我國未來無人機動力發(fā)展思考

無人機作為一支新興的空中力量在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中發(fā)揮了重要的作用，特別是在海灣戰(zhàn)爭、阿富汗反恐戰(zhàn)爭和伊拉克戰(zhàn)爭中，無人機執(zhí)行了偵察、監(jiān)視、電子對抗和遠距攻擊等任務，取得了相當好的戰(zhàn)果，使人們更加確信無人機作為有效軍事武器在未來戰(zhàn)爭的重要性。無人機已經(jīng)成為航空科技領域中最活躍和最重要的發(fā)展方向之一。無人機的發(fā)展離不開動力技術的推動，作為無人機系統(tǒng)發(fā)展的基石，無人機動力的發(fā)展直接關系到無人機裝備的發(fā)展。

國外無人機及其動力發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

無人機現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

從國外無人機的發(fā)展來看，無人機的研發(fā)工作得到了很多國家的高度關注，全世界范圍內約有30多個國家和地區(qū)開展無人機的研究工作，有50多個國家裝備了無人機，全球已有10多萬架無人機。無人機以其平臺特有的能力成為了牽引21世紀航空科技發(fā)展的核心力量。無人機的飛行高度涵蓋了從低空到20千米以上，航程從短程到5000千米以上。

隨著無人機越來越受到重視，其承擔的任務種類越來越多，從最初的靶機、偵察機、通信聯(lián)絡機等輔助性作戰(zhàn)任務到從執(zhí)行空中偵察、戰(zhàn)場監(jiān)視到壓制敵方防空系統(tǒng)、對地攻擊等主要任務，實現(xiàn)偵察/打擊/攻擊一體化，所發(fā)揮的作用越來越大。未來無人機發(fā)展主要沿著“靶機-ISR-察打一體化-無人作戰(zhàn)飛機-空天一體化”的軌跡發(fā)展。

從國外無人機的發(fā)展特點來看，未來無人機發(fā)展將會有以下四個發(fā)展趨勢：

第一、無人偵察機從低空偵察向高空長航時發(fā)展。高空長航時無人偵察機將具備高隱身、高速、高空、長航時等發(fā)展特點。

第二、無人機從單一偵察向察打一體、無人作戰(zhàn)飛機發(fā)展。無人作戰(zhàn)飛機以任務為中心，無需考慮飛行員的承受能力等因素，它能夠壓制敵防空、實施對地轟炸與攻擊，可以實現(xiàn)大過載，確保零傷亡，在速度、高度、航程和隱身性、機動性方面有鮮明的優(yōu)勢。

第三、無人作戰(zhàn)飛機從對地攻擊向制空型無人戰(zhàn)斗機發(fā)展。無人戰(zhàn)斗機除具有對地攻擊的特點外，側重于進行空中攔截、空中格斗，一般用于消耗戰(zhàn)，爭奪制空權，既可以縱深打擊，又可以遠程偵察和監(jiān)視，具有多用途、高機動、自適應等特點。

第四、無人機從低空低速向高空高速、臨近空間高超聲速發(fā)展。從航空航天技術發(fā)展方向與技術制高點出發(fā)，無人機向高空高速、臨近空間高超聲速無人機發(fā)展是必然的發(fā)展趨勢，其發(fā)展特點是：飛行馬赫數(shù)3以上；具有時敏性；能夠快速打擊與偵察；能夠空天往返；可實現(xiàn)全球到達等。

無人機動力發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

目前，國外無人機的動力主要以活塞發(fā)動機和燃氣渦輪發(fā)動機為主?；钊l(fā)動機適用于低速、低空以及起飛重量小的無人機。對于速度、高度、質量都較高的無人機而言，燃氣渦輪發(fā)動機是最合適的動力裝置。隨著燃氣渦輪發(fā)動機技術的不斷發(fā)展進步，關鍵技術指標如耗油率、推進能力和壽命等越來越優(yōu)，燃氣渦輪發(fā)動機在無人機上的應用越來越廣泛。

國外高端無人機動力的發(fā)展趨勢是以渦扇發(fā)動機為主。渦扇發(fā)動機耗油率相對較低，具有壽命長、成本低、易于實現(xiàn)系列化等優(yōu)點，非常適合于未來無人機平臺對動力的需求。從國外無人機的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢看，目前在研和擬研的高端無人機動力也基本以渦扇發(fā)動機為主。例如，歐洲的“神經(jīng)元”驗證機選用“阿杜爾”渦扇發(fā)動機。美國聯(lián)合空戰(zhàn)系統(tǒng)計劃（J-UCAS）中發(fā)展的X-45A／B和X-47無人戰(zhàn)斗機的驗證樣機選擇了現(xiàn)有渦扇發(fā)動機。

