會員登錄
高空長航時無人機動力裝置的現(xiàn)狀與發(fā)展
打賞
推廣
尹志文
引言
??高空長航時無人機(HALE UAV)在我國的現(xiàn)代化發(fā)展進程中具有重要戰(zhàn)略意義，是一個國家綜合國力強弱的體現(xiàn)之一。早期它一般是指續(xù)航時間至少為12h，飛行高度在10km以上，甚至可達到20km臨近空間（這種無人機有時也稱為超高空長航時無人機）的無人機；現(xiàn)在，高空長航時無人機指的是飛行高度大于18 km，連續(xù)飛行時間大于24 h的無人機。由于這種無人機的飛行時間特別長, 通常稱為“大氣層人造衛(wèi)星”，它非常適合用于高技術局部戰(zhàn)爭中的情報偵察和監(jiān)視任務。
? 國外有很多國家制定過高空長航時無人機項目計劃，但多數(shù)都以失敗告終，其中，主要困難之一就在于高空長航時無人機的動力裝置。由于高空長航時無人機的使用環(huán)境和任務要求與常規(guī)飛機有較大差別，因此，其動力裝置的發(fā)展中還存在著諸多的挑戰(zhàn)。
? 國外有很多國家制定過高空長航時無人機項目計劃，但多數(shù)都以失敗告終，其中，主要困難之一就在于高空長航時無人機的動力裝置。由于高空長航時無人機的使用環(huán)境和任務要求與常規(guī)飛機有較大差別，因此，其動力裝置的發(fā)展中還存在著諸多的挑戰(zhàn)。
1發(fā)展現(xiàn)狀
? 由表1看出，大部分高空長航時無人機選擇的是渦輪風扇發(fā)動機作為其動力裝置，少部分動力裝置也采用渦輪螺旋槳發(fā)動機，這是由其任務決定的。高空長航時無人機起飛基地距作戰(zhàn)區(qū)域較遠，執(zhí)行作戰(zhàn)任務需要遠距離高空快速飛行，而活塞式發(fā)動機單機功率較低，只適用于低空低速飛行；渦輪噴氣發(fā)動機耗油率高，續(xù)航時間短；渦輪螺旋槳發(fā)動機與渦輪風扇發(fā)動機相比，前者的工作高度一般只能達到15km，對于高空偵察來說，升限相對較低。雖然渦輪風扇發(fā)動機的耗油率較高，但由于起飛功率高，功重比高，可以在較高的飛行馬赫數(shù)下工作，適應空域廣，所以能夠很好滿足高空長航時無人機作戰(zhàn)任務需要。如美國的“全球鷹”、“人魚海神”等以偵查任務為主的先進高空長航時無人機均選用渦輪風扇發(fā)動機作為其動力裝置。
表1?部分高空長航時無人機主要參數(shù)及其動力裝置
2面臨的技術問題
2.1技術要求
2.1技術要求
? 現(xiàn)代高空長航時無人機使用環(huán)境與任務的特點是高空（18km以上）長時間（大于24h）工作，過去主要用于執(zhí)行偵察和傳感等任務，現(xiàn)代先進的高空長航時無人機還具有察打一體化的能力，集偵查打擊于一體,如美國的MQ-9“死神”(Reaper)無人機、“復仇者”(Avenger)無人機等。這就要求高空長航時無人機要具有能夠快速部署、維護工作量少、初始和運行成本低等特點。
? 表2是典型高空長航時無人機的主要設計參數(shù)。高空長航時無人機對動力裝置的要求非常苛刻，發(fā)動機必須具有良好的任務可靠性、燃油經濟性、爬升能力和穩(wěn)定的高空工作能力；發(fā)動機的重量要輕，壽命要長，采購、運行和維護成本要低；由于高空空氣密度很低，發(fā)動機散熱困難，因此，發(fā)動機的冷卻也需要認真考慮。
表2?典型高空長航時無人機的主要設計參數(shù)
