微小型渦輪無人機(jī)發(fā)動機(jī)發(fā)展綜述

常國強(qiáng) 王海朋

微小型渦輪發(fā)動機(jī)源于航空發(fā)動機(jī)，但在設(shè)計思路與結(jié)構(gòu)上又與航空發(fā)動機(jī)有較大的不同。本文詳細(xì)闡述了微小型渦輪發(fā)動機(jī)的技術(shù)特點，回顧了微小型渦輪發(fā)動機(jī)的發(fā)展歷程，分析了國內(nèi)微小型渦輪發(fā)動機(jī)發(fā)展所面臨的困難，探討了部分可能的解決途徑，并對未來的發(fā)展方向做了預(yù)測。

從1937年4月惠特爾爵士制造的第一臺離心式噴氣發(fā)動機(jī)首次試車開始計算，渦輪噴氣（風(fēng)扇）發(fā)動機(jī)的發(fā)展歷史已有80多年。行業(yè)內(nèi)通常將地面靜止推力在500daN以下的渦輪噴氣（風(fēng)扇）發(fā)動機(jī)歸類為微小型渦輪發(fā)動機(jī)，主要作為各種小型高速無人機(jī)、巡航導(dǎo)彈的動力裝置，為維持飛行持續(xù)提供所需的推力、電力及壓縮空氣。小型高速無人機(jī)又可分為小型高速平臺類無人機(jī)、高速靶機(jī)。通常，高速靶機(jī)的使用壽命不超過10個飛行小時或10個飛行架次，對配裝的發(fā)動機(jī)的使用壽命要求為20～30h。巡航導(dǎo)彈使用的微小型渦輪發(fā)動機(jī)屬于一次性使用的產(chǎn)品，其使用壽命要求隨導(dǎo)彈的任務(wù)剖面變化而變化。導(dǎo)彈射程在500km以下，發(fā)動機(jī)使用壽命要求為5～10h;導(dǎo)彈射程在1000km以上，發(fā)動機(jī)使用壽命要求為10～50h。從上述分析可知，在對發(fā)動機(jī)使用壽命指標(biāo)要求上，高速靶機(jī)與巡航導(dǎo)彈比較接近。從國外微小型渦輪發(fā)動機(jī)發(fā)展情況來看，高速靶機(jī)使用的微小型渦輪發(fā)動機(jī)，其核心機(jī)平臺通?？梢匝苌鲅埠綄?dǎo)彈使用的發(fā)動機(jī)。對比高速靶機(jī)與巡航導(dǎo)彈，小型高速平臺類無人機(jī)的使用壽命要長很多，對配裝發(fā)動機(jī)的技術(shù)性能要求差異大，發(fā)動機(jī)的設(shè)計思路與結(jié)構(gòu)形式也不相同。

本文主要從高速靶機(jī)與巡航導(dǎo)彈使用的微小型渦輪發(fā)動機(jī)技術(shù)特點、國外發(fā)展歷程、國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀、國內(nèi)發(fā)展面臨的困難及解決途徑設(shè)想、未來發(fā)展趨勢等方面進(jìn)行論述。

微小型渦輪發(fā)動機(jī)的技術(shù)特點

微小型渦輪發(fā)動機(jī)源于航空渦輪發(fā)動機(jī)，但設(shè)計思路與結(jié)構(gòu)又與航空渦輪發(fā)動機(jī)有較大不同，絕不是航空渦輪發(fā)動機(jī)的簡單縮比，采用航空發(fā)動機(jī)的設(shè)計思路是無法設(shè)計出滿足使用要求的微小型渦輪發(fā)動機(jī)產(chǎn)品。

