軍用無人直升機及其動力裝置分析

■ 劉騰躍/中國航發(fā) 王士奇/中國航發(fā)研究院

軍用無人直升機由于無人員傷亡、體積小、造價低、飛行機動靈活、戰(zhàn)場生存力強等特點，具有獨特的飛行性能及使用價值，也被日益重視。與此同時，其動力裝置的發(fā)展在借鑒有人機經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，顯示出與有人直升機動力的不同特點和新的趨勢。

目前用于攝影攝像、農(nóng)林植保、電力巡檢、消防滅火等領(lǐng)域的消費級、工業(yè)級無人直升機，大多屬于微型無人直升機，其最大起飛質(zhì)量通常小于100 kg，多采用電動機作為動力，受制于電池的能量密度，飛行時間極為有限，通常小于1h。而有更大起飛質(zhì)量和更長飛行時間要求的軍用無人直升機，一般需要采用以化石燃料為能源的活塞式發(fā)動機或燃氣渦輪發(fā)動機作為動力。從1962年QH-50C首飛算起，無人直升機作為一型重要的軍用裝備已經(jīng)發(fā)展了近60年，在戰(zhàn)場上承擔的任務(wù)也越來越多元化：從最初的反潛偵察，到現(xiàn)在的物資運輸、通信中繼、火力打擊等，成為戰(zhàn)場上克敵制勝的重要角色。

軍用無人直升機概況

表1和表2總結(jié)了各個國家已服役或正在研發(fā)的軍用無人直升機基本參數(shù)，及其配備的發(fā)動機類型和功率參數(shù)。從中可以看出，2000年之前只有5款軍用無人直升機進行了首飛（表中白色部分），其中以QH-50C和CL227“衛(wèi)士”為典型代表；而在2000—2010年，以MQ-8A/B和S-100為代表的6款新型軍用無人直升機開始亮相（表中綠色部分），并成為了目前在軍中服役的主力裝備；2010年以后，全新研制的新型軍用無人直升機開始大量出現(xiàn)，截至2019年，進行首飛的新機型就達到了8款（表中藍色部分），各國對新型軍用無人直升機的研發(fā)投入呈加速上升趨勢。

表1 全新開發(fā)軍用無人直升機平臺及其發(fā)動機參數(shù)

表2 有人改無人軍用直升機平臺及其發(fā)動機參數(shù)比較

此外還可以看到，無人直升機研發(fā)存在兩種研發(fā)思路。一種是全新設(shè)計的無人直升機平臺，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)更為緊湊，空間布局更為合理，能夠減少體積和減輕質(zhì)量。除了美國已經(jīng)取消的“鷹眼”和“蜂鳥”項目，以及已經(jīng)退役的QH-50C之外，所有全新設(shè)計的無人直升機平臺的最大起飛質(zhì)量均在750 kg以下，大部分更是在400kg以下。另外一種研發(fā)路線則是對成熟的有人駕駛直升機進行無人化改造，其優(yōu)點是機體設(shè)計經(jīng)久可靠、研發(fā)周期短、研發(fā)成本低，但最大起飛質(zhì)量均在700kg以上。美國大量正在服役或研發(fā)的無人直升機均采用對有人直升機進行無人化改造的技術(shù)路線。

軍用無人直升機的動力選擇

從表1和表2可以看出，美國主要專注于最大起飛質(zhì)量為1t以上級別的無人直升機，其載荷能力強、續(xù)航時間長。不論是全新設(shè)計研發(fā)還是采用無人化改造的技術(shù)路線，美國的無人直升機項目均采用渦軸發(fā)動機作為動力裝置，單臺最大功率均在300 kW以上。這也顯示了美國直升機工業(yè)以及渦輪動力技術(shù)的強大實力。

對于1t以下級別的無人直升機，動力的選擇展示出了較大的多樣性。同樣是700kg級的無人直升機平臺，以色列的“斗牛騎士”（Picador）和法國的VSR700均選擇有人直升機無人化改造路線，均采用100kW級汽油活塞式發(fā)動機。而俄羅斯的卡-175則采用全新設(shè)計技術(shù)路線，選用渦軸發(fā)動機作為動力裝置。俄羅斯做出與以色列和法國完全不同的技術(shù)路線和動力裝置類型的選擇，與其獨立的國防裝備思想和雄厚的直升機和動力裝置研發(fā)實力密切有關(guān)。

