小型和微型飛行器動(dòng)力裝置的現(xiàn)狀與發(fā)展

徐 輝，王春利，趙勝海，任志文（.中國人民解放軍海軍駐南昌地區(qū)航空軍事代表室，江西南昌，33004 .航空工業(yè)洪都，江西南昌，33004）

0 引言

近年來，隨著航空科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展，小型和微型飛行器得到了各個(gè)國家的高度重視?！芭c常規(guī)無人飛行器相比,小型和微型飛行器具有體積小、質(zhì)量輕、成本低的優(yōu)勢,它操縱方便、機(jī)動(dòng)靈活、噪音小、隱蔽性好,無論是在軍事領(lǐng)域還是在民用領(lǐng)域,都有十分誘人的應(yīng)用前景?！盵1]

目前，無人飛行器常用的動(dòng)力裝置包括活塞發(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)、渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)、渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)、渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)、渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，以及電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)等[2]。在進(jìn)行微小型飛行器動(dòng)力裝置選型論證時(shí)，從以上諸多的發(fā)動(dòng)機(jī)類型中選擇合適的發(fā)動(dòng)機(jī)，對于飛行器設(shè)計(jì)人員而言是一項(xiàng)繁瑣而艱巨的任務(wù)。

本文基于國內(nèi)外小型和微型飛行器的動(dòng)力裝置應(yīng)用實(shí)例，從飛行器的總體布局、戰(zhàn)技要求、尺寸、重量、航程、航時(shí)等方面考慮，梳理了微型飛行器動(dòng)力裝置的選型思路，并且探討了動(dòng)力裝置現(xiàn)狀及發(fā)展。

1 小型無人機(jī)（SUAV）和微型飛行器（MAV）動(dòng)力裝置的應(yīng)用現(xiàn)狀

文獻(xiàn)[3]認(rèn)為“SUAV在20～100km/h巡航速度下有盡可能長的留空時(shí)間,巡航高度3～300m,具備全天候能力，翼展小于6m，質(zhì)量小于25kg”,但是這個(gè)定義有待商榷，這里將質(zhì)量小于150～200kg的飛行器都視為SUAV。相對而言，MAV一般要求翼展小于150mm，質(zhì)量小于0.1kg。

在進(jìn)行微小型無人飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)的選擇時(shí)，不僅要參考飛行器的性能要求，而且也要考慮當(dāng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)水平、研制進(jìn)度要求和經(jīng)濟(jì)成本。

表1列舉了國內(nèi)外主要的小型和微型飛行器所使用的動(dòng)力裝置，從中可以看出電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)、渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)和活塞發(fā)動(dòng)機(jī)成為這一類飛行器的常備發(fā)動(dòng)機(jī)。

表1部分微小型飛行器技術(shù)參數(shù)及其動(dòng)力裝置

結(jié)合表2和文中關(guān)于SUAV和MAV的定義，從起飛質(zhì)量方面考慮基本可以將渦軸、渦槳和渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)排除在小型和微型飛行器動(dòng)力裝置的備選項(xiàng)之外。進(jìn)一步地，綜合文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]的觀點(diǎn)，SUAV和MAV飛行器常用的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)可以根據(jù)推力大小來劃分級別，將推力在100～2000daN區(qū)間的發(fā)動(dòng)機(jī)歸類為小型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)；將推力小于100daN的發(fā)動(dòng)機(jī)歸類為微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)。

需要特別指出的是，美國LOCAAS小型巡飛彈（見圖1）所使用的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)為Technical Directions公司的TDI-J45發(fā)動(dòng)機(jī)（見圖2），該款發(fā)動(dòng)機(jī)推力為13.3daN，具備空中點(diǎn)火起動(dòng)能力，并且可以提供1.2kw的發(fā)電量。圖3展示了美國使用活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道風(fēng)扇式環(huán)翼無人機(jī)CypherⅠ與CypherⅡ，而參考圖4，以德國3W公司的產(chǎn)品為代表，小功率重油活塞發(fā)動(dòng)機(jī)以其特有的優(yōu)勢也在小型和微型飛行器動(dòng)力裝置上占有一席之地[8]。

表2不同的動(dòng)力裝置所適用的飛行器

圖1美國小型巡飛彈LOCAAS

圖2 Technical Directions公司的TDI-J45發(fā)動(dòng)機(jī)

根據(jù)表1～表2對彈、無人機(jī)、靶機(jī)和航空模型等飛行器上使用的幾種主要發(fā)動(dòng)機(jī)特性所進(jìn)行的分析，確認(rèn)將電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)、活塞發(fā)動(dòng)機(jī)和渦噴/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)作為小型和微型飛行器的待選發(fā)動(dòng)機(jī)。

2 小型無人機(jī)（SUAV）和微型飛行器（MAV）動(dòng)力裝置的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)

電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的能量源主要包含鋰離子電池、燃料電池和太陽能電池等幾個(gè)類別，當(dāng)然電池也可以作為混合動(dòng)力裝置的能量源[9-11]。