隨著無人機從低空低速向高空高速、臨近空間高超聲速發(fā)展，常規(guī)渦扇發(fā)動機已經(jīng)不能完全滿足其對動力裝置的要求，需要研制新型動力，如發(fā)展變循環(huán)發(fā)動機（VCE）和渦輪基組合循環(huán)動力（TBCC）等。

通過對國外無人機動力發(fā)展趨勢的分析，可以推斷出未來無人機的動力將主要以渦扇發(fā)動機為主，其推力量級大致處于2～100千牛范圍內，低油耗將是未來無人機動力最關鍵的一項技術指標。未來的無人機向高空、高速發(fā)展，要求待機時間長、留空時間長和續(xù)航能力強，因此對發(fā)動機的耗油率要求非常嚴格，最優(yōu)的耗油率將是未來無人機選擇動力的關鍵因素。未來無人作戰(zhàn)飛機具有非常好的機動性、靈活性和突防能力，因此最大過載有可能達到15～20，無人機動力必須要考慮無人機的大過載設計要求。未來無人機，特別是無人作戰(zhàn)飛機的隱身設計要求非常高，需要全程隱身、全方位隱身和全頻段隱身，這對發(fā)動機設計提出了新的挑戰(zhàn)。未來的無人機要根據(jù)任務需要，能夠進行自適應控制，適應多任務平臺需求，因此動力裝置設計時肯定要考慮自適應控制的要求?？傊磥頍o人機的動力關鍵技術將以低油耗、大過載、高隱身、自適應控制、長壽命等為發(fā)展重點。

我國無人機及其動力現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

無人機發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

我國作為一個幅員遼闊的大國，身處復雜的國際環(huán)境，現(xiàn)代化國防對無人機發(fā)展的需求同樣十分強烈，特別是隨著人們對未來戰(zhàn)爭觀念、作戰(zhàn)形式和任務要求的改變，無人機的研發(fā)得到了一定的關注。由于我國地域寬廣，陸?？崭采w面積大，無人機是朝著高中低空、遠中近程、低速和高速無人機搭配使用方向發(fā)展。未來的空戰(zhàn)將是無人機之間的空戰(zhàn)，為了滿足戰(zhàn)爭的需要，我國需要有從短程到遠程，從低空到高空，從輕型到重型，從偵察到作戰(zhàn)，涵蓋各個范圍、各種用途全系列的無人機。我國現(xiàn)有的無人機類型遠遠不能滿足未來戰(zhàn)爭的需要，為了滿足國防發(fā)展需求，更好的發(fā)揮無人機作為有效軍事武器的潛力，有必要發(fā)展以下類型的無人機：

（1）特種作戰(zhàn)偵察使用的微型無人機；

（2）近程戰(zhàn)術偵察或者作戰(zhàn)需要的無人機；

（3）采用渦軸發(fā)動機的旋翼無人機；

（4）中高空中遠程無人機；

（5）超高空超高速無人機；

無人機動力現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

我國無人機的發(fā)展很大程度上受制于動力，隨著我國無人機譜系的健全，動力裝置的發(fā)展越來越滿足不了平臺的需求?，F(xiàn)有的發(fā)動機譜系只能滿足無人機動力的“有無”，不能滿足平臺對飛行速度、飛行高度、起降方式、續(xù)航時間、航程和經(jīng)濟性等指標的不同要求。

為使動力與平臺更好的匹配，未來無人機動力的發(fā)展趨勢大致為：由于無人機平臺的多樣性，需求推力范圍大約為1～100千牛的渦噴/渦扇發(fā)動機來配裝中高端無人機；功率不大于100kW活塞發(fā)動機配置低速無人機；功率不大于500kW的渦軸配裝旋翼無人機；功率不大于600kW的渦槳發(fā)動機配裝中低速無人機；沖壓組合發(fā)動機是最有希望用于高超聲速無人機的發(fā)動機；隨著新型發(fā)動機技術的發(fā)展，燃料電池推進系統(tǒng)、太陽能推進系統(tǒng)、脈沖爆震發(fā)動機、核動力渦輪發(fā)動機等新型動力也將發(fā)展成為于無人機的動力。其中，未來需求最強烈、裝備意義最大的幾型發(fā)動機包括用于高空長航時無人機的高性能大涵道比渦扇發(fā)動機、對地型無人攻擊機和制空型無人機配套的中等推力渦扇發(fā)動機，以及臨近空間超聲速無人機使用的渦輪沖壓組合發(fā)動機。