奧地利西貝爾公司S-100無人直升機

對于最大起飛質(zhì)量700kg以下的直升機平臺，所需的發(fā)動機功率基本都在100 kW以下，甚至在40 kW以下，在此功率范圍內(nèi)，活塞式發(fā)動機的效率遠高于渦軸發(fā)動機。但考慮到軍用無人直升機復(fù)雜惡劣的應(yīng)用環(huán)境，用戶除了對發(fā)動機的效率有要求外，還對油料使用、高原特性等提出了更高的要求，因此渦軸發(fā)動機的優(yōu)點不容忽視。例如，加拿大的CL系列無人直升機主要作為指揮自動化技術(shù)系統(tǒng)（C3I）的中繼站使用，其研發(fā)時間已經(jīng)超過了40年。結(jié)合這個系列產(chǎn)品在美國海軍以及北約部隊的實際使用經(jīng)驗，最終將產(chǎn)品的最大起飛質(zhì)量由最初的227kg提升且穩(wěn)定在350kg左右，一直選用渦軸發(fā)動機為動力，功率從最初的40kW提升至100kW，續(xù)航時間由最初的3.5h提升至8h。而歐洲目前研發(fā)的小型無人直升機大部分為200kg級，最初選用汽油活塞式發(fā)動機為動力，在后期的改進型中換裝重油活塞式或者渦軸發(fā)動機（如SD-150無人直升機），以滿足艦載裝備對燃料適用性的要求。

總體而言，以美國為首的北約國家及其盟友已經(jīng)形成了完整的軍用無人直升機體系，其最大起飛質(zhì)量覆蓋了0.2～5t的范圍。其中，美國完全承擔了其中研發(fā)難度最大、技術(shù)含量最高的1t以上級別無人直升機的研發(fā)，探索出了以現(xiàn)有直升機進行無人化改造的技術(shù)路線，重點發(fā)展了1.5t級MQ-8B和3t級MQ-8C“火力偵察兵”系列無人直升機，采用成熟的渦軸發(fā)動機作為其動力裝置，功率在300 kW以上。而歐洲、加拿大、以色列、俄羅斯等國家受技術(shù)、資金等因素限制，均選擇了1t以下級別無人直升機的研制，選用的動力裝置多樣化，既包括渦軸發(fā)動機,也包括汽油活塞式發(fā)動機和轉(zhuǎn)子活塞式發(fā)動機，功率從25 ～140 kW不等。

美國海軍MQ-8C“火力偵察兵”無人直升機

無人直升機動力裝置發(fā)展方向

目前的無人直升機動力裝置，無論是航空汽油活塞式發(fā)動機還是渦軸發(fā)動機，基本上都采用現(xiàn)有的成熟發(fā)動機型號，但是新的動力裝置形式已經(jīng)在加速孕育和發(fā)展之中。結(jié)合目前有人直升機動力裝置的發(fā)展方向，并從軍事用途的需求考慮，重油活塞式發(fā)動機和純電/混合電推進或?qū)⒊蔀檐娪脽o人直升機的動力選項。

重油活塞式發(fā)動機

從現(xiàn)有1t級以下直升機的動力裝置來看，活塞式發(fā)動機依然占主導(dǎo)地位，且均為航空汽油活塞式發(fā)動機。但是航空汽油安全性和通用性較差，容易造成后勤補給的困難，因此限制了它在軍事上的應(yīng)用。發(fā)展使用柴油、煤油等燃料的重油活塞式發(fā)動機可以完美解決上述航空汽油燃料的問題。同時，由于壓燃式重油活塞式發(fā)動機的熱力循環(huán)效率在小功率范圍（<300 kW）內(nèi)，相比渦軸發(fā)動機具有天然優(yōu)勢。例如，捷克PBS公司生產(chǎn)的TS-100渦軸發(fā)動機最大持續(xù)輸出功率為160 kW時，其耗油率為0.51 kg/（kW·h），而同級別的法國賽峰集團生產(chǎn)的SR305-230E壓燃式重油活塞式發(fā)動機功率為167 kW時，其耗油率為0.22 kg/（kW·h）， 僅 為TS-100渦軸發(fā)動機的43%，具有壓倒性的優(yōu)勢。因此，越來越多的直升機生產(chǎn)商將重油活塞式發(fā)動機視為其未來輕型直升機的動力裝置。

2018年4月，空客直升機公司在歐洲“清潔天空”（Clean Sky）第二期計劃的支持下，與TEOS公司和奧索（Austro）發(fā)動機公司合作，完成了330 kW煤油活塞式發(fā)動機在H120單發(fā)輕型直升機上的測試。在起飛階段，相比使用渦軸發(fā)動機，其油耗降低30%；而在巡航階段，其油耗降低超過50%；整個任務(wù)的平均油耗降低了約42%。 2019年3月，澳大利亞三角（Delta）直升機公司推出了世界上首款公開銷售的、搭載商用柴油活塞式發(fā)動機的雙座輕型直升機D2。該型直升機采用美國三角鷹（DeltaHawk）公司的DH200 V4二沖程重油活塞式發(fā)動機，功率為134 kW，該機型最大起飛質(zhì)量為955 kg，航程約為4h。

