微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展綜述

薛然然，李鳳超

(中國航空工業(yè)集團(tuán)公司 中國航空研究院，北京 100012)

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微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展綜述

薛然然，李鳳超

(中國航空工業(yè)集團(tuán)公司 中國航空研究院，北京 100012)

100 daN以下推力的微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)能為微小型飛行器提供優(yōu)質(zhì)和可靠的動(dòng)力，已成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)具有尺寸小、轉(zhuǎn)速高、零件數(shù)少、工作時(shí)間長、推力易調(diào)節(jié)、紅外輻射低、能重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)。其推重比已經(jīng)超過11.0，已在無人作戰(zhàn)飛行器、防空武器靶標(biāo)、精確打擊彈藥、試驗(yàn)飛行器等裝備上大量應(yīng)用。本文從研發(fā)機(jī)構(gòu)與代表產(chǎn)品、性能與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、應(yīng)用現(xiàn)狀等方面，對(duì)微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)20世紀(jì)50年代以來的發(fā)展情況進(jìn)行了綜述，可為今后國內(nèi)研制高性能微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)提供參考。隨著進(jìn)一步降低成本、提高推重比，微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)將有更強(qiáng)的競爭力和更廣的發(fā)展前景。

航空發(fā)動(dòng)機(jī); 渦輪噴氣; 微型; 技術(shù)參數(shù); 應(yīng)用

0 引 言

按照推力的大小，渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)可分為大型、中型、小型和微型等類型，通常將推力在100 daN以下的發(fā)動(dòng)機(jī)稱為微型發(fā)動(dòng)機(jī)。由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高，還沒有真正實(shí)用的微型渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)，而微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)用于裝備各種微小型無人機(jī)和制導(dǎo)彈藥。隨著飛行器對(duì)續(xù)航、機(jī)動(dòng)、隱身等性能的更高需求，微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)憑借其特有的優(yōu)勢(shì)受到越來越多的關(guān)注，已成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

本文以詳實(shí)的數(shù)據(jù)和豐富的實(shí)例為基礎(chǔ)，對(duì)20世紀(jì)50年代以來國內(nèi)外微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展進(jìn)行了梳理和總結(jié)。介紹世界知名微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的主要研發(fā)機(jī)構(gòu)及其代表產(chǎn)品，匯總大量中外典型機(jī)型的推力、推重比、耗油率、總壓比、轉(zhuǎn)速、長度和直徑等技術(shù)參數(shù)，分析性能和結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)，歸納在各類微小型軍、民用飛行器方面的應(yīng)用情況，可為今后微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和微型渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的研究提供參考。

1 微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的主要研發(fā)機(jī)構(gòu)及其代表產(chǎn)品

國外微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的研究可追溯到20世紀(jì)50年代末，先后建立了以Teledyne CAE、Williams International和Microturbo S A等為代表的一批實(shí)力雄厚的研發(fā)機(jī)構(gòu)，并經(jīng)過多年不斷實(shí)踐和發(fā)展，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)成熟，產(chǎn)品型號(hào)眾多并呈系列化發(fā)展。

美國Continental Aviation and Engineering公司成立于1940年，最初是Continental Motors旗下的一個(gè)分公司，1969年并入Teledyne 公司，更名為Teledyne CAE，現(xiàn)稱Teledyne Turbine Engines。20世紀(jì)70年代初曾為美國海軍設(shè)計(jì)和生產(chǎn)了最早的巡航導(dǎo)彈用J402系列渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，以此奠定了其在小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)領(lǐng)域里的顯赫地位。該公司在微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)方面，先后推出了多種產(chǎn)品。Model 305是于20世紀(jì)80年代研發(fā)的低成本渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，在設(shè)計(jì)上大量借鑒了已有的成熟經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)[1]，其核心部件為單級(jí)離心壓氣機(jī)、甩油盤供油的折流環(huán)形燃燒室和單級(jí)軸流渦輪；305-4A是基本型號(hào)，推力為17.8 daN；305-7E是改進(jìn)型號(hào)，在原有尺寸條件下，設(shè)計(jì)了更高性能的壓氣機(jī)，提高了總壓比和進(jìn)氣量，從而使推力增至40 daN。Model 312(軍方編號(hào)J700-CA-400)是該公司研發(fā)的另一種以成本低廉和結(jié)構(gòu)簡單為設(shè)計(jì)目標(biāo)的渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，1995年安裝在ITALD(ADM-141C)戰(zhàn)術(shù)空射誘餌上進(jìn)行了試飛，其推力79 daN，推重比4.7，總體結(jié)構(gòu)形式與305系列相同。