應(yīng)用對象對動力裝置的特殊要求決定了微小型渦輪發(fā)動機(jī)的技術(shù)特點異于航空渦輪發(fā)動機(jī)，這主要有：

（1）在滿足使用需求的前提下，微小型渦輪發(fā)動機(jī)傾向選用低成本的總體與零部件的設(shè)計路線，不片面追求發(fā)動機(jī)的性能指標(biāo)。在滿足總體性能要求的前提下，通過對發(fā)動機(jī)熱力循環(huán)參數(shù)的優(yōu)化匹配，降低對有可能導(dǎo)致整機(jī)制造成本上升的部件設(shè)計的指標(biāo)要求，比如渦輪前總溫T^*₄或壓氣機(jī)增壓比Pr^*₃，進(jìn)而選擇性價比更優(yōu)的材料或成型工藝;在部件設(shè)計層面，通過優(yōu)化燃燒室火焰筒壁面氣膜設(shè)計結(jié)構(gòu)，控制火焰筒壁面溫度，選擇廉價的不銹鋼替代高溫合金作為火焰筒的材料，從而降低材料與制造成本;

（2）微小型渦輪發(fā)動機(jī)軸系結(jié)構(gòu)較為簡單，多采用單軸結(jié)構(gòu)，壓氣機(jī)級數(shù)通常不超過三級，且最后一級多為離心式;

（3）微小型渦輪發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)與渦輪部件，通常采用整體數(shù)控加工或整體精鑄成型，可大幅減少發(fā)動機(jī)零件數(shù)量，降低系統(tǒng)復(fù)雜程度，提高工作可靠性;

（4）在滿足使用壽命的前提下，微小型渦輪發(fā)動機(jī)多采用混合油（燃油中添加一定比例的潤滑油）消耗式潤滑結(jié)構(gòu)或帶盛油器的自潤滑方式替代傳統(tǒng)的閉式循環(huán)潤滑系統(tǒng)，可大幅減輕發(fā)動機(jī)重量、降低成本;

（5）在供油系統(tǒng)上，微小型渦輪發(fā)動機(jī)多采用電動齒輪泵替代傳統(tǒng)的機(jī)械傳動燃油泵，減輕了系統(tǒng)重量;

（6）在發(fā)電系統(tǒng)上，微小型渦輪發(fā)動機(jī)通常采用高速同步發(fā)電機(jī)，減小了發(fā)電系統(tǒng)的體積與重量;

（7）在起動點火系統(tǒng)上，微小型渦輪發(fā)動機(jī)通常采用電機(jī)、風(fēng)車、高壓空氣或火藥沖擊帶轉(zhuǎn)軸系，采用煙火、高能電點火器點火，結(jié)構(gòu)較為簡單，系統(tǒng)重量較輕;

（8）在使用與維護(hù)方面，首翻期制度基本上不再適用于微小型渦輪發(fā)動機(jī)日常維護(hù)。對于巡航導(dǎo)彈使用的微小型渦輪發(fā)動機(jī)，為適應(yīng)其“長期貯存、一次使用”的技術(shù)特點，在貯存期內(nèi)，多采用定期檢查或免維護(hù)制度，使發(fā)動機(jī)的可靠性保持在一個可接受的水平。對于高速靶機(jī)使用的微小型渦輪發(fā)動機(jī)，主要依賴外場發(fā)動機(jī)狀態(tài)定期檢查與簡易維護(hù)來保證發(fā)動機(jī)的可靠性，檢查、維護(hù)周期通常與靶機(jī)整機(jī)保持一致。

無論是高速靶機(jī)還是巡航導(dǎo)彈，對發(fā)動機(jī)的成本指標(biāo)要求較高，而選擇合理的設(shè)計方法是實現(xiàn)低成本的最有效手段，對照國外水平微小型渦輪發(fā)動機(jī)的批產(chǎn)成本目標(biāo)是0.1萬/daN。

通過上述的設(shè)計方法，還可以大幅提高微小型渦輪發(fā)動機(jī)的推重比。目前，國外微小型渦輪發(fā)動機(jī)的最高推重比可以做到11～15，在國內(nèi)，盡管受到渦輪材料耐溫性能不足的制約，最高水平也可以做到9～10量級推重比。

