人机上应用燃料电池技术，相关技术已基本接近实用阶段。美国海军与佐治亚理工大学等单位合作研制的“离子虎”无人机，其效率为相近功率内燃机的4倍，并可提供7倍于相同质量电池的电量。以列在“赫尔墨斯”系列的基础上发展以燃料电池为动力的高空长航时无人机，飞行高度17千米以上，续航时间36小时以上。但目前燃料电池还存在许多问题，例如燃料电池相比锂电池功率密度低、响应速度慢，储氢密度低，储氢装置占用的体积大等不利于无人装备的设计，成本和寿命也是需要解决的问题⑶。
此外，D-STAR工程公司和布莱克斯堡技术公司还研制了“微中子”狄塞尔发动机/半导体薄膜温差电池，发动机功率80瓦，组件直径2厘米。温差电池采用先进量子阱技术，附在发动机壁上直接把热能变为电源，使1立方厘米内燃机废热产生20瓦功率。IGR公司研制了甚轻固体氧化物燃料电池/微型涡扇，能够满足微型无人机电源要求，涡轮风扇发动机的推力为600克⑷。太阳能电池作为动力源应用于无人装备的时间较短，并多处于研究阶段，故将其作为新能源动力进行分析。
（三）其他动力
1.液压动力：液压驱动较电机驱动的优势是同样大小的驱动机构，液压缸的输出功率相比电机有显著提
升。如2006年波士顿动力公司研发出“大狗”四足行走机器人，其行走动作由低摩擦液压马达提供动力，解决了电机驱动功率体积比太小的问题。该机器人可以每小时6.44千米的速度前进，能爬过35度角的斜坡，可在崎岖的地形运载重达154千克的负载。
2.“往复化学肌肉（RCM）”动力：该推进装置由乔治亚理工研究院与英国剑桥大学和ETS 实验室合作研制，通过非燃烧反应把化学能直接变为运动，用于驱动乔治亚理工研究院研制的“昆虫机”扑翼或奔跑足。
3.核动力：2017年，俄罗斯红宝石海洋工程中央设计局公布了“波塞冬”无人潜航器，它配备了为其专门研制的核动力装置。与潜艇的核动力装置相比，该潜航器核动力装置的尺寸小，体积仅相当于前者的百分之一，功率重量比高，达到最大功率的时间约为前者的二百分之一，因此续航能力很强，巡航距离超过6000千米，下潜深度也比一般潜航器要深，可达约914米。该无人潜航器计划于2018至2027年国家武装计划框架内交付使用⑸。
二、无人装备新能源动力发展现状
（—）太阳能
太阳能无人装备是以太阳辐射作为驱动能源的无人装备。由于太阳辐射的能量密度小，为了获得足够的
能量，相关装备应有较大的摄取阳光表面积，以便铺设太阳能电池，目前国外主要用于无人水面艇、远程无人机等。
在太阳能动力系统无人艇体中，为获取更大的光照面积，船型一般采用双体、三体或多体式。在甲板铺设非晶硅太阳能板及单晶硅太阳能板，并可实现单边小幅度升降，从而使板尽量面对太阳方向，保持太阳能板在限制条件下的最佳角度。同时，为提高无人水面艇性能，增加有效装载量，艇体应采用超轻但强度极大的碳纤维材料等新型材料制造。如日本EMP公司于2014年初展出的太阳能-电能混合动力无人水面艇Aquarius，采用三体船型设计和轻质铝合金建造，设有轻质灵活的太阳能板阵列，可对艇载锂电池
胥银华，等：国外无人装备动力现状49
充电。美国海事战术系统公司MANTAS 系列无人 水面艇中的T12W - Solar 通过太阳能充电能达到 30天的续航时间。太阳能无人机在未来有可能成为“准卫星”， 作为空中平台提供持久的数据中继，并部分替代 通信卫星功能，实现区域全覆盖的不间断态势感 知。美国海军研究室正在研究一种利用太阳能和 大气实现无人机可飞行12小时以上的技术，无 人机爬升时点击关闭，太阳能电池板快速给机载 电池充电，帮助无人机长航时飞行。选择太阳能作为无人装备动力的优势在于可 提高装备的自持力，缺点在于太阳能转换效率较 低。有研究表明，在试验室环境可达27%左右， 但实际应用很难超过25%。因此，