美國Williams International公司成立于1955年，主要從事微小型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的研制工作。1957年將WR1回?zé)崾阶杂蓽u輪發(fā)動(dòng)機(jī)改為渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，推力約22 daN[2]。在此基礎(chǔ)上，采用單級(jí)離心壓氣機(jī)、回流環(huán)形燃燒室和單級(jí)軸流渦輪的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了WR2渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，并于1962年完成了首次運(yùn)轉(zhuǎn)，產(chǎn)生31 daN的推力[3]，而其批生產(chǎn)型號(hào)WR2-6的推力可達(dá)到50 daN[4]。20世紀(jì)60年代中期，對(duì)WR2進(jìn)行了改進(jìn)，并于1968年開始生產(chǎn)WR24-6(J400-WR-400)發(fā)動(dòng)機(jī)。之后，在原有1級(jí)離心壓氣機(jī)前增加了1級(jí)軸流壓氣機(jī)，相繼研制出了WR24-7/7A(J400-WR-401/402)和WR24-8(J400-WR-403/404)，最大推力提高到100 daN以上。目前，該系列發(fā)動(dòng)機(jī)仍被多種載人機(jī)、無人機(jī)和巡航導(dǎo)彈所使用。

法國Microturbo S A公司成立于1961年，是世界知名的無人機(jī)和導(dǎo)彈用微小型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的供應(yīng)商。其微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的代表產(chǎn)品有TRS18、TR3和TR10等[5]。TRS18是20世紀(jì)70年代中期開始研制的輕質(zhì)量系列渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，包括18-046、18-075、18-076、18-1、18-2等多種型號(hào)，采用單級(jí)離心壓氣機(jī)、折流環(huán)形燃燒室和單級(jí)軸流渦輪的結(jié)構(gòu)，推力處于100～150 daN，主要為靶機(jī)提供動(dòng)力；TR3是一種30 daN推力級(jí)的微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，直徑130 mm，長度330 mm，質(zhì)量4 kg，最大飛行馬赫數(shù)0.8，最大飛行高度9 km，2005年開始研制，2009年進(jìn)行了預(yù)生產(chǎn)，可用于無人機(jī)和輕型導(dǎo)彈；TR10型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)尚處于研制階段，該發(fā)動(dòng)機(jī)采用三級(jí)軸流壓氣機(jī)、直流環(huán)形燃燒室和單級(jí)軸流渦輪的結(jié)構(gòu)，推力處于80～120 daN，可用于輕型反艦和空面導(dǎo)彈。

美國Hamilton Sundstrand公司由原Hamilton Standard和Sundstrand Corporation于1999年合并成立，現(xiàn)隸屬于United Technologies公司。憑借豐富的飛機(jī)輔助動(dòng)力裝置研制經(jīng)驗(yàn)，于20世紀(jì)80年代起開始發(fā)展微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)。GEMJET是其早期產(chǎn)品，設(shè)計(jì)推力17.8 daN，推重比3.0，耗油率1.22 kg/daN·h，渦輪前溫度1 050 K，總壓比3.6，最大轉(zhuǎn)速9.35×104rpm。核心機(jī)由進(jìn)氣機(jī)匣、單轉(zhuǎn)子和單靜子三個(gè)部分組成，如圖1所示[6]。該標(biāo)志性的結(jié)構(gòu)形式被其后續(xù)機(jī)型所繼承，發(fā)展出TJ-90發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)在1.02×104rpm轉(zhuǎn)速下推力可達(dá)到48 daN。20世紀(jì)90年代以后，又研制了TJ-30、TJ-50、TJ-120和TJ-350等發(fā)動(dòng)機(jī)。該系列渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)主要應(yīng)用于無人機(jī)和精確打擊彈藥。

圖1 GEMJET的三大部件

美國Technical Directions公司從20世紀(jì)90年代起一直為美國軍方設(shè)計(jì)和發(fā)展微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。其產(chǎn)品具有推力可調(diào)、成本低廉、結(jié)構(gòu)緊湊、起動(dòng)快捷、適用多種燃料、無需潤滑油、全權(quán)限控制等特點(diǎn)。基于車載渦輪增壓器技術(shù)采用單軸緊湊結(jié)構(gòu)形式，核心部件包括單級(jí)離心壓氣機(jī)、回流環(huán)形燃燒室和單級(jí)向心渦輪。代表型號(hào)包括J45、J5和J7等，推力分別為13、25和45 daN，主要用于迷你型精確打擊彈藥。

