浅析高长航时无人机动力,中国成功研制高空长航时无人机发动机

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中国航空报讯:在2017年度国家科学技术奖励大会上,来自北京航空航天大学的长鹰高原型远程无人侦察机系统摘得国家科技进步一等奖。与去年多个航展上亮相的翼龙等无人机一样,长鹰也属于高空长航时无人机。目前,HALEUAV一般指飞行高度大于18千米,巡航时间不小于24小时的无人机。由于这种无人机的飞行时间特别长,甚至一度被人称为大气层人造卫星,它非常适用于高技术局部战争中的情报侦察和监视任务,在我国的现代化发展进程中具有重要战略意义。

图片 2 中国工人正在组装ROTAX发动机

图为中国航天科工三院31所研发的涡轮增压动力系统在旋翼机上进行高原起降验证试验。该系统能够实现高原条件下快速起飞并打破国内旋翼机飞行高度纪录。

美国曾在《无人机系统路线图》中指出:推进技术和处理器技术是无人机的两大关键技术。无人机动力装置的发展直接决定了无人机能够飞多远、飞多久。

图片 3 国产“鹞鹰2”无人机与65马力小型活塞发动机

神舟十一号“回家”,无人机首次介入搜救任务。我国自主研发的首款高空涡轮增压活塞发动机,为无人机首次参与载人飞船返回空中搜救提供了全新的强劲动力,总体技术达到国际先进水平。

高空长航时无人机主要用于执行侦察和传感任务,甚至被要求具有察打一体化的能力,集侦察和打击敌方目标等能力于一体,如我国的翼龙无人机等。

  长期以来,飞机发动机是我国航空制造业的“瓶颈”难题。最近,中国两家企业在高空无人机发动机方面取得突破,制成了活塞和涡轮喷气式发动机,分别适用于小型和大型高空长航时无人机。据悉,此前我国研制的高空无人机使用的活塞发动机向一家奥地利公司进口,与美国“捕食者”无人机的发动机为同一型号。

神舟十一号载人飞船返回时,直播画面中出现了与以往不同的一幕——通过无人机上的“上帝视角”,人们更全方位地观察到了返回搜救过程。没错,在此次搜寻过程中,无人机率先抵达搜寻区域,传回了目标画面。

这些任务都要求HALEUAV运行、维护工作量少且可快速部署。因此,HALEUAV的动力装置必须具有良好的可靠性,良好的燃油经济性,稳定的高空工作能力和良好的爬升能力。发动机的重量要轻,寿命要长,运行和维护成本要低。

  中新网报道,记者26日从北京动力机械研究所获悉,中国首型高空长航时无人机动力系统——单级高压比涡轮增压内燃机,已由该所研制成功并顺利通过评审。

记者从中国航天科工三院31所了解到,该所自主研发的国内首款高空涡轮增压活塞发动机,为无人机首次参与载人飞船返回空中搜救提供了全新的强劲动力。其填补了我国高空长航时无人机涡轮增压动力系统的空白,总体技术达到国际先进水平。

侦察、传感和打击等多任务对无人机机载载荷提出了更高要求,要求无人机发动机需要提供更多的电力。

  最新研制成功的此型高空长航时无人机用涡轮增压内燃机,填补了中国航空发动机相关领域空白。业内专家称,这对促进中国无人机技术实现跨越发展,对于提高中国的国防实力和国防科技水平具有重要意义,其在国防和国民经济建设领域应用前景广阔。

“老古董”依然活跃在航空舞台

短航程飞机一般在6000米至9600米高度飞行,长航程飞机一般在8000米至12600米高度飞行,而高空长航时无人机的飞行高度更高。随着高度的增加,空气的密度和压力都大大降低,当高度达到24千米时,空气的密度和压力只有海平面的1/30左右。

  自上世纪八十年代起,美国等发达国家就开始研究用于高海拔环境下的涡轮增压内燃机,并因其具有经济性良好、高空推重比高、油耗低的独特技术优势,被广泛应用于无人机动力。

目前,用做航空动力的主要是活塞式发动机和涡轮发动机两大类型。

涡轮发动机为了达到更高的增压比就必须增加压气机的级数,活塞发动机也必须采用涡轮增压器,这样会大大增加无人机的重量,因此需要研究重量轻、效率高的压缩系统。同时,增压比增大使空气的温度比低空更高,空气密度的降低使雷诺数减少,空气的热容量减小,严重影响了发动机的对流交换,导致发动机散热相对低空更加困难,对发动机的冷却提出了更高要求。发动机分出更多的功率用于电力驱动,空气密度大大降低进一步增加了压气机喘振裕度的负担,使高空工作的发动机压气机稳定性受到更大挑战。

  中国这方面起步较晚,而高空长航时无人机用涡轮增压内燃机又有着迫在眉睫的广泛市场需求。在此背景下,作为中国飞行器动力系统主要研究单位之一,北京动力机械研究所积极推动涡轮增压内燃机研制,目标就是为中国无人机发展打造强劲“心脏”、提供强劲动力。

