无人机是近年发展迅速的飞行器。航空活塞发动机以低油耗、低成本优势,成为中高空长航时无人机常用动力。但由于无人机飞行高度的日益提高,作为其动力的活塞发动机也正向提高高空性能方向发展。海拔升高会导致进气压力和空气密度下降,影响进气体积,降低发动机输出功率。采用涡轮增压后,航空活塞发动机的实用升限可以得到有效提高。采用二级涡轮增压,航空活塞发动机的实用升限可提高到10km以上,显著改善无人机高空动力性能。本文针对某型航空活塞发动机提高高空动力性能问题,进行二级涡轮增压系统设计及匹配和试验研究。针对10km以上飞行高度的环境条件,通过计算飞机不同飞行高度的需求功率,确定两级涡轮增压方案对发动机原型机进行增压改造,进而实现航空活塞发动机高空动力需求。运用GT-Power软件建立了该型发动机的一维仿真模型,在不同高度、多个工况下运行该模型。通过对涡轮增压发动机仿真分析,得到两级涡轮增压发动机在与原机相同的海拔高度,功率有较大裕度,10km高度目标功率可达到220k W,满足不小于200k W的设计要求。基于仿真结果进行两级增压器方案设计,针对设计方案开展涡轮增压器与发动机的匹配研究,确定涡轮增压器气动设计包络范围,形成涡轮增压器总体方案,并确定涡轮增压器结构设计参数,完成航空活塞发动机涡轮增压器设计。通过风洞试验测试发动机与螺旋桨性能,并进行桨发匹配试验。通过不同来流速度、不同发动机油门、不同螺旋桨转速、不同混合比下螺旋桨产生的实际推力和扭矩的性能匹配数据,推算出发动机实际的输出功率,以此作为桨发匹配理论计算参数修正的依据,最终实现两级涡轮增压对发动机的增压改造,达到课题研究目标。研究结果具有科学意义和工程参考价值。