荷蘭Advanced Micro Turbines公司創(chuàng)建于1991年，主要為遙控飛機(jī)、試驗(yàn)飛機(jī)、教學(xué)飛機(jī)和滑翔機(jī)等設(shè)計(jì)生產(chǎn)微小型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。1994年開始生產(chǎn)第一種產(chǎn)品Pegasus，推力17 daN。其后，又陸續(xù)推出推力為23 daN的Olympus、9 daN的Mercury、39 daN的Titan和78 daN的Nike微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，以及最新的推力為157 daN的Lynx小型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。各型號(hào)均采用單級(jí)離心壓氣機(jī)、蒸發(fā)管供油的直流環(huán)形燃燒室、單級(jí)軸流渦輪和簡單收縮尾噴管，以O(shè)lympus發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)為例，如圖2所示[7]，通過壓縮空氣或電動(dòng)機(jī)等方式啟動(dòng)。

圖2 Olympus發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

德國JetCat公司從事航空和艦船模型用微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的研制和銷售，其產(chǎn)品型號(hào)多，深受航模愛好者們的推崇。早期推出的發(fā)動(dòng)機(jī)推力較小，僅在25 daN以下，包括P20、P60、P100、P160和P200等型號(hào)。近幾年研制的發(fā)動(dòng)機(jī)推力有所提高，如2010年以后推出的30 daN級(jí)P300和40 daN級(jí)P400，進(jìn)一步拓展了產(chǎn)品的使用范圍。

除了上述公司之外，國外微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)機(jī)構(gòu)(代表產(chǎn)品)還包括：美國Aviation Microjet Technology公司(AT-180、AT-280、AT-450、AT-1500以及AT-1700)和SWB Turbines公司(SWB-11、SWB-25、SWB-35、SWB-45、SWB-65以及SWB-100)，英國Microjet Engineering公司(Phoenix HF15、HF30、HF65、HF100以及HF150)和Noel Penny Turbines公司(NPT051、NPT151以及NPT171)，捷克PBS Velka Bites公司(TJ20、TJ40、TJ80以及TJ100)，俄羅斯Granit設(shè)計(jì)局(MD-45和MD-120)，塞爾維亞EDePro公司(TMM-040)，西班牙Artes Jet Turbines公司(KJ-66、JF-100、JF-160以及AJ-307)，丹麥Simjet公司(700AES、1200AES、2300AES、3000AES以及3600AES)，日本Sophia Precision公司(J450和J850)等。

國內(nèi)微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的研究起步相對(duì)較晚。“八五”期間，西北工業(yè)大學(xué)微型航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究所自行設(shè)計(jì)和研制了我國第一臺(tái)微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)原理樣機(jī)W2P-1，設(shè)計(jì)推力108 daN，耗油率1.15 kg/daN·h。1993年進(jìn)行調(diào)試，發(fā)動(dòng)機(jī)性能達(dá)到預(yù)期結(jié)果并略優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)，與國外20世紀(jì)80年代的同類產(chǎn)品相當(dāng)[8]。進(jìn)入21世紀(jì)以后，多家軍工單位、科研院校、甚至民營企業(yè)開始從事微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的研制工作，并相繼設(shè)計(jì)和推出了多款產(chǎn)品。

從公開發(fā)表的文獻(xiàn)和航展發(fā)布的信息來看，國內(nèi)微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)機(jī)構(gòu)(代表產(chǎn)品)主要包括：中國人民解放軍總參謀部第六十研究所(CYS-40WP和CYS-80WP)、中國航天科工集團(tuán)第三研究院(20、40、60以及110 daN推力級(jí))、中國航天科技集團(tuán)公司第七研究院(以下簡稱為航天科技七院)(25、40以及80 daN推力級(jí))、中國科學(xué)院工程熱物理研究所(60和80 daN推力級(jí))、南京航空航天大學(xué)(MTE-60、MTE-110、MTE-120以及MTE-160)、北京航空航天大學(xué)(10、23以及40 daN推力級(jí))、西北工業(yè)大學(xué)(51 daN推力級(jí))和中國臺(tái)灣KingTech Turbines公司(K60、K100以及K210)等。

20世紀(jì)80年代以來國內(nèi)外典型微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的研發(fā)狀況，如圖3所示。

圖3 國內(nèi)外典型微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)狀況

2 微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和特點(diǎn)

國內(nèi)外典型微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。與大型發(fā)動(dòng)機(jī)相比，微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)具有以下四個(gè)顯著特點(diǎn)。

