中國無人機(jī)動(dòng)力裝置現(xiàn)狀淺析

■ 王士奇/中國航發(fā)研究院

目前，無人系統(tǒng)在各種軍事和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中扮演的角色已越來越不可或缺，發(fā)展與之相匹配的動(dòng)力裝置的重要性也日益凸顯。

在軍用領(lǐng)域，以無人機(jī)為代表的無人作戰(zhàn)系統(tǒng)已經(jīng)深刻影響了現(xiàn)代戰(zhàn)爭的形式，打開了新一輪軍事技術(shù)革命的大門，成為各軍事科技強(qiáng)國爭奪的戰(zhàn)略制高點(diǎn)；在民用領(lǐng)域，無人機(jī)已經(jīng)滲透到不同行業(yè)的眾多應(yīng)用場景中，處在大規(guī)模行業(yè)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化的前夜，或?qū)⒊蔀楹娇展I(yè)領(lǐng)域最具活力的增長領(lǐng)域。作為無人機(jī)的“心臟”，動(dòng)力裝置的選擇在很大程度上決定了無人機(jī)的整體性能。

無人機(jī)動(dòng)力的分類

無人機(jī)市場巨大、產(chǎn)品種類豐富，且有大量新興市場待開發(fā)，因而對動(dòng)力的需求也是極其多樣的。無人機(jī)動(dòng)力按照類型，可分為汽油活塞發(fā)動(dòng)機(jī)、重油活塞發(fā)動(dòng)機(jī)、渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)、渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)、渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)、渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)等；按照推力/功率范圍，可分為小推力/功率發(fā)動(dòng)機(jī)（＜10 kN /500 kW）、中等推力/功率發(fā)動(dòng)機(jī)（10～50 kN /500～1000 kW）、大推力/功率發(fā)動(dòng)機(jī)（＞50 kN /1000 kW）。

活塞發(fā)動(dòng)機(jī)

目前國內(nèi)大多數(shù)的無人機(jī)都是采用活塞發(fā)動(dòng)機(jī)?；钊l(fā)動(dòng)機(jī)是無人機(jī)最早、最廣泛使用的動(dòng)力裝置，技術(shù)較為成熟。鑒于其良好的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，一直在中低速無人機(jī)和長航時(shí)無人機(jī)領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。根據(jù)所應(yīng)用的機(jī)型不同，活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的功率小至幾千瓦，大至300kW以上，其適用速度一般不超過300 km/h，升限一般不超過8000 m。如美軍的RQ-1“捕食者”無人機(jī)采用的是羅塔克斯（Rotax）914渦輪增壓汽油活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，功率為78 kW。

相較汽油活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，重油活塞發(fā)動(dòng)機(jī)具有更高的燃油效率和燃料的安全性、易獲得性，在長航時(shí)無人機(jī)以及艦載無人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，正在得到越來越多的關(guān)注和越來越強(qiáng)烈的需求。

渦軸/渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)

相比活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，同樣以功率形式輸出動(dòng)力的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)具有功重比大、結(jié)構(gòu)緊湊、振動(dòng)小、高原性能好、燃料適用性好、便于維修等優(yōu)點(diǎn)，渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)因而代替活塞發(fā)動(dòng)機(jī)成為直升機(jī)的主要?jiǎng)恿ρb置。目前世界上所有最大起飛重量在1.5t以上的直升機(jī)都采用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)作為其主動(dòng)力裝置，最大起飛重量在0.7～1.5t之間的直升機(jī)有一半以上是采用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，而最大起飛重量在0.7t以下的直升機(jī)也會(huì)根據(jù)不同的應(yīng)用場景使用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)。例如，美軍的RQ-8B“火力偵察兵”無人直升機(jī)（最大起飛重量1.4t）采用了羅羅公司的RR-250-C20W渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，最大功率為313 kW；加拿大CL327無人直升機(jī)（最大起飛重量0.35t）采用了威廉姆斯WTS-125渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，最大功率為92 kW。

而渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)同樣具備上述優(yōu)點(diǎn)，使得其在中大型固定翼無人機(jī)中具有廣泛應(yīng)用，如“捕食者”B無人機(jī)選用霍尼韋爾公司700 kW級的TPE331 -10T發(fā)動(dòng)機(jī)。

渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)

渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、尺寸小、推重比大、響應(yīng)快和相比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)成本低等顯著優(yōu)點(diǎn)，能使飛行器實(shí)現(xiàn)高速飛行。高空、高速無人機(jī)一般會(huì)將渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)作為首選動(dòng)力。例如，美軍BQM-34A“火蜂”無人機(jī)采用特里達(dá)因公司的J69-T-29A渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，推力為7.6 kN。

雖然由于渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油率較高，在2 kN推力以上和長航程的應(yīng)用場景下已經(jīng)被渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)所替代，但是小推力渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)在靶機(jī)、靶彈等特殊的應(yīng)用領(lǐng)域仍然具有獨(dú)特的地位。

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)具有耗油率低、壽命長、易于實(shí)現(xiàn)系列化等優(yōu)點(diǎn)，其質(zhì)量和推力等級能與無人機(jī)實(shí)現(xiàn)較好匹配，非常適合無人機(jī)對動(dòng)力的需求。目前，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)主要作為高空長航時(shí)無人機(jī)和亞聲速遠(yuǎn)程巡航導(dǎo)彈的動(dòng)力。例如，美國的X-47B艦載無人戰(zhàn)斗機(jī)配備普惠公司F100-220U渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，最大推力為64.9 kN；RQ-4“全球鷹”無人機(jī)配備羅羅公司的AE3007H渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，最大推力為32 kN；RQ-3“暗星”無人機(jī)裝備威廉姆斯公司的FJ-44-1A渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，最大推力為8.6 kN；美國“戰(zhàn)斧”式巡航導(dǎo)彈裝備威廉姆斯公司的F107渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，推力為2.6 kN?？梢钥闯?，配備渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的無人機(jī)基本上都代表了世界無人機(jī)的最高水平，其升限一般在10000～20000 m，最大飛行馬赫數(shù)（Ma）可以達(dá)到0.85。

轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)

轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)又稱萬克爾發(fā)動(dòng)機(jī)（Wankel Engine），是一種無活塞回旋式發(fā)動(dòng)機(jī)。轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)是在一個(gè)橢圓形的空間中，置入一個(gè)勒洛三角形的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子的三個(gè)面將橢圓形空間劃分為三個(gè)獨(dú)立的燃燒室。由于轉(zhuǎn)子為偏心運(yùn)轉(zhuǎn)，因此這些被分隔的獨(dú)立燃燒室在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中容積會(huì)不斷地改變，此型發(fā)動(dòng)機(jī)就是利用密閉空間變化的特質(zhì)來達(dá)成四行程運(yùn)轉(zhuǎn)所需要的進(jìn)氣、壓縮、點(diǎn)火與排氣過程。由于轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使得其具有結(jié)構(gòu)簡單、功重比高、振動(dòng)與噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，特別適合作為小型無人機(jī)的動(dòng)力裝置。比如Austro發(fā)動(dòng)機(jī)公司研發(fā)的AE50R（功率41 kW）轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)已于2011年獲得歐洲航空安全局（EASA）的適航認(rèn)證， 并應(yīng)用于西貝爾公司S-100無人直升機(jī)。

電動(dòng)機(jī)

微小型無人機(jī)（質(zhì)量＜100 kg）一般自帶鋰電池，并采用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋翼或螺旋槳作為動(dòng)力裝置。其結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，功率大小可隨意選擇。如大疆公司的消費(fèi)級無人機(jī)均采用電動(dòng)機(jī)作為其動(dòng)力裝置。