活塞式发动机的工作原理是,利用活塞的往复式运动产生动力,驱动螺旋桨旋转,从而使飞机前进。该发动机制造成本较低,推动了航空事业的快速发展。从1903年莱特兄弟发明世界上第一架飞机开始,直至第二次世界大战结束,几乎所有的飞机都采用活塞式发动机。但由于这种发动机自身原理带来的局限性,飞机的飞行速度始终无法突破音速,最大时速一直没超过800公里。

目前,高空长航时无人机动力类型包括涡扇发动机、涡桨发动机、带涡轮增压的涡轮-活塞组合发动机以及燃料电池和太阳能动力等。

  早在“十二五”中期,北京动力机械研究所就着手开展高空长航时涡轮增压活塞发动机技术研究,并先后攻克高压比涡轮增压器设计、控制系统设计、中冷技术、高空试验等技术方面难题,不断刷新中国同类发动机工作升限记录,技术处于国内领先水平。

从第二次世界大战后期开始,涡轮发动机诞生。这种发动机利用燃油燃烧的高温燃气驱动涡轮做旋转运动,既可以用涡轮旋转产生的动力驱动螺旋桨,也可以用排出的高速气流直接推动飞机前进。涡轮发动机使航空事业进入了喷气时代,大部分军用飞机都从活塞式发动机换装了涡轮发动机,飞行速度突破数倍音速。

例如,美国的全球鹰等以侦察任务为主的先进高空长航时无人机均选用涡轮风扇发动机作为其动力装置;死神MQ-9无人机则采用涡轮螺旋桨发动机;以色列苍鹭无人机,采用涡轮增压活塞发动机,已经可以满足高原无人机大多数使用要求。

  此前的7月4日,《中国航天报》报道,中国航天科工三院31所研制的某型中高空无人机用发动机在国内首次成功解决了中高空无人机在复杂地域和广袤空域起飞的难题,并创新性地开发出发动机诊断分析系统,实现了发动机的快速检测与维护,达到了国际同类产品的先进水平。

尽管如此,作为老古董的活塞式发动机并没有退出历史舞台。涡轮发动机虽然速度快,却是真正的“油老虎”。与之相比,燃油消耗率低为活塞式发动机带来了无可比拟的优势,决定着它能拥有更长的续航时间。这一绝活,使得活塞式发动机依然活跃,速度不需要太快但需要一定经济性的飞机,例如通航飞机,依然大量使用活塞式发动机为动力。近年来,随着无人机的发展和应用,成本低廉、燃油消耗低的活塞式发动机已成为无人机的主要动力形式。特别是对于执行特殊任务的长航时无人机,几乎全部采用活塞式发动机为动力。据统计,以涡轮喷气发动机为动力的无人机,续航时间一般为数小时;而相同油量下以活塞发动机为动力的无人机,可以持续飞行数十小时。

如何使高空长航时无人机飞得更远、更久、更稳,仍然是当前和今后无人机动力装置的重点研究方向。增材制造、先进复合材料等技术的发展均为未来无人机发动机的发展提供了更多可能性。

  据了解,该发动机是一种中高空无人机用长航时、可多次使用的小型涡轮喷气发动机,在工作寿命、飞行性能及飞行可靠性等方面均领先于国内同推力量级发动机。日前,该型发动机荣获国家科学技术进步奖三等奖。

图为涡轮增压动力系统在滑翔机上进行升限验证试验。

  专家表示,该发动机的成功研制标志着我国无人机技术跨上了一个新的高度,对于提高国防科技水平具有重要意义。

在高空也能“焕发活力”

  观察者网军事观察员指出,据报道,中国目前在研的多型无人机均采用奥地利Rotax 914型活塞发动机,这种发动机也是世界上多种高空长航时无人机的主要动力系统。可持续输出功率为100马力,最大功率150马力(持续时间5分钟),发动机净重仅78千克。美国航空航天局曾在上世纪90年代用此型发动机安装在无人试验机上创下15000米的飞行高度记录,此后该型发动机被广泛运用在“捕食者”等型无人机上。

随着用途不断拓展,无人机越飞越高,自然吸气的活塞式发动机逐渐显得力不从心。开车去过高原的人都有体会,不仅人有高原反应,发动机同样如此,最明显的表现就是“没劲儿”。其原因就是,高海拔区域空气稀薄,发动机的实际进气量明显减少,从而导致功率严重降低。

  而航天科工集团研制的无人机用涡喷发动机则可能是用于研制类似美国“复仇者”(又称“收割者”C)无人机的中型高空无人机。在去年的珠海航展上,航天科工集团曾展示一款名为WJ600的中型喷气式无人机模型,展示了中国在这方面的雄心。