(1) 推力小、尺寸小。國內(nèi)外40余個(gè)微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的推力、轉(zhuǎn)速隨直徑變化的曲線如圖4所示，并擬合出趨勢(shì)線。從圖4(a)可以看出：100 daN以下推力的發(fā)動(dòng)機(jī)，其直徑為分米量級(jí)，在250 mm以內(nèi)；而10 daN以下推力，直徑為厘米量級(jí)，例如推力10 daN的P100直徑為97 mm，2.4 daN的P20直徑為60 mm，0.62 daN的Midge直徑為39.9 mm[9]，0.012 5 daN的ME直徑為12 mm[10]。

表1 國內(nèi)外典型微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)參數(shù)

(a) 發(fā)動(dòng)機(jī)推力隨直徑的變化

(b) 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨直徑的變化

(2) 為了獲得更優(yōu)的性能，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速較高。從圖4(b)可以看出：40～100 daN推力的發(fā)動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)速為萬轉(zhuǎn)/分鐘量級(jí)，并集中在6.0×104～1.0×105rpm范圍內(nèi)；40 daN以下推力，轉(zhuǎn)速增至十萬轉(zhuǎn)/分鐘量級(jí)，甚至達(dá)到百萬轉(zhuǎn)/分鐘量級(jí)，例如Midge的試驗(yàn)轉(zhuǎn)速已達(dá)到4.2×105rpm，而其設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為8.0×105rpm[11]，ME的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速更是高達(dá)2.4×106rpm。

(3) 為了降低成本，微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)上一直力求結(jié)構(gòu)簡單，零件數(shù)目少。TJ-50采用單軸結(jié)構(gòu)，壓氣機(jī)為單級(jí)離心式，渦輪為單級(jí)向心式，燃燒室采用回流環(huán)形。核心機(jī)只有11個(gè)零件，即進(jìn)氣罩、永磁電機(jī)、進(jìn)氣機(jī)匣、轉(zhuǎn)子、擴(kuò)壓器、燃燒室機(jī)匣、火焰筒、渦輪導(dǎo)向器、尾噴管和2個(gè)軸承，如圖5所示[12]。Model 312也是單軸結(jié)構(gòu)，只有包括壓氣機(jī)、擴(kuò)壓器、渦輪和整鑄框架在內(nèi)的10個(gè)主要零件[13]。

(4) 由于尺寸較小，使得粘性效應(yīng)增強(qiáng)，間隙泄漏相對(duì)顯著，因此通常認(rèn)為微型發(fā)動(dòng)機(jī)性能較差。然而通過設(shè)計(jì)高效率的核心部件，優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，采用一次成型加工技術(shù)，也能夠獲得較高的性能。例如從作為發(fā)動(dòng)機(jī)重要性能指標(biāo)之一的推重比上看，TJ-90達(dá)到了10.0[14]；AT-1700在基本型AT-1500原有質(zhì)量的基礎(chǔ)上提高了推力，推重比可達(dá)10.5[15]；在不計(jì)及油泵、控制單元、熱傳感器等附件的情況下，Titan發(fā)動(dòng)機(jī)的凈質(zhì)量為3.56 kg，表明其推重比已超過11.0[7]；JetCat公司2014年發(fā)布的產(chǎn)品宣傳資料顯示，P300凈質(zhì)量為2.63 kg，P400凈質(zhì)量為3.55 kg，二者的推重比均達(dá)到11.5左右[16]。

圖5 TJ-50核心機(jī)的主要零件

3 微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀

早期的渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)由于尺寸較大，成本較高等原因，很少被選作微小型飛行器的動(dòng)力裝置。近些年，隨著自身小型化和低成本化的發(fā)展，以及飛行器對(duì)長航程、高機(jī)動(dòng)、低輻射等性能的需求，微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的使用日益普遍，已經(jīng)裝備各種無人作戰(zhàn)飛行器、防空武器靶標(biāo)、精確打擊彈藥、試驗(yàn)飛行器、動(dòng)力滑翔機(jī)和航空模型。

3.1 無人作戰(zhàn)飛行器的動(dòng)力裝置

微小型無人作戰(zhàn)飛行器廣泛應(yīng)用于執(zhí)行戰(zhàn)場偵察、干擾、誘騙、甚至攻擊等任務(wù)，其動(dòng)力主要包括固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、活塞發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)等。相比而言，采用渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行器在續(xù)航時(shí)間、飛行速度、使用升限、機(jī)動(dòng)突防、紅外隱身等方面具有更好的綜合性能。用于無人作戰(zhàn)飛行器的微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)包括MALD及其改進(jìn)型的TJ-50系列、Sperwer HV的TRS18-076等，其主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 用于無人作戰(zhàn)飛行器的微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)參數(shù)