但是由于目前電池自身的能量密度太低，采用電池帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力形式無法保證無人機(jī)的長時(shí)間飛行（＞1h），極大地限制了它的應(yīng)用場景。

其他新概念發(fā)動(dòng)機(jī)

由于沒有人類生命保障的限制，無人機(jī)的應(yīng)用范圍大大增加，特別是在超高過載、超長航時(shí)、超高聲速等非傳統(tǒng)有人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒋蠓女惒?。因此，各國在繼續(xù)發(fā)展傳統(tǒng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的同時(shí)，都在積極探索基于未來無人機(jī)應(yīng)用的新概念發(fā)動(dòng)機(jī)架構(gòu)，如針對未來高超聲速飛行器、空天飛機(jī)等應(yīng)用場景發(fā)展出的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)、脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪基組合發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭基組合發(fā)動(dòng)機(jī)等；針對未來全電和多電飛機(jī)研發(fā)的混合動(dòng)力系統(tǒng)和核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)等。例如，賽峰公司已經(jīng)于2017年發(fā)布了航空電推進(jìn)技術(shù)路線圖，并于2018年進(jìn)行了分布式混合電推進(jìn)系統(tǒng)地面試驗(yàn)。

Austro發(fā)動(dòng)機(jī)公司研發(fā)的 AE50R轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)

S-100無人直升機(jī)

中國無人機(jī)動(dòng)力的現(xiàn)狀

長期以來，我國發(fā)動(dòng)機(jī)型號的研制都是緊跟國防建設(shè)的戰(zhàn)略需求，將絕大部分資源都投入到了主力戰(zhàn)機(jī)的配套發(fā)動(dòng)機(jī)研制中去，現(xiàn)有的大部分發(fā)動(dòng)機(jī)都是根據(jù)有人駕駛飛機(jī)配套研發(fā)的。同時(shí)，由于無人機(jī)在近年來發(fā)展迅猛，其對動(dòng)力的需求與有人駕駛飛機(jī)有一定區(qū)別，這就造成了目前我國無人機(jī)動(dòng)力的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于無人機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展，并開始制約無人機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展。

中小型無人機(jī)無中國“心”可用

活塞動(dòng)機(jī)主要用于中小型中低空低速無人機(jī)，由于國內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)長期處于落后狀態(tài)，性能遠(yuǎn)不如國外同類產(chǎn)品，還有很多功率級別的型號處于空白狀態(tài)。國內(nèi)無人機(jī)廠商不得不購買國外廠家的成熟的產(chǎn)品，使得國外的活塞發(fā)動(dòng)機(jī)廠商，如奧地利羅塔克斯（Rotax）公司、美國萊康明（Lycoming）公司等，基本壟斷了國內(nèi)的航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)市場。而對于燃油性能和高空性能更加優(yōu)異的重油活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，國外廠家甚至直接明令禁止國內(nèi)用作無人機(jī)動(dòng)力。

由于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的自身優(yōu)勢，其在中小型無人機(jī)動(dòng)力中也占據(jù)重要地位。但目前國內(nèi)市場在長壽命小型渦輪燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，如300kW以下級別的小型渦軸/渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)、2～10 kN推力的小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)等，還處于空白狀態(tài)，導(dǎo)致很多正在研制的無人機(jī)系統(tǒng)，如1t級無人直升機(jī)、1t級高速固定翼無人機(jī)等無可靠的國產(chǎn)動(dòng)力。

高空長航時(shí)無人機(jī)動(dòng)力空白

在10000米以上高空條件下，活塞發(fā)動(dòng)機(jī)因空氣稀薄性能衰減嚴(yán)重，即使是采用渦輪增壓也無法滿足使用條件，螺旋槳的推進(jìn)效率也同樣會(huì)大大降低，因此必須使用高增壓比高性能的渦輪燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)。另外，相比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油率過高。所以，針對高空長航時(shí)無人機(jī)，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)是最佳動(dòng)力選擇。