國外發(fā)展歷程

20世紀(jì)50年代初，美國首次嘗試將航空渦噴發(fā)動機(jī)應(yīng)用于巡航導(dǎo)彈領(lǐng)域，發(fā)展出了諸如“天獅星”系列、“斗牛士”、“鯊蛇”等戰(zhàn)略巡航導(dǎo)彈。在使用過程中發(fā)現(xiàn)，航空渦噴發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、體積大、使用維護(hù)不便，很難滿足導(dǎo)彈武器系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展的需要。

在此之后，西方國家開始從巡航導(dǎo)彈、高速靶機(jī)的動力裝置實際使用需求的角度出發(fā)，研究與發(fā)展適配的微小型渦輪發(fā)動機(jī)。如美國大陸發(fā)動機(jī)公司（后并入特里達(dá)因CAE公司）在20世紀(jì)60年代發(fā)展的J69系列的小型渦輪噴氣發(fā)動機(jī)，有兩個系列，即應(yīng)用于教練機(jī)的長壽命發(fā)動機(jī)和應(yīng)用于高速靶機(jī)上的短壽命發(fā)動機(jī)。短壽命型的發(fā)動機(jī)初期結(jié)構(gòu)與長壽命型相同，但前者渦輪前溫度更高、推力更大、翻修間隔時間更短。盡管已取得了較大的進(jìn)步，但J69系列發(fā)動機(jī)仍保留了很多航空渦噴發(fā)動機(jī)的烙印。20世紀(jì)70年代，特里達(dá)因CAE公司在J69系列發(fā)動機(jī)的基礎(chǔ)上，研制了J402系列微小型渦輪噴氣發(fā)動機(jī)（見圖1），應(yīng)用于美國海軍的“捕鯨叉”巡航導(dǎo)彈，后續(xù)發(fā)展型號也在美軍高速靶機(jī)中得到了應(yīng)用。相比J69，J402發(fā)動機(jī)采用了大量新設(shè)計的整體鑄件，轉(zhuǎn)子系的零件數(shù)量由J69的149件減少至16件，并采用盛油器滴定潤滑（滾球軸承）和潤滑脂填充潤滑（后滾棒軸承）代替了J69閉式循環(huán)潤滑系統(tǒng)。通過這些改進(jìn)，簡化J402發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)，提升了發(fā)動機(jī)的維修性與可靠性，減少了對外場保障資源的需求，發(fā)動機(jī)主要性能指標(biāo)也有較大提升，使之成為了一款較為經(jīng)典的適配于高速靶機(jī)、巡航導(dǎo)彈的微小型渦輪發(fā)動機(jī)。

20世紀(jì)60、70年代是西方微小型渦輪發(fā)動機(jī)發(fā)展的黃金時期，現(xiàn)在一些耳熟能詳?shù)慕?jīng)典的發(fā)動機(jī)產(chǎn)品均是在這個時期內(nèi)發(fā)展成熟的，如應(yīng)用于各種型號“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈上的美國威廉姆斯公司的F107系列彈用渦扇發(fā)動機(jī)，應(yīng)用于MQM-74系列、BQM74系列高速靶機(jī)的美國威廉姆斯公司的WR24系列微小型渦噴發(fā)動機(jī)，廣泛應(yīng)用于各種戰(zhàn)術(shù)巡航導(dǎo)彈、高速靶機(jī)、遙控飛機(jī)等平臺的法國微型渦輪發(fā)動機(jī)公司的TR160系列（見圖2）與TRS18系列微小型渦噴發(fā)動機(jī)，以及應(yīng)用于精確打擊彈藥與試驗無人機(jī)的美國漢密爾頓公司的TJ30、TJ50、TJ90、TJ120等系列微小型渦噴發(fā)動機(jī)（見圖3）。經(jīng)過了50多年的發(fā)展，西方發(fā)達(dá)國家在微小型渦輪發(fā)動機(jī)系列化研制與工程化應(yīng)用方面的體系已較為成熟，技術(shù)水平較高。