目前主要是通 过寻合适的材料，减少反射损失和透射损失， 研究纳米结构、级联太阳电池和最大功率点跟踪 等方法提高太阳能转换效率。（-）波浪能利用波浪能实现无人水面艇的长航时作业也 是当前的主要实现途径之一⑹。美国波音公司和 液体机器人公司共同开发的SHARC 无人水面艇 动力系统由水面的太阳能系统和水下的波浪能系 统两部分构成，水面部分长3.05米，水下部分 长2. 13米，连接部分长8米（标准版）。其安装 的3个太阳能电池板主要负责负载电子设备的电 力支持，推进动力主要依靠波浪能水下推进器。 SHARC 无人水面艇的水下推进器部分采用了特 殊设计的结构.当艇随着波浪上下起伏时，能将 艇承受的垂直方向的力转化为向前的动力，从而 推动艇前进，使该艇能够长时间不依赖外部能源SHARC 补给而自主航行⑺。通过太阳能和波浪能两套动 力系统的协作，在没有船员或维护的情况下可在 海上航行长达一年之久。
（三）风能风能源于地球表面大量空气流动所产生的动 能，是一种无污染且无限可再生的资源。风能利 用主要以风能作动力（风帆助航）和风力发电两 种形式为主，在国外船舶上的应用形式偏重于作 为航行的主动力或辅助动力，只在少数船舶上应 用风力发电技术。如1980年日本建造了一艘装
有普通翼帆的“新爱德丸”邮轮，“新爱德丸” 号装有两个高12. 15米、宽8米的风帆。日本之
后又建造了 “扇蓉丸”“日产丸”等机动风帆货
船，1984年又设计和建造了 2600吨的“臼杵先 锋丸”和一艘3. 1万吨级的现代风帆助航远洋货 轮。而在2
007年12月15 H，全球第一艘用风筝 拉动的货轮“白鲸天帆”号自德国汉堡市起航。 风能在无人装备中的使用还处于探索和研究阶
段，目前尚未出现研制成熟的装备。三、国外无人装备动力发展特点（-）加紧新型发动机研制如随着无人机从低速低空向高速高空、邻近 空间高超声速发展，活塞发动机和传统的涡轮涡 扇发动机已经不能满足使用需求，国外正在研制 变循环发动机和涡轮机组合循环动力等，并拟走 开一条使用寿命长、成本低并可实现系列化的无 人机发动机研制路子。（-）注重新能源动力的运用加大太阳能、燃料电池等新能源研究和投入
力度，解决传统的动力推进装置产生的声响较 大，无法满足部分无人装备执行隐蔽等任务的问 题。同时克服传统动力源寿命较短、能效低、容 量较小、充放电性能易受影响等困难，实现无人 装备的高强度、长时间作战需求。
（三）发展混合动力装置
探索混合动力推进，研究由电动组及主油机
同时作用实现联动作业，以降低燃油消耗量，节 省装备舱内的空间，提高经济效益及使用性；发 展新能源混合动力系统，避免单一动力带来的弊 端，以太阳能、燃料电池、蓄电池等多种能量为
能源，以较低成本实现无人装备的长航时作业。SHARC
波浪能推进示意图
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The status quo of foreign unmanned equipment's power
XU Yinhua1,YUE Fan1,CHANG Shaping2
(1.32180Unit,Beijing100072,China；2.63983Unit,Wiixi214035,China)
Abstract:The status quo of foreign unmanned equipment's power is sorted out with the typical systems in this article.It also analyzes the development trend of power.The results can provide support to the development of military unmanned systems and technologies.
Key words:foreign；unmanned equipment；power；energy
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