由于我國目前還沒有一款滿足條件的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)可用，這就造成我國成熟的高性能無人機(jī)面臨選發(fā)困難。雖然已有多家單位正在研發(fā)高空長航時(shí)無人機(jī)，但其動(dòng)力裝置的選擇是影響研發(fā)進(jìn)度的最大變數(shù)。

中國航發(fā)在無人機(jī)動(dòng)力領(lǐng)域有待進(jìn)一步發(fā)力

中國航發(fā)作為中國航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)的國家隊(duì)和領(lǐng)頭羊，始終聚焦國家的戰(zhàn)略需求，在2018年中國航展上參展（包括單獨(dú)展示和隨飛機(jī)展示）的型號多達(dá)13種，涵蓋渦扇、渦軸、渦槳、渦噴等4大類。其中，AEF50E渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)、AEP50E渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)、AEF20E渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)等3款可用于無人機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)，旨在填補(bǔ)我國急需的無人機(jī)動(dòng)力空白。

系統(tǒng)外資本大舉進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)

活塞發(fā)動(dòng)機(jī)方面，受國內(nèi)通用航空產(chǎn)業(yè)以及無人機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的刺激，民營企業(yè)大舉進(jìn)入航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)。以安徽航瑞動(dòng)力和重慶宗申航發(fā)為代表的企業(yè)堅(jiān)持走自主研發(fā)的道路，而以武漢文發(fā)航空、隆鑫通用、蕪湖鉆石航發(fā)、山河航空動(dòng)力、廈門林巴赫航發(fā)為代表的公司則選擇收購國外成熟發(fā)動(dòng)機(jī)公司或者以成立中外合資公司的模式進(jìn)入航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域。近期，宗申航發(fā)的C115發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)配裝在“彩虹”3無人機(jī)上，并實(shí)現(xiàn)了小批量生產(chǎn)銷售。

在2018年中國航展展出的AEF50E渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)

在2018年中國航展展出的AEP50E渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)

渦輪燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)方面，主要針對國內(nèi)高端無人機(jī)對動(dòng)力的強(qiáng)勁需求，以及未來國內(nèi)通用航空發(fā)展的美好預(yù)期，中國航發(fā)以外的單位，或通過聯(lián)合資本和科研機(jī)構(gòu)、或通過引進(jìn)國外技術(shù)、或通過自身實(shí)力研發(fā)的手段，紛紛進(jìn)入此領(lǐng)域。如中國科學(xué)院工程熱物理研究所聯(lián)合陜西煉石有色資源股份有限公司，研發(fā)7.5 kN推力級渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)還在研發(fā)4 kN和10 kN推力級小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)；北京航空航天大學(xué)聯(lián)合瀘州市政府成立瀘州研究院，正在研發(fā)100kW級渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，旨在建立國內(nèi)中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)研發(fā)基地；安徽應(yīng)流航空聯(lián)合德國SBM渦輪公司開發(fā)了97kW和120kW兩種型號的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，配裝自行研發(fā)的有人和無人直升機(jī)；華擎航發(fā)正在自行研發(fā)5kN級渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)；上海尚實(shí)能源正在自行研發(fā)500 kW的輔助動(dòng)力裝置（APU）和600 kW級渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)；同時(shí)，越來越多的民營企業(yè)，如德陽鈺鑫機(jī)械、威斯德姆（Wisdom）渦輪、貴州黎陽天翔、新奧動(dòng)力等公司在地面燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域有了一定積累后，也在試圖進(jìn)入航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域。