國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

與西方發(fā)達(dá)國家相比，國內(nèi)在微小型渦輪發(fā)動機(jī)領(lǐng)域起步較晚，盡管發(fā)展較為迅速，但在技術(shù)水平上仍有較大差距。通過公開報道、各種展會及文獻(xiàn)資料等渠道獲知，中國航天科工集團(tuán)第三十一研究所從上世紀(jì)90年代初開始進(jìn)行微小型渦輪發(fā)動機(jī)產(chǎn)品的研制工作，產(chǎn)品集中在300～400daN推力量級，主要應(yīng)用對象為“鷹擊”系列反艦與對陸攻擊的長程亞聲速巡航導(dǎo)彈。中國科學(xué)院工程熱物理研究所約在“十一五”末開始啟動微小型渦輪發(fā)動機(jī)的研制工作，目前在研500daN級、1000daN級渦扇發(fā)動機(jī)，主要應(yīng)用對象為公務(wù)機(jī)、平臺類長航時無人機(jī)。受高速靶機(jī)業(yè)務(wù)需求的驅(qū)動，第六十研究所于本世紀(jì)初啟動微小型渦輪發(fā)動機(jī)產(chǎn)品的研制工作，先后研制了40daN、60daN、80daN、110daN、150daN、200daN等多個推力級別的微小型渦噴發(fā)動機(jī)（見圖4），廣泛應(yīng)用于各型高速靶機(jī)中，服務(wù)于我軍防空武器裝備試驗與鑒定、部隊防空反導(dǎo)訓(xùn)練。受益于靶機(jī)產(chǎn)品在全軍及工業(yè)部門的大力推廣與應(yīng)用，六十所發(fā)動機(jī)產(chǎn)品譜系豐富，工程應(yīng)用和規(guī)?；慨a(chǎn)能力在國內(nèi)居于領(lǐng)先地位。

前述三個單位微小型渦輪發(fā)動機(jī)產(chǎn)品序列發(fā)展情況基本代表了國內(nèi)微小型渦輪發(fā)動機(jī)發(fā)展的現(xiàn)狀。可以看出，當(dāng)前國內(nèi)200daN以內(nèi)推力級別的微小型渦噴發(fā)動機(jī)產(chǎn)品型譜已經(jīng)發(fā)展的比較完善，技術(shù)水平與國外同類產(chǎn)品也相差不大，而200～500daN推力級別的微小型渦噴與渦扇產(chǎn)品種類較少，且產(chǎn)品的技術(shù)水平也僅與西方20世紀(jì)70年代的產(chǎn)品相當(dāng)。

面臨的困難及解決途徑設(shè)想

經(jīng)過了二十多年的發(fā)展，國內(nèi)一些主要的微小型渦輪發(fā)動機(jī)研制單位均走上了自主研制的道路，也遭遇了諸多困難，主要體現(xiàn)為：

（1）缺少適用的設(shè)計規(guī)范

相比西方發(fā)達(dá)國家，國內(nèi)在航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本身基礎(chǔ)就比較薄弱，而在國家投入較少的微小型渦輪發(fā)動機(jī)領(lǐng)域，這種差距更大，尤其體現(xiàn)在設(shè)計規(guī)范方面。相對于航空發(fā)動機(jī)而言，目前國內(nèi)微小型渦輪發(fā)動機(jī)行業(yè)，缺少適用的指導(dǎo)性設(shè)計規(guī)范，對各單位研制的微小型渦輪發(fā)動機(jī)鑒定與評價沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，這不利于行業(yè)的長期健康發(fā)展。

（2）缺少專業(yè)的發(fā)動機(jī)附件配套單位

與附件配套相對完整的國內(nèi)航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)業(yè)相比，微小型渦輪發(fā)動機(jī)專業(yè)附件配套單位十分稀缺，尤其在電動齒輪泵、燃油調(diào)節(jié)閥方面。相比航空發(fā)動機(jī)，微小型渦輪發(fā)動機(jī)燃油流量要小得多，現(xiàn)有的航空發(fā)動機(jī)配套廠家沒有適合的泵、閥類產(chǎn)品，均需要新研，造成附件研制周期與成本難以控制，這也是制約微小型渦輪發(fā)動機(jī)批產(chǎn)目標(biāo)成本進(jìn)一步降低的重要因素。如果選用行業(yè)外的單位進(jìn)行附件系統(tǒng)研制，產(chǎn)品成本可以控制，但產(chǎn)品的性能與質(zhì)量穩(wěn)定性難以保證。