目前重油活塞式發(fā)動機在直升機領(lǐng)域的應(yīng)用還處于探索階段，但低油耗的巨大優(yōu)勢使其在長航時無人直升機領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。

純電/混合電推進動力系統(tǒng)

無人電動垂直起降（eVTOL）飛行器在民用領(lǐng)域的快速發(fā)展，自然引起了美國軍方的極大關(guān)注。2020年2月，美國空軍啟動了敏捷至上（Agility Prime）計劃，希望對民用eVTOL飛行器技術(shù)的發(fā)展成果加以利用，應(yīng)用到短距運輸、搜索救援等軍事任務(wù)中，從而在短途任務(wù)中替代傳統(tǒng)直升機、傾轉(zhuǎn)旋翼機等航空器，大幅降低任務(wù)成本，打造敏捷任務(wù)能力。并且，美國空軍希望通過敏捷至上項目與飛機制造商建立全新的合作機制。與傳統(tǒng)的軍方研發(fā)項目不同，敏捷至上項目并不會給競標企業(yè)提供巨額研發(fā)資金，而是為其提供各類測試實驗室、試飛空域等政府資源，幫助其更快地獲得適航認證，以獲得可能的商用成功以及軍方采購合同。

美國海軍陸戰(zhàn)隊無人空運系統(tǒng)與傳統(tǒng)空中運輸?shù)呐浜线\作示意圖

美國空軍在敏捷至上項目中提出的第一類場景為：運輸3～8名乘客或同等質(zhì)量貨物的大型飛行器；可采用全電推進或混合電推進；航程大于161km；飛行速度大于161km/h；航時超過60min。這些指標均高于目前的城市空中交通eVTOL的技術(shù)要求。美國空軍希望在2020年12月17日之前完成上述應(yīng)用場景的全尺寸原型機首飛。美國空軍將采用最終獲勝的設(shè)計，并引導(dǎo)其通過美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）、美國國家航空航天局（NASA）、運輸部（DOT）以及其他政府和監(jiān)管機構(gòu)的認證。2020年5月29日，美國空軍宣布，喬比航空（Joby Aviation）和貝塔科技（Beta Technologies） 兩 家eVTOL制造商作為第一類使用場景候選者進入項目第三階段，能夠申請使用空軍的基礎(chǔ)設(shè)施等資源。

另外，從2019年開始，美國海軍陸戰(zhàn)隊和美國陸軍聯(lián)合論證發(fā)展一種 空中無人物流系統(tǒng)（Unmanned Logistics System-Air，ULS-A）。 該系統(tǒng)覆蓋小型、中型和大型無人eVTOL飛行器，使用包括傳統(tǒng)動力、純電推進和混合電推進等多種動力形式，將無人eVTOL的用途拓展到貨物運輸和后勤保障，以降低地面運輸?shù)娘L險，并解放傳統(tǒng)飛機去執(zhí)行其他任務(wù)。目前，美國海軍陸戰(zhàn)隊作戰(zhàn)實驗室已與空軍的“敏捷至上”項目開展合作，用來尋找合適的eVTOL飛行器用于后勤保障。

當航空裝備電氣化后，整個動力系統(tǒng)的技術(shù)體系將發(fā)生質(zhì)的變化——從傳統(tǒng)的以熱機為載體，以氣動熱力學、精密機械為核心的技術(shù)體系，向以高能量密度電池、高功率密度發(fā)電機、綜合能量管理系統(tǒng)為載體，以電磁學、電化學材料、數(shù)據(jù)鏈綜合處理為核心的技術(shù)體系全面轉(zhuǎn)變。但受限于化學材料、電磁材料技術(shù)的發(fā)展限制，目前eVTOL飛行器在軍事中的應(yīng)用主要集中在短距離、輕質(zhì)量的應(yīng)用場景，充分發(fā)揮其低成本、低噪聲、易操作的優(yōu)勢，將作為以傳統(tǒng)熱機為動力的有人/無人直升機體系的有益補充。

結(jié)束語

軍用無人直升機在實際應(yīng)用中的重要性已被證實。以美國為首的北約集團的航空工業(yè)實力雄厚，在其軍用無人直升機產(chǎn)品的發(fā)展過程中，建立起了以美國為核心的北約國家大協(xié)作關(guān)系，發(fā)展了最大起飛質(zhì)量0.2～5t、面向偵察、運輸、反潛、通信中繼等的多種用途的全系列產(chǎn)品。另外，在新型號研發(fā)上擁有包括渦軸、轉(zhuǎn)子活塞式等全功率譜各類直升機動力的成熟型號可供選擇，同時，還在積極探索重油活塞式發(fā)動機、純電/混合電推進等新型直升機動力系統(tǒng)在軍事上的應(yīng)用。