MALD全稱為Miniature Air-Launched Decoy，即微型空射誘餌，軍方編號(hào)ADM-160，是Northrop Grumman公司于20世紀(jì)90年代中期研制的一次性使用低成本有動(dòng)力飛行器。通過模擬B52、F16等母機(jī)的飛行狀態(tài)、雷達(dá)反射面，用“自我犧牲”的方式引開敵方雷達(dá)、導(dǎo)彈或戰(zhàn)機(jī)的追蹤，從而保護(hù)母機(jī)的安全。A型長度2.38 m，翼展0.65 m，直徑0.152 m，質(zhì)量45 kg，飛行距離超過460 km，飛行時(shí)間不低于20 min。1999年進(jìn)行了首次飛行測(cè)試，巡航速度達(dá)到0.75馬赫。其動(dòng)力為TJ-50發(fā)動(dòng)機(jī)，如圖6所示[12]，其最大推力25 daN，推重比4.1。MALI是帶有戰(zhàn)斗部的改進(jìn)型，在完成誘餌任務(wù)后可作為攻擊預(yù)定目標(biāo)。其發(fā)動(dòng)機(jī)為改進(jìn)的TJ-50M，推力增大到54 daN，從而使誘餌具有了短時(shí)超音速飛行能力，最大馬赫數(shù)可達(dá)到1.1。C型(MAID-J)是最新改進(jìn)型，具有雷達(dá)干擾功能。動(dòng)力升級(jí)為推力67 daN的TJ-120發(fā)動(dòng)機(jī)，飛行距離增加至900 km以上。

圖6 TJ-50發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)物

Sperwer HV是法國SAGEM公司研制的高速突防無人機(jī)，用于戰(zhàn)場監(jiān)視、目標(biāo)識(shí)別和電子干擾，是Sperwer標(biāo)準(zhǔn)型的渦輪噴氣動(dòng)力改型，計(jì)劃取代老式CL-289無人機(jī)。2001年6月亮相于第44屆法國巴黎航展。其長度4.2 m，翼展2.4 m，最大發(fā)射質(zhì)量450 kg。主動(dòng)力為一臺(tái)法國Microturbo公司的TRS18-076發(fā)動(dòng)機(jī)，推力113 daN，推重比3.1，可保證航程800 km，續(xù)航時(shí)間1.5 h，巡航速度200 m/s，使用升限10 km。

3.2 防空武器靶標(biāo)的動(dòng)力裝置

防空武器靶標(biāo)是用于高射炮、對(duì)空導(dǎo)彈等防空武器系統(tǒng)訓(xùn)練和評(píng)估的必要裝備。渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)憑借推力可調(diào)、抗畸變能力強(qiáng)、可重復(fù)使用等特點(diǎn)，已成為高亞音、高機(jī)動(dòng)、高升限、可回收靶標(biāo)動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)先選擇。用于防空武器靶標(biāo)的微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)包括Chukar的WR24系列、Dani的MD-120、S-200的CYS-40WP和“藍(lán)狐”的60 daN推力級(jí)等，其主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 用于防空武器靶標(biāo)的微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)參數(shù)

Chukar是Northrop Grumman公司20世紀(jì)60年代起研制的渦輪噴氣動(dòng)力亞音速靶機(jī)。MQM-74A(Ⅰ型)是最初生產(chǎn)型，由地面或水上發(fā)射，裝有Williams International公司的J400-WR-400發(fā)動(dòng)機(jī)。20世紀(jì)70年代改進(jìn)為MQM-74C(Ⅱ型)，主動(dòng)力換為更大推力的J400-WR-401。20世紀(jì)70年代末開始生產(chǎn)多用途BQM-74C(Ⅲ型)，可由空中發(fā)射，最初采用J400-WR-402發(fā)動(dòng)機(jī)，20世紀(jì)80年代中期升級(jí)為J400-WR-403。20世紀(jì)90年代初BQM-74E開始服役，長度3.95 m，翼展1.75 m，高度0.71 m，最大發(fā)射質(zhì)量270 kg，最大航程960 km，由J400-WR-404提供動(dòng)力。BQM-74F是最新發(fā)展型，已于2005年8月首飛。通過改裝更大推力的高性能發(fā)動(dòng)機(jī)提高了速度和機(jī)動(dòng)性，增加了航程，能夠更有效、更真實(shí)的模擬新型反艦巡航導(dǎo)彈的威脅。該系列靶機(jī)一直是美國海軍的主推產(chǎn)品，并出口多個(gè)國家，目前仍在大量使用中。