對于此問題，綜合考慮，多數(shù)微小型渦輪發(fā)動機(jī)研制單位仍會傾向于選擇航空發(fā)動機(jī)行業(yè)配套廠家作為自身的附件配套單位，在研發(fā)與生產(chǎn)環(huán)節(jié)，通過走民品的質(zhì)量控制程序，縮短研制周期、降低生產(chǎn)成本，以適用于微小型渦輪發(fā)動機(jī)這一特殊應(yīng)用領(lǐng)域。

（3）缺少高耐溫性能渦輪材料

受結(jié)構(gòu)尺寸與成本制約，目前國內(nèi)微小型渦輪發(fā)動機(jī)的渦輪導(dǎo)向器與渦輪轉(zhuǎn)子通常采用等軸晶高溫鑄造合金整體精鑄成型，且均不采用氣膜冷卻。目前，在不采用氣膜冷卻的條件下，國內(nèi)已有的等軸晶高溫鑄造合金制成的渦輪導(dǎo)向器最高耐溫極限在1000℃附近，這是制約國內(nèi)微小型渦輪發(fā)動機(jī)性能進(jìn)一步提升的最關(guān)鍵的因素之一。在國外，采用陶瓷基復(fù)合材料制成的渦輪導(dǎo)向器與渦輪轉(zhuǎn)子已逐步在微小型渦輪發(fā)動機(jī)上投入應(yīng)用，發(fā)動機(jī)渦輪前理論溫度可以提高至1300℃。與國外相比，國內(nèi)在高耐溫性能渦輪材料方面尚未有突破。

（4）高速與超高速滾球軸承尚嚴(yán)重依賴于進(jìn)口

微小型渦輪發(fā)動機(jī)的工作轉(zhuǎn)速通常是航空發(fā)動機(jī)的幾倍甚至十幾倍，而大多又不設(shè)置獨立的潤滑系統(tǒng)，而是采用燃油添加一定比例滑油的方法潤滑，潤滑效果差，軸承工作環(huán)境更加惡劣。目前，國內(nèi)微小型渦輪發(fā)動機(jī)使用的高速與超高速滾球軸承嚴(yán)重依賴于進(jìn)口，尤其是更高性能的陶瓷軸承，國內(nèi)尚無廠家能提供穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品。

軸承是微小型渦輪發(fā)動機(jī)至關(guān)重要的零件，軸承的使用壽命決定了發(fā)動機(jī)的使用壽命。近幾年，國內(nèi)一些民營企業(yè)開始涉足高速與超高速滾球軸承領(lǐng)域，可以替代部分進(jìn)口產(chǎn)品，但產(chǎn)品品質(zhì)和可靠性與進(jìn)口產(chǎn)品相比仍有較大差距，技術(shù)水平亟待提升。國家級的軸承研制單位對微小型渦輪發(fā)動機(jī)使用的高速與超高速軸承關(guān)注力度較小，提供的可用產(chǎn)品較少，且相對于進(jìn)口產(chǎn)品，成本也不占優(yōu)勢。

未來發(fā)展趨勢

為提升突防能力，巡航導(dǎo)彈目前在向超聲速/高超聲速發(fā)展;為逼真模擬超聲速戰(zhàn)斗機(jī)、巡航導(dǎo)彈，高速靶機(jī)也在向超聲速、高超聲速方向發(fā)展。為滿足應(yīng)用對象發(fā)展變化的需求，微小型渦輪發(fā)動機(jī)也急需向更高的技術(shù)水準(zhǔn)邁進(jìn)。