2.2技術難點
? （1）增壓比。隨著高度的增加，空氣的密度和壓力都顯著降低，當高度達到24km時，空氣的密度和壓力只有海平面的1/30左右。在這一高度，渦輪發(fā)動機的進口壓力要達到100kPa，發(fā)動機的總增壓比必須超過36。要獲得如此高的增壓比，渦輪發(fā)動機必須增加壓氣機的級數(shù)，活塞發(fā)動機必須采用渦輪增壓器，這就使得高空長航時無人機動力裝置的重量大大增加。
? （2）溫度?？諝鈮嚎s通常會導致空氣溫度的升高，進而導致發(fā)動機的工作溫度顯著高于目前水平，故壓縮系統(tǒng)不得不增加熱交換器，這進一步增加了發(fā)動機的重量。
? （3）低雷諾數(shù)。在20km高度巡航的無人機，典型的飛行雷諾數(shù)為 ，在氣動研究領域，習慣把小于 的雷諾數(shù)歸于低雷諾數(shù)范圍。雷諾數(shù)越小,發(fā)動機風扇和壓氣機空氣流量越小, 渦輪導向器有效流通面積越小,造成發(fā)動機流通能力降低,空氣流量減小,轉速下降,發(fā)動機推力降低;風扇、壓氣機和渦輪效率降低 造成燃燒室燃油流量增加,渦輪前溫度上升,發(fā)動機耗油率增加。
? （4）功率。高空長航時無人機要求發(fā)動機有高的功率提取。在高空工作時，由于空氣密度顯著降低，發(fā)動機壓氣機容易發(fā)生喘振，而高的功率提取則進一步加劇了壓氣機喘振的概率，發(fā)動機在高空工作的穩(wěn)定性將受到影響。
3發(fā)展建議
3.1加快發(fā)展多（全）電發(fā)動機
? 高空長航時無人機動力裝置發(fā)展過程中面臨諸多技術難點，而隨著現(xiàn)代電力、電子技術的高速發(fā)展，多（全）電發(fā)動機技術不失為解決上述問題的一個有效途徑。多（全）電發(fā)動機采用了整體啟動/發(fā)動機、主動磁浮軸承等新技術，由于取消了傳統(tǒng)接觸式滾動軸承、滑油系統(tǒng)、功率提取軸、減速器和有關機械作動附件，從而大大減輕了重量，降低了成本，減小發(fā)動機迎風面積，提高了可靠性和維修性，并可以減小振動和對葉片間隙進行主動控制等。
? 目前，在陸地和海洋，全電車輛和艦船已經進入了實用階段，并將很快大規(guī)模使用，多（全）電發(fā)動機技術優(yōu)
良的綜合性能已經得到了證實，未來的高空長航時無人機發(fā)動機也將發(fā)展為多（全）電發(fā)動機。
?
3.2充分利用新型能源
??高空長航時無人機在空中無需加油、長航時間飛行其是發(fā)展的一大趨勢。為此, 有兩種途徑可供選擇：一是利用高能燃料替代傳統(tǒng)的航空煤油；二是利用電能、太陽能等新能源。這些新型能源具有無污染、轉換效率高、儲量充足等優(yōu)點。
? 其中，燃料電池是一種不經過燃燒，將氫直接轉化為電能和熱量的電化學設備，不受卡諾循環(huán)的限制，其效率是內燃發(fā)動機的兩倍以上，而太陽能電池在航天器的電源系統(tǒng)上早已普及，如各種衛(wèi)星和空間站上的太陽能電池板。2005年5月，美國航空環(huán)境公司的世界首架采用液氫燃料電池的“全球觀察者”高空長航時無人機進行首飛，該無人機可在19.76km的高空連續(xù)飛行7～10天；2001年，美國研制的“太陽神”號太陽能無人機在試驗中最高達到近29km的飛行高度，留空時間18h。預計，今后以新型能源為動力的高空長航時無人機續(xù)航時間有可能從幾十小時提高到幾個月，飛行高度達25～30km。
?