Dani是俄羅斯Sokol試驗(yàn)設(shè)計(jì)局研制的一種可回收式靶機(jī)，1993年初進(jìn)行了首次飛行，同年末進(jìn)入生產(chǎn)階段。長度4.65 m，翼展2.68 m，高度1.05 m，最大發(fā)射質(zhì)量395 kg。主動(dòng)力為一臺(tái)Granit設(shè)計(jì)局設(shè)計(jì)的MD-120渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，安裝在機(jī)體背部。該發(fā)動(dòng)機(jī)采用1級(jí)軸流加1級(jí)離心的組合式壓氣機(jī)、直流環(huán)形燃燒室和單級(jí)軸流渦輪，如圖7所示[17]，凈推力118 daN，可使靶機(jī)實(shí)現(xiàn)最大平飛速度200 m/s、海平面最大爬升率1.4 km/min、飛行高度50～9 000 m、續(xù)航時(shí)間25～40 min[13]。2005年起，改進(jìn)型Dani-M開始批量生產(chǎn)。為了降低靶機(jī)的造價(jià)，設(shè)計(jì)局計(jì)劃更換發(fā)動(dòng)機(jī)，改裝捷克PBS公司的TJ100發(fā)動(dòng)機(jī)是可選方案之一。

圖7 MD-120發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

近些年，國內(nèi)也研制出多種以微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的高性能靶標(biāo)。2011年9月，中國人民解放軍總參謀部第六十研究所S-200高亞音速無人靶機(jī)亮相第十四屆北京國際航空展，主動(dòng)力為一臺(tái)CYS-40WP發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)采用單級(jí)離心壓氣機(jī)、環(huán)形燃燒室和單級(jí)向心渦輪，推力40 daN，直徑154 mm，長度420 mm，推重比5.8，最大耗油率1.45kg/daN·h，使用升限8 km，壽命20 h，采用混合油料和數(shù)字式燃調(diào)控制系統(tǒng)。

在2012年11月舉行的第九屆珠海航展上，中航工業(yè)江西洪都航空工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司展出了“藍(lán)狐”高機(jī)動(dòng)靶機(jī)。該機(jī)最大平飛馬赫數(shù)為0.75，使用升限8 km，以兩臺(tái)由中科院工程熱物理研究所研制的微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)為主動(dòng)力裝置。該發(fā)動(dòng)機(jī)亮相2014年珠海航展，宣傳資料顯示其最大推力60 daN，推重比6.5，最大耗油率1.4 kg/daN·h，壽命20 h，已經(jīng)累計(jì)完成地面試驗(yàn)800余小時(shí)，進(jìn)入小批量生產(chǎn)階段。在此基礎(chǔ)上研發(fā)出80 daN的升級(jí)型號(hào)，推重比達(dá)到7.8，最大耗油率1.2 kg/daN·h，壽命30 h，已經(jīng)完成地面臺(tái)架試驗(yàn)、耐久性試驗(yàn)和高原試驗(yàn)。

3.3 精確打擊彈藥的動(dòng)力裝置

在精確打擊呈現(xiàn)常態(tài)化的過程中，各種輕型彈藥大量出現(xiàn)。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)曾幾乎一度是其主動(dòng)力的唯一選擇，雖然結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠，但也具有工作時(shí)間短、推力不易控制等缺點(diǎn)。渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)在減小尺寸、降低成本之后，顯著提高了競爭力，逐步打破了固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的壟斷局面。與固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)相比，渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)特別適用于巡飛時(shí)間長、射程遠(yuǎn)的輕型彈藥。用于精確打擊彈藥的微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，例如LOCAAS的TDI-J45、ALAS的TMM-040等，其主要技術(shù)參數(shù)如表4所示。

表4 用于精確打擊彈藥的微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)參數(shù)