（1）小型渦噴/沖壓組合發(fā)動機(jī)是未來重要的發(fā)展方向

渦噴/沖壓組合發(fā)動機(jī)把渦噴發(fā)動機(jī)和沖壓發(fā)動機(jī)組合在一個推進(jìn)裝置中，使之可以在亞聲速、超聲速甚至在高超聲速下有效地工作。在此類組合發(fā)動機(jī)中，渦噴發(fā)動機(jī)的加力燃燒室與沖壓發(fā)動機(jī)共用同一燃燒室，通過發(fā)動機(jī)進(jìn)氣段旁路風(fēng)門的開閉來實現(xiàn)發(fā)動機(jī)工作模式切換（見圖5）。

隨著中心駐渦、旁側(cè)凹腔、一體化整流支板等新型火焰穩(wěn)定器技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展，使得小尺寸加力燃燒室與沖壓燃燒室設(shè)計與工程實現(xiàn)成為了可能。小尺寸加力燃燒室的應(yīng)用降低了飛行器跨聲速、超聲速飛行時對渦噴發(fā)動機(jī)熱力循環(huán)參數(shù)的要求，賦予了不帶渦輪冷卻結(jié)構(gòu)或僅帶簡單渦輪冷卻結(jié)構(gòu)的小型渦噴發(fā)動機(jī)實現(xiàn)超聲速飛行的能力。同樣，在一定的飛行剖面內(nèi)，小型渦噴/沖壓組合式動力的發(fā)展在工程上也具備了實現(xiàn)的可行性，這將會引領(lǐng)可重復(fù)使用的小型超聲速無人機(jī)、具備亞/超聲速雙飛行模式的高性能遠(yuǎn)程巡航彈的革命性發(fā)展，在軍事技術(shù)發(fā)展上具有巨大的戰(zhàn)略與戰(zhàn)術(shù)價值。

（2）小型空氣渦輪液體火箭發(fā)動機(jī)（ATR）發(fā)展?jié)摿^大

空氣渦輪火箭發(fā)動機(jī)（ATR）是渦輪基組合循環(huán)發(fā)動機(jī)的一種特殊類型，其基本原理為：使用獨立于空氣系統(tǒng)的富燃燃?xì)獍l(fā)生器驅(qū)動渦輪帶動壓氣機(jī)工作，外界環(huán)境的空氣經(jīng)過壓氣機(jī)增壓后進(jìn)入渦輪后的燃燒室，與經(jīng)過渦輪做功后的富燃燃?xì)膺M(jìn)行二次燃燒，生成的高溫燃?xì)馔ㄟ^噴管排入外部環(huán)境產(chǎn)生推力。ATR作為火箭發(fā)動機(jī)和航空發(fā)動機(jī)的有機(jī)融合，其比沖性能高于火箭發(fā)動機(jī)，推重比高于航空發(fā)動機(jī)，且速度、高度適應(yīng)范圍廣，理論上可在沒有助推火箭的條件下實現(xiàn)零長起飛，最高飛行高度也可以達(dá)到臨近空間。ATR發(fā)動機(jī)的技術(shù)難度相對適中，產(chǎn)品成本相對低廉，且理論上一機(jī)就可以實現(xiàn)亞聲速/超聲速/高超聲速三種模態(tài)飛行，是低成本的巡航導(dǎo)彈與高速靶機(jī)理想的動力裝置選擇。

結(jié)束語

近幾年來，在市場需求的推動下，國內(nèi)微小型渦輪發(fā)動機(jī)行業(yè)發(fā)展迅猛，已經(jīng)開始從測仿外機(jī)轉(zhuǎn)到自主研發(fā)。深入了解微小型渦輪發(fā)動機(jī)的技術(shù)特點，充分借鑒國外微小型渦輪發(fā)動機(jī)發(fā)展歷程中積累的經(jīng)驗，著力解決國內(nèi)發(fā)展面臨的困難，有助于國內(nèi)微小型航空發(fā)動機(jī)行業(yè)長期健康成長。