小型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展迅猛

隨著軍民融合戰(zhàn)略的深入實(shí)施，軍隊(duì)實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練的持續(xù)推行，一次性使用的靶機(jī)、靶彈市場向民營企業(yè)持續(xù)擴(kuò)大開放，國內(nèi)多家民營企業(yè)開始自行研發(fā)高速靶機(jī)產(chǎn)品，如北京金鵬達(dá)航空、綿陽富萊特航空、中天澤智能裝備等。與此同時(shí)，其對配套使用的小型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的需求出現(xiàn)了井噴之勢。除了擁有傳統(tǒng)優(yōu)勢的中國人民解放軍總參謀部第六十研究所之外，北京中科岱宗航空、北航瀘州研究院、北京馳宇空天技術(shù)、常州環(huán)能渦輪動(dòng)力、上海南迅航空科技、雷霆渦噴等新勢力也都在研發(fā)各自的小型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品。

此外，國內(nèi)高端航模市場對航模用的微小型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的需求也出現(xiàn)了井噴之勢。保定玄云渦噴動(dòng)力、中動(dòng)航空科技、雷虎飛行器集團(tuán)等國內(nèi)民營企業(yè)敏銳地抓住了市場需求，開發(fā)出了一系列航模飛機(jī)的小型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)和小型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，滿足航模愛好者的需求。

中國無人機(jī)動(dòng)力的發(fā)展方向

補(bǔ)足短板，完善現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)譜系

除了在傳統(tǒng)的領(lǐng)域，如大推力高推重比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)、大推力高涵道比商用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)、中大功率渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)等繼續(xù)夯實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)，追趕國際先進(jìn)水平，滿足目前國家的重大戰(zhàn)略需求，以及未來大型空中無人平臺的發(fā)展之外，也應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注我國現(xiàn)階段以及未來中小型空中無人平臺發(fā)展對動(dòng)力裝置的迫切需求，為其提供多種選項(xiàng)，完善我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)的型號譜系，如功率不大于300kW的活塞發(fā)動(dòng)機(jī)配裝低空低速無人機(jī)；功率不大于600kW的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)配裝旋翼無人機(jī)；推力范圍為0.4～2 kN的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，配裝靶機(jī)、靶彈、高速無人機(jī)；推力范圍為2～50 kN的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，滿足中高端無人機(jī)平臺多樣性的動(dòng)力需求等。

布局未來，加強(qiáng)技術(shù)儲備

應(yīng)從長遠(yuǎn)出發(fā)，堅(jiān)持動(dòng)力先行的原則，積極開展無人機(jī)動(dòng)力裝置的預(yù)先研究和自主創(chuàng)新工作，為適應(yīng)未來無人機(jī)發(fā)展的要求打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

軍民融合，發(fā)揮各自優(yōu)勢

針對活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，由于其與通用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的通用性，應(yīng)充分發(fā)揮通用航空市場發(fā)展的牽引作用，調(diào)動(dòng)民營資本的積極性和靈活性，降低研發(fā)成本，減少研發(fā)周期，以民養(yǎng)軍，以民促軍。

對于短壽命渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)、小推力渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)、小功率渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)等技術(shù)門檻相對較低、通用航空屬性明顯、制造難度相對較低的產(chǎn)品，應(yīng)充分發(fā)揮市場優(yōu)勢，共享資源，引導(dǎo)民營資本發(fā)揮自身優(yōu)勢，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，共同促進(jìn)產(chǎn)業(yè)的健康快速發(fā)展。

而對于中大推力渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)、中大功率渦軸/渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)等技術(shù)含量高，制造難度大的硬骨頭，應(yīng)該充分發(fā)揮央企單位“集中力量辦大事”的體制優(yōu)勢，集中力量，早日攻克技術(shù)難關(guān)。

結(jié)束語

目前我國無人機(jī)動(dòng)力短板多、差距大，要實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，首先要認(rèn)清現(xiàn)實(shí)，承認(rèn)差距；但更重要的是凝聚信心，集全國之智，齊心協(xié)力，腳踏實(shí)地，在現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)上認(rèn)真總結(jié)、仔細(xì)優(yōu)化。實(shí)現(xiàn)無人機(jī)動(dòng)力裝置的趕超和引領(lǐng)的歷史使命，雖道阻且長，但毅行必至。