LOCAAS全稱為Low Cost Autonomous Attack System，即低成本自主攻擊系統(tǒng)，是美國Lockheed Martin公司于20世紀(jì)90年代中期開始研制的一種防區(qū)外發(fā)射的小型精確制導(dǎo)彈藥。其動(dòng)力型長度914 mm，翼展1 190 mm，質(zhì)量43 kg，可采用多種方式發(fā)射。利用一臺(tái)微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)飛行至作戰(zhàn)區(qū)域上空后，在230 m高度巡航，自主尋找、捕獲并伺機(jī)攻擊裝甲車輛、導(dǎo)彈發(fā)射系統(tǒng)等目標(biāo)。試驗(yàn)型的動(dòng)力裝置為TJ-50發(fā)動(dòng)機(jī)，可保證彈體飛行30 min左右、射程約200 km。生產(chǎn)型則采用Technical Directions Incorporation的TDI-J45渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，如圖8所示[18]，最大推力13 daN，推重比3.2，耗油率1.3 kg/daN·h。該發(fā)動(dòng)機(jī)已成為“明星”產(chǎn)品，還是LAM(巡飛攻擊導(dǎo)彈)和SMACM(微型監(jiān)視攻擊巡航導(dǎo)彈)等彈藥的首選動(dòng)力裝置。

圖8 TDI-J45發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)物

JSOW(AGM-154)全稱為Joint Standoff Weapon，即聯(lián)合防區(qū)外武器，是美國Raytheon公司于20世紀(jì)80年代起開始研制的一種模塊化高殺傷性防區(qū)外精確打擊彈藥。初期型號(hào)均為無動(dòng)力滑翔型，低空投放射程為22 km，高空投放射程為130 km。為了增加射程和突防能力，發(fā)展了有動(dòng)力型。1995年9月，安裝有WR24-8發(fā)動(dòng)機(jī)的D/E型進(jìn)行了第一次飛行試驗(yàn)，高空投放射程增至200 km以上。2009年11月，增程型JSOW-ER進(jìn)行了首次自由飛行演示試驗(yàn)，動(dòng)力為TJ-120發(fā)動(dòng)機(jī)。新型發(fā)動(dòng)機(jī)顯著提高了射程，在試驗(yàn)中彈體就飛行了480 km，而預(yù)計(jì)其最大射程更是可以達(dá)到560 km[19]。

ALAS全稱為Advanced Light Attack System，即先進(jìn)輕型攻擊系統(tǒng)，是塞爾維亞Engine Development and Production公司研制的一種遠(yuǎn)程多用途高殺傷性導(dǎo)彈系統(tǒng)?？蓮妮p型車輛、小型艦艇或者直升機(jī)上發(fā)射，用于攻擊軍事和建筑目標(biāo)。由固體燃料助推器加速至最大150 m/s左右的初始速度后，主渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)TMM-040繼續(xù)提供動(dòng)力。該發(fā)動(dòng)機(jī)推力40 daN，推重比7.3，可使導(dǎo)彈達(dá)到200 m/s左右的最大飛行速度。其為單軸結(jié)構(gòu)，壓氣機(jī)采用結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的三級(jí)跨音軸流形式，而燃燒室和渦輪都是常規(guī)的直流環(huán)形和單級(jí)軸流形式，如圖9所示[20]。

圖9 TMM-040發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

3.4 試驗(yàn)飛行器等裝備的動(dòng)力裝置

微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)還被用于多種試驗(yàn)飛行器、動(dòng)力滑翔機(jī)和航空模型，如X-43系列低速試驗(yàn)機(jī)的AT-1500與SWB-100、X-48系列試驗(yàn)機(jī)的P200與Titan等，其主要技術(shù)參數(shù)如表5所示。

表5 用于試驗(yàn)飛行器、動(dòng)力滑翔機(jī)和航空模型的微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)參數(shù)

Hyper-X是美國NASA近年來開展的高超聲速技術(shù)研究計(jì)劃，試驗(yàn)飛行器代號(hào)X-43。A型試驗(yàn)機(jī)采用升力體式設(shè)計(jì)，以超然沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，設(shè)計(jì)飛行馬赫數(shù)為10。為了開發(fā)低速飛行測(cè)試數(shù)據(jù)庫并驗(yàn)證控制規(guī)律，2001年9月對(duì)其全尺寸低速試驗(yàn)機(jī)X-43A-LS進(jìn)行了飛行測(cè)試。動(dòng)力裝置采用1臺(tái)Aviation Microjet Technology公司的AT-1500渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，推力約61 daN，推重比7.5，耗油率1.2 kg/daN·h[21-22]。B型試驗(yàn)機(jī)采用組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)，飛行速度為7馬赫。2002年其低速試驗(yàn)機(jī)X-43B-LS完成飛行試驗(yàn)，動(dòng)力裝置采用3臺(tái)SWB Turbines公司的SWB-100渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，單臺(tái)推力48.5 daN，推重比9.5，耗油率1.31 kg/daN·h。核心部件采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，壓氣機(jī)、渦輪和燃燒室的效率分別達(dá)到了73.3%、84.4%和99%[15]。