2.1.1鋰離子電池

鋰離子電池具有比能量高、低自放電、循環(huán)性能好、無記憶效應(yīng)和綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是目前最具發(fā)展前景的高效二次電池和發(fā)展最快的化學(xué)儲(chǔ)能電源。以當(dāng)前的技術(shù)水平，鋰離子電池能量密度遠(yuǎn)低于燃油能量密度，這就導(dǎo)致電動(dòng)飛行器續(xù)航性能不足，因此如何設(shè)計(jì)高效的電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)是提升航時(shí)的重點(diǎn)。而制約高性能鋰離子電池性能提升的關(guān)鍵因素是缺乏系統(tǒng)化的鋰離子電池電化學(xué)理論、新的鋰離子電池體系以及高性能儲(chǔ)鋰材料。研究方向主要包括兩個(gè)方面：一個(gè)是鋰離子電池電極材料；另一個(gè)就是電解質(zhì)。

圖3美國Cypher涵道風(fēng)扇式環(huán)翼無人機(jī)

圖4 3W公司的28mL重油活塞發(fā)動(dòng)機(jī)

2.1.2燃料電池

燃料電池?zé)o人機(jī)不僅綠色環(huán)保，而且工作溫度低、噪音小、易于維護(hù)，非常適合用于環(huán)境監(jiān)測、戰(zhàn)場偵察等領(lǐng)域。燃料電池從氫氣中分離出電子后，剩下的氫離子在燃料電池的另一面同氧氣結(jié)合形成水，這些水最后以水蒸氣的形式蒸發(fā)排出。研究認(rèn)為，液態(tài)氫的密度要比氣態(tài)氫高出兩倍,配備燃料電池的飛行器續(xù)航時(shí)長可以達(dá)到12h以上。

燃料電池的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：首先是新型燃料電池催化劑的研究，尋找替代稀有金屬Pt的催化劑，降低電池成本；其次是水循環(huán)及熱管理系統(tǒng)的研究，設(shè)計(jì)良好的循環(huán)冷卻系統(tǒng)，確保燃料電池工作在最佳溫度區(qū)間；第三點(diǎn)是提高燃料電池壽命，研制新型控制系統(tǒng)，以優(yōu)化頻繁的工況變化對電池性能和壽命的影響。

2.1.3太陽能電池

太陽能無人機(jī)具有飛得高、續(xù)航時(shí)間長和飛行距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，是一個(gè)理想的空中飛行平臺(tái)。輕質(zhì)、高效太陽能電池的研制與應(yīng)用技術(shù)是太陽能無人機(jī)設(shè)計(jì)、制造過程中所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)之一。

在保留的小型長航時(shí)飛行器原動(dòng)力裝置（重油活塞發(fā)動(dòng)機(jī)、鋰電池、氫燃料電池）的基礎(chǔ)上，通過把輕薄的太陽能電池集成到武器系統(tǒng)的彈翼上方可使飛行時(shí)間增加4倍以上。

2.2 活塞發(fā)動(dòng)機(jī)

從應(yīng)用角度考慮，需要重點(diǎn)發(fā)展基于點(diǎn)燃式重油活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道風(fēng)扇動(dòng)力系統(tǒng)，主要涵蓋了兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：一是由于無人機(jī)體積和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)限制，必須集成內(nèi)置發(fā)電機(jī)和涵道風(fēng)扇提供推力；另一點(diǎn)，從海軍裝備儲(chǔ)運(yùn)安全和使用維護(hù)等方面考慮，需要采用重油作為活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料。此外，如果無人機(jī)由載機(jī)平臺(tái)空中發(fā)射，其使用環(huán)境和使用特點(diǎn)有別于傳統(tǒng)地面發(fā)射的無人機(jī)，則對發(fā)動(dòng)機(jī)的要求也存在特殊性，所以要求動(dòng)力裝置能夠在空中點(diǎn)火起動(dòng)。對于這三個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)，國內(nèi)的研究基礎(chǔ)仍較薄弱，給動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來巨大的挑戰(zhàn)。

1)重油發(fā)動(dòng)機(jī)的研制

將國內(nèi)外典型的汽油機(jī)作為參考樣機(jī)，借鑒成熟的航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)研制思路，在實(shí)現(xiàn)汽油機(jī)電噴控制改型的基礎(chǔ)上，通過增加二次霧化裝置，匹配與優(yōu)化電噴控制策略，完成重油活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的研制。

2)重油發(fā)動(dòng)機(jī)高空冷起動(dòng)技術(shù)

在重油發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī)臺(tái)架性能達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上，摸索其高空性能和高空冷起動(dòng)邊界，采用可分離式的起動(dòng)電源和起動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和模擬高空傘降方式下驗(yàn)證其起動(dòng)可靠性，起動(dòng)有效高度范圍。

3)集成內(nèi)置發(fā)電機(jī)的涵道風(fēng)扇設(shè)計(jì)