未來我國無人機動力發(fā)展思考

為了更好的發(fā)揮無人機作為有效軍事武器的作用，發(fā)揮平臺的潛力，我們應高度重視無人機動力的研發(fā)。美國在《無人機系統(tǒng)路線圖（2005-2030）》指出：“推進技術和處理器技術是無人機的兩大關鍵技術”，由此可見動力技術的發(fā)展對無人機系統(tǒng)的發(fā)展起著尤為關鍵的作用。我國無人機動力發(fā)展應該以我國各軍兵種無人飛行器發(fā)展需求為依據(jù)，針對未來重點發(fā)展的無人作戰(zhàn)飛機、高空長航時無人機、高超聲速空天無人機等高端無人機平臺，兼顧其它無人機需求，以核心機及渦輪沖壓組合發(fā)動機為主線，遵循“加強預研、自主創(chuàng)新，統(tǒng)籌規(guī)劃、系列發(fā)展，填補空白、占領高端”的發(fā)展原則，突破無人系統(tǒng)動力裝置關鍵技術，通過新研和現(xiàn)有動力系列發(fā)展等方式，研制出滿足國內軍民用無人機系統(tǒng)發(fā)展需要的各類動力裝置。

為了滿足高端無人機對動力的需求，本文提出以下無人機動力發(fā)展設想：

（1）戰(zhàn)斗機是天空當仁不讓的主角，無人作戰(zhàn)飛機以其“零傷亡”、“非接觸”、“無流血”和超機動、大過載等特有優(yōu)勢成為未來空戰(zhàn)的主力，因此無人作戰(zhàn)飛機的發(fā)展迫切。無人作戰(zhàn)飛機的發(fā)動機，一方面可以在現(xiàn)有的先進中等推力渦扇發(fā)動機核心機基礎上，研制無人作戰(zhàn)飛機專用動力裝置。這種發(fā)展方法，技術風險較小，成本可控。另外一方面可以發(fā)展新一代的具有低油耗、大過載、矢量推力、隱身性能好等特點的先進航空發(fā)動機。

（2）知己知彼方能百戰(zhàn)不殆，高空長航時無人機作為戰(zhàn)場偵察的主力，是信息時代戰(zhàn)爭不可或缺的組成元素，它可以使我們了解戰(zhàn)場的變化，從而做出應對。對高空長航時無人機，鑒于其長壽命，高經(jīng)濟性的特點，可以采用大涵道比渦扇發(fā)動機，但由于其對高空低速性能要求較高，需要考慮高空低雷諾數(shù)的情況。國內高空低雷諾數(shù)設計技術基礎較為薄弱，可以優(yōu)先發(fā)展。

（3）善攻者攻于九天之上，更高的高度、更快的速度始終是任何一個國家、一支軍隊不懈的追求。超高空超高速無人飛機或空天飛機則始終是更新更強的裝備，也是世界各國都不遺余力努力發(fā)展的方向。針對這類具有前瞻性發(fā)展?jié)摿Φ臒o人機，其動力的發(fā)展我們可以根據(jù)現(xiàn)有的技術儲備，優(yōu)先考慮發(fā)展渦輪沖壓組合發(fā)動機、超燃沖壓發(fā)動機等新型動力。

措施與建議

（1）加大投入，強化基礎。

我國發(fā)動機研制基礎本身就比較薄弱，而對于無人機發(fā)動機研究才起步不久，對應的基礎設施更加薄弱。由于無人機動力使用特點對發(fā)動機的特殊要求，如高空低雷諾數(shù)、大過載等，需要在研制過程中提前進行驗證與研究。同時，由于用于無人機所帶來的交聯(lián)控制、電磁環(huán)境等方面的技術挑戰(zhàn)，一方面需要建立相應的試驗設施，另一方面需要開展大量的基礎研究工作。所以，發(fā)展無人機動力首先就要加大投入，強化基礎。

（2）加強預研，自主創(chuàng)新。

應長期堅持動力先行的原則，積極開展無人機動力技術的預先研究和自主創(chuàng)新工作，為適應未來無人機發(fā)展的要求打好基礎。動力裝置的類型不同，預先研究的關鍵技術也不同，應分別制定針對各種無人機動力的預研計劃，建議國家用類似于民用飛機發(fā)動機計劃的形式，將無人機動力技術預研項目打包，重點抓關鍵技術驗證和轉化。

（3）統(tǒng)籌規(guī)劃，系列發(fā)展。

無人機是當前國防裝備研究的熱點，應制定合理的無人機發(fā)展路線，合理謀劃無人機動力的發(fā)展戰(zhàn)略，尤其對國防和經(jīng)濟建設有顯著影響的中小型渦扇發(fā)動機應予以重點研究。在高性能核心機的基礎上，系列化派生發(fā)展發(fā)動機，解決不同類型無人機平臺對動力裝置的需求。

（4）填補空白，占領高端。

重點突破中等推力渦扇發(fā)動機和高空長航時大涵道比渦扇發(fā)動機技術，填補無人機動力型譜空白。圍繞高空長航時、無人作戰(zhàn)以及臨近空間高超聲速等高端無人機，解決相應動力裝置研制的關鍵技術，重點研制幾型發(fā)動機，滿足高端無人機的動力需求。

（作者單位系中航工業(yè)燃氣渦輪研究院）