X-48是美國Boeing公司和NASA共同研制的演示驗(yàn)證無人機(jī)，用于測(cè)試翼身融合和飛翼布局技術(shù)。A型試驗(yàn)機(jī)翼展10.7 m，質(zhì)量1 130 kg，最大速度70 m/s，安裝有3臺(tái)WR24-8發(fā)動(dòng)機(jī)，單臺(tái)推力107 daN，推重比4.3。B型試驗(yàn)機(jī)翼展6.2 m，質(zhì)量227 kg，最大速度60 m/s，以3臺(tái)JetCat公司的P200發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力。該發(fā)動(dòng)機(jī)推力23 daN，推重比9.2，耗油率1.5 kg/daN·h，總壓比4.0，最大轉(zhuǎn)速1.12×105rpm。C型試驗(yàn)機(jī)與B型相似，原計(jì)劃安裝2臺(tái)用于驅(qū)動(dòng)涵道風(fēng)扇的新型發(fā)動(dòng)機(jī)[23]，但由于技術(shù)原因改用了Titan發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)于2006年起開始研制，推力39 daN，耗油率1.6 kg/daN·h?？梢郧逦乜匆姲惭b在機(jī)體尾部碩大涵道內(nèi)的Titan發(fā)動(dòng)機(jī)[24]，如圖10所示。

圖10 X-48C試驗(yàn)機(jī)上的Titan發(fā)動(dòng)機(jī)

4 結(jié)束語

(1) 微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)具有推力小、尺寸小、轉(zhuǎn)速高、結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)。通過設(shè)計(jì)高效部件、簡化機(jī)體結(jié)構(gòu)、減少零件數(shù)目，獲得了較高的性能，目前推重比已經(jīng)突破11.0。進(jìn)一步降低成本、提高推重比仍是其今后重要的發(fā)展方向。

(2) 微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)具有工作時(shí)間長、推力易調(diào)節(jié)、紅外輻射低、能重復(fù)使用等綜合優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)大量裝備于各類軍、民用飛行器。未來，隨著先進(jìn)微小型無人戰(zhàn)機(jī)、高精度制導(dǎo)彈藥更加普遍的使用，作為其核心裝備，微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)必將有著更加廣闊的發(fā)展空間。

(3) 經(jīng)過二十余年的努力與摸索，我國在微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)研究方面積累了一定經(jīng)驗(yàn)，也取得了一些成績，但與西方發(fā)達(dá)國家仍有不小差距。因此，國內(nèi)科技工作者們應(yīng)當(dāng)繼續(xù)深入開展相關(guān)工作，研發(fā)出性能更加先進(jìn)、譜系更加完備的微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品，以避免動(dòng)力裝置成為制約我國各類微小型先進(jìn)無人飛行器發(fā)展的短板。

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(編輯：趙毓梅)

An Overview on Development of Micro Turbojet Engines

Xue Ranran, Li Fengchao

(Chinese Aeronautical Establishment, Aviation Industry Corporation of China, Beijing 100012, China)

To provide superior and reliable power for micro and small aerial vehicles, the micro turbojet engines have become a global researchful focus with the thrust less than 100 daN. The micro turbojet engines have the advantages of small size, high rotating speed, fewer parts, longer running time, variable thrust, lower infrared radiation value and repeated usage. The thrust-weight ratio exceeded 11.0. They have been equipped on unmanned combat aerial vehicles, targets for air defense weapons, precision-guided missiles and test vehicles. The development situation of micro turbojet engines since 1950s is reviewed and summarized in this paper, including research institutions, well-known products, main features and application status. The study can provide

for the future domestic research work on advanced micro turbo engines. With the further reduction of cost and improvement on thrust-weight ratio, the stronger competitiveness and broader development prospect of the micro turbojet engine will be achieved.

aero-engine; turbojet; micro; technical parameter; application

2016-08-25；

2016-10-30

李鳳超,carphrb@126.com

1674-8190(2016)04-387-10

V235.11

A

10.16615/j.cnki.1674-8190.2016.04.001

薛然然(1984-)，女，碩士，工程師。主要研究方向：燃燒試驗(yàn)與數(shù)值模擬。

李鳳超(1983-)，男，博士，高級(jí)工程師。主要研究方向：葉輪機(jī)械氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。