采用CFD三維流體分析的方法，設(shè)計(jì)高效低阻涵道風(fēng)扇葉片，風(fēng)扇轉(zhuǎn)子采用特殊的支點(diǎn)布局，在轉(zhuǎn)子后支點(diǎn)處設(shè)置內(nèi)置式發(fā)電機(jī)。風(fēng)扇轉(zhuǎn)子由重油發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)或齒輪傳動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)工作，在地面臺(tái)架上完成其功能和性能驗(yàn)證。

2.3 渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)

從對國外同類發(fā)動(dòng)機(jī)的分析,結(jié)合國內(nèi)小微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)驗(yàn),在研制該類發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí),需要突破壓縮系統(tǒng)技術(shù)、先進(jìn)燃燒技術(shù)、先進(jìn)材料技術(shù)、低成本設(shè)計(jì)制造技術(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)與飛行器一體化設(shè)計(jì)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。

此外,對于小微型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，從國外發(fā)展趨勢來看，尤其應(yīng)該重視電動(dòng)油泵、混油或油霧潤滑、發(fā)動(dòng)機(jī)FADEC(Full Authority Digital Electronic Control)控制、微型傳感器、高溫高速陶瓷軸承、高轉(zhuǎn)速微型起動(dòng)/發(fā)電機(jī)等前沿技術(shù)的研究[12]。

3 小型無人機(jī)（SUAV）和微型飛行器（MAV）動(dòng)力裝置的發(fā)展趨勢

本節(jié)仍然從電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)、活塞發(fā)動(dòng)機(jī)和渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)三種發(fā)動(dòng)機(jī)類型來探討SUAV和MAV動(dòng)力裝置的發(fā)展趨勢[13，14]。

3.1 電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)

與相同質(zhì)量的可充電鎳鉻電池比較,鋰離子或薄膜電池可多輸出幾倍能量,缺點(diǎn)是放電率低和能量密度不夠,不足以支持微型飛行器長航時(shí)飛行。若以鋰離子電池的能量密度來衡量，鋰離子電池質(zhì)量比能量約為120 W·h/kg～200W·h/kg，遠(yuǎn)低于燃油的比能量約12kW·h/kg，僅能滿足電池動(dòng)力系統(tǒng)的最低需求，難以達(dá)到10h以上長航時(shí)的要求。為使鋰離子電池動(dòng)力系統(tǒng)達(dá)到渦噴/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)或內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)相當(dāng)?shù)乃?，比能量需要提?0倍以上[15]。

目前燃料電池技術(shù)還不成熟,研究人員希望燃料電池能量密度至少大于鋰離子電池2～4倍。燃料電池主要面臨在復(fù)雜工況變化條件下的快速衰減，還有電池防高溫和防冰凍以及燃料儲(chǔ)備等問題，唯有解決這些技術(shù)瓶頸，才能達(dá)到技術(shù)成熟度要求并裝備于小型長航時(shí)飛行器等導(dǎo)彈和無人機(jī)。

相比鋰離子電池和燃料電池，太陽能混合電池動(dòng)力依賴前者的研究進(jìn)展，現(xiàn)在太陽能/鋰電池混合動(dòng)力已經(jīng)是SUAV常用動(dòng)力，持續(xù)提升續(xù)航時(shí)間和航程是其發(fā)展趨勢。

3.2 活塞發(fā)動(dòng)機(jī)

重油不容易發(fā)生意外燃燒事故，因而在軍隊(duì)后勤系統(tǒng)中易于儲(chǔ)存和運(yùn)輸，正迅速成為軍隊(duì)必不可少的軍需品，軍用小微型飛行器適合采用重油活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。

當(dāng)前無人機(jī)選用的幾種典型活塞發(fā)動(dòng)機(jī)主要生產(chǎn)國有美國、奧地利、德國和加拿大。以美國為例，重油航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的研制主要有兩個(gè)技術(shù)路線：其中波音/Insitu公司的“掃描鷹”無人機(jī)所裝備的重油發(fā)動(dòng)機(jī)是由汽油發(fā)動(dòng)機(jī)改造而來；Raytheon公司為“殺人蜂-3”無人機(jī)提供的則是全新研發(fā)的XRDI小型重油發(fā)動(dòng)機(jī)。

國內(nèi)活塞式航空重油發(fā)動(dòng)機(jī)大多處于基礎(chǔ)研究階段，目前還沒有正式生產(chǎn)重油航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)方面的報(bào)道，其中，總參六十所自主研制了5～10kw的航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，并對空中點(diǎn)火和內(nèi)置發(fā)電機(jī)等技術(shù)都進(jìn)行了技術(shù)攻關(guān)。

3.3 渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)

未來微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展方向，主要體現(xiàn)在更高的性能、更輕的質(zhì)量、更低的油耗、更低的成本和更小的尺寸幾個(gè)方面。

4 結(jié)語

本文論述了渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)、活塞發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)等作為小微型飛行器動(dòng)力裝置的重要地位，分析了以上發(fā)動(dòng)機(jī)各自的特點(diǎn)和適用范圍，并探討了各類發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)以及發(fā)展趨勢，為小型和微型飛行器動(dòng)力裝置的選型提供了參考依據(jù)。