为了让活塞式发动机在高空“焕发活力”,涡轮增压器应运而生。其原理是用活塞式发动机排出的废气驱动涡轮高速旋转,带动与涡轮同轴的压气机,使进入发动机的空气受到压缩,密度提高,从而提高发动机的实际进气量。

  据悉,美国“复仇者”无人机采用普拉特·惠特尼公司的PW545B涡轮风扇发动机,推力达18.4千牛。该机2009年首飞,已在阿富汗战场进行过实战测试。该机采用了隐身外型设计,机内有弹舱,可携带1400千克的武器,包括反坦克导弹和炸弹。该机的飞行速度可达714千米/小时,可续航20小时。由于飞行速度较快,因此该机可以使用合成孔径雷达,监视范围比“捕食者”或“收割者”这样的螺旋桨动力无人机使用光电设备的观察范围大得多。而中国展示的WJ600无人机也是以安装合成孔径雷达为主要特点。

对于普通车用活塞式发动机而言,涡轮增压器为驾驶员带来了“推背感”和更多驾驶乐趣,同时能适应海拔数千米高原地区的驾驶需要,其增压比一般较低。但对高空无人机而言,所需的不仅是“推背感”,更要让无人机即使飞在数万米高空,也依然能保持强劲动力。因此,航空用涡轮增压器必须实现高增压比甚至是超高增压比。

  不过,由于国产涡轮喷气发动机的推力较小、耗油率较高,WJ600无人机的持续活动时间、载重量等方面的数据比“复仇者”有一定差距。该无人机也未采用隐身设计。不过,WJ600的成本、制造难度都显著低于“复仇者”,更适合高强度战场环境下的消耗战。

涡轮增压技术是活塞式发动机发展史上具有里程碑意义的重大创新,不仅能大幅度提高发动机功率,还能进一步降低燃油消耗,让搭载活塞式发动机的无人机飞得更远。有的无人机甚至为发动机搭载了多台涡轮增压器,其连续增压,能使无人机飞到20公里的临近空间。这一高度的空气密度仅为地面的十分之一,普通活塞式发动机根本无法企及,但涡轮增压技术却能帮助无人机在这里自由翱翔。

说到高增压比涡轮增压器,不能不提它的“亲密搭档”——中冷器。为进一步发挥活塞式发动机的潜力,研究人员在高增压比涡轮增压器基础上,设计了中冷器,其本质是一种高效率换热器。中冷器安装在高增压比涡轮增压器之后,目的是给增压后的高压高密度空气降温。由于热胀冷缩,这种设计能使进入发动机的空气压力和密度进一步增大,从而让发动机功率进一步提高。高增压比涡轮增压技术和中冷技术的联合使用,不仅提高了发动机功率,还能降低发动机热负荷,减少污染物的排放,使活塞式发动机的潜力发挥到极致,更好地为无人机保驾护航。

带着多项绝技完成首秀

据31所涡轮增压活塞式发动机项目副总师甘斌林介绍,研究团队在8年前就瞄准国内无人机动力系统技术需求,开始了以突破关键技术实现产品研制的艰苦攻关。通过高空长航时无人机用单级高增压动力系统的研究,以及国内相关配套工作,首次掌握了单级高增压动力系统设计技术,实现了我国涡轮增压动力系统研制水平的突破性进展。

随着相关关键技术的逐一突破,研制团队几乎踏遍了祖国的边疆海域,搭载该动力系统的有人/无人飞行器在海拔4000多米的青藏高原、环境高温湿热复杂多变的南海海域、极限低温的漠北草原等地进行了多次试飞,先后完成3000余小时发动机部件及整机地面试验,100余架次、累积600多小时的飞行试验。

涡轮增压技术带给无人机的不仅是简单的“推背感”。别看这套动力系统体积不大,体内却凝结着众多最新设计理念:高增压比的涡轮增压器能够帮助无人机提高飞行高度;高效率的中冷器大大提升发动机功率;先进的自适应控制策略,则保证了发动机运行的稳定可靠。该系统首次解决了高空小尺寸条件下跨声速压气机效率低、稳定工作范围窄的难题,显著提高跨声速离心压气机性能;首次解决了高空小迎风面条件下中冷器换热效率低的技术难题,实现发动机高增压系统超紧凑结构设计;首次提出该项自适应控制策略,解决了全空域低速系统稳定工作的难题……与进口的同类发动机相比,该系统单级增压比提升了2.5倍,功率保持高度从4公里提高到10公里以上。

带着多项绝技,该系统顺利完成了首秀。此次参与神舟十一号飞船返回搜寻任务的无人机,在飞船返回前数小时就已升空,迅速攀升至指定高度后,采取定高飞行方式到达预定区域,在空中盘旋待命。返回舱降落后,该无人机迅速飞向目标着陆点,第一时间传回了画面。

目前,长航时无人机已在大气监测、海洋监察和地质勘测等领域发挥着越来越重要的作用,随着相关动力技术不断成熟,必将帮助其在天地间开展更多探索。

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