? （1）增壓比。隨著高度的增加，空氣的密度和壓力都顯著降低，當高度達到24km時，空氣的密度和壓力只有海平面的1/30左右。在這一高度，渦輪發(fā)動機的進口壓力要達到100kPa，發(fā)動機的總增壓比必須超過36。要獲得如此高的增壓比，渦輪發(fā)動機必須增加壓氣機的級數(shù)，活塞發(fā)動機必須采用渦輪增壓器，這就使得高空長航時無人機動力裝置的重量大大增加。
? （2）溫度?？諝鈮嚎s通常會導致空氣溫度的升高，進而導致發(fā)動機的工作溫度顯著高于目前水平，故壓縮系統(tǒng)不得不增加熱交換器，這進一步增加了發(fā)動機的重量。
? （3）低雷諾數(shù)。在20km高度巡航的無人機，典型的飛行雷諾數(shù)為 ，在氣動研究領域，習慣把小于 的雷諾數(shù)歸于低雷諾數(shù)范圍。雷諾數(shù)越小,發(fā)動機風扇和壓氣機空氣流量越小, 渦輪導向器有效流通面積越小,造成發(fā)動機流通能力降低,空氣流量減小,轉速下降,發(fā)動機推力降低;風扇、壓氣機和渦輪效率降低 造成燃燒室燃油流量增加,渦輪前溫度上升,發(fā)動機耗油率增加。
? （4）功率。高空長航時無人機要求發(fā)動機有高的功率提取。在高空工作時，由于空氣密度顯著降低，發(fā)動機壓氣機容易發(fā)生喘振，而高的功率提取則進一步加劇了壓氣機喘振的概率，發(fā)動機在高空工作的穩(wěn)定性將受到影響。
3發(fā)展建議
3.1加快發(fā)展多（全）電發(fā)動機
? 高空長航時無人機動力裝置發(fā)展過程中面臨諸多技術難點，而隨著現(xiàn)代電力、電子技術的高速發(fā)展，多（全）電發(fā)動機技術不失為解決上述問題的一個有效途徑。多（全）電發(fā)動機采用了整體啟動/發(fā)動機、主動磁浮軸承等新技術，由于取消了傳統(tǒng)接觸式滾動軸承、滑油系統(tǒng)、功率提取軸、減速器和有關機械作動附件，從而大大減輕了重量，降低了成本，減小發(fā)動機迎風面積，提高了可靠性和維修性，并可以減小振動和對葉片間隙進行主動控制等。
? 目前，在陸地和海洋，全電車輛和艦船已經進入了實用階段，并將很快大規(guī)模使用，多（全）電發(fā)動機技術優(yōu)
良的綜合性能已經得到了證實，未來的高空長航時無人機發(fā)動機也將發(fā)展為多（全）電發(fā)動機。
?
3.2充分利用新型能源
??高空長航時無人機在空中無需加油、長航時間飛行其是發(fā)展的一大趨勢。為此, 有兩種途徑可供選擇：一是利用高能燃料替代傳統(tǒng)的航空煤油；二是利用電能、太陽能等新能源。這些新型能源具有無污染、轉換效率高、儲量充足等優(yōu)點。
? 其中，燃料電池是一種不經過燃燒，將氫直接轉化為電能和熱量的電化學設備，不受卡諾循環(huán)的限制，其效率是內燃發(fā)動機的兩倍以上，而太陽能電池在航天器的電源系統(tǒng)上早已普及，如各種衛(wèi)星和空間站上的太陽能電池板。2005年5月，美國航空環(huán)境公司的世界首架采用液氫燃料電池的“全球觀察者”高空長航時無人機進行首飛，該無人機可在19.76km的高空連續(xù)飛行7～10天；2001年，美國研制的“太陽神”號太陽能無人機在試驗中最高達到近29km的飛行高度，留空時間18h。預計，今后以新型能源為動力的高空長航時無人機續(xù)航時間有可能從幾十小時提高到幾個月，飛行高度達25～30km。
?
3.3注重隱身性能
? 目前所見的高空長航時無人機全部是用于軍隊，雖然20000m高空很難被導彈擊落，但軍用高空長航時無人機經常在高危險區(qū)域執(zhí)行任務，依舊面臨著地空導彈的嚴重威脅，所以為提高生存能力，無人機動力裝置的隱身設計至關重要。
3.4采用“互換性設計”的思想
? 目前所見的高空長航時無人機全部是用于軍隊，雖然20000m高空很難被導彈擊落，但軍用高空長航時無人機經常在高危險區(qū)域執(zhí)行任務，依舊面臨著地空導彈的嚴重威脅，所以為提高生存能力，無人機動力裝置的隱身設計至關重要。
3.4采用“互換性設計”的思想
? 高空長航時無人機動力裝置設計時，除了考慮“以任務為中心”的設計前提下，還應盡量采用“互換性設計”的思想。動力裝置的“互換性設計”包括兩個方面，一是不同型號發(fā)動機之間的整機互換，二是不同發(fā)動機零部件之間的互換。目前，高空長航時無人機的發(fā)動機都采用“配型生產”，即根據(jù)任務和機型的不同設計制造不同的發(fā)動機。其研發(fā)周期長，生產率低，而且如果無人機項目被取消的話其相適配的發(fā)動機研發(fā)也得被迫中止，極大地浪費了人力物力和財力。
? 高空長航時無人機的發(fā)動機采用互換性設計，在制造方面，有利于組織專業(yè)化生產，方便采用先進的工藝和高效率且成熟的專用設備進行生產，有利于實現(xiàn)加工和裝配過程的機械化和自動化，從而可以提高生產效率和發(fā)動機的品質，節(jié)約生產成本；在使用和維修方面，具有互換性的發(fā)動機和零部件在報廢及磨損后可及時更換，因而減少了發(fā)動機的維修時間和費用，為現(xiàn)代化的“閃電式”作戰(zhàn)提供了充足的保障，此外，采用“互換性設計”的思想還有利于軍民融合式發(fā)展。
? 高空長航時無人機的發(fā)動機采用互換性設計，在制造方面，有利于組織專業(yè)化生產，方便采用先進的工藝和高效率且成熟的專用設備進行生產，有利于實現(xiàn)加工和裝配過程的機械化和自動化，從而可以提高生產效率和發(fā)動機的品質，節(jié)約生產成本；在使用和維修方面，具有互換性的發(fā)動機和零部件在報廢及磨損后可及時更換，因而減少了發(fā)動機的維修時間和費用，為現(xiàn)代化的“閃電式”作戰(zhàn)提供了充足的保障，此外，采用“互換性設計”的思想還有利于軍民融合式發(fā)展。
4結束語
? 通過上述分析可以看出，動力裝置對于高空長航時無人機的發(fā)展具有重要意義，目前世界上僅有少數(shù)國家對高空長航時無人機的動力裝置有所研究，我們要抓住這個機遇，并以此為契機，來帶動中國航空發(fā)動機產業(yè)乃至整個航空工業(yè)的發(fā)展和進步。
尹志文? 深圳市博爾創(chuàng)意文化發(fā)展有限公司
尹志文? 深圳市博爾創(chuàng)意文化發(fā)展有限公司
聽說，打賞我的人最后都找到了真愛。
做科普，我們是認真的！
掃描關注深i科普公眾號
加入科普活動群
- 參加最新科普活動
- 認識科普小朋友
- 成為科學小記者
中國科普資源名錄網(wǎng)
地址
深圳市福田區(qū)上步中路1003號 深圳科學館701
中國科普資源名錄 ?版權所有 粵ICP備19122314號