美國海軍中小型無人機電推進動力系統(tǒng)發(fā)展分析

■ 宋漢強 張光智 沈勛 / 海軍研究院

純電/混合電推進動力系統(tǒng)在本質上屬于多技術集成，隨著發(fā)動機、電池等單項技術的模塊化并行發(fā)展，可以快速轉化成裝備，滿足海軍無人機對中小推力/功率動力系統(tǒng)的需求。

長期以來， “需求牽引、技術推動”是武器裝備發(fā)展的總體思路。在航空動力系統(tǒng)的活塞時代（第一時代）和渦輪時代（第二時代），航空動力發(fā)展以飛機的“需求牽引”為主。而在碳達峰、碳中和的戰(zhàn)略背景下，可持續(xù)性則成為擺在航空業(yè)面前的首要問題，航空動力發(fā)展進入以純電/混合電推進為代表的電氣化時代（第三時代）[1-2]。純電/混合電推進本質上屬于多技術集成，具有典型的“技術推動”特征，可以滿足未來海軍用中小型無人裝備發(fā)展的動力需求。

美國海軍中小型無人機動力系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

從海軍無人裝備應用需求看，可以分為潛射無人機、艦載無人機，以及可通過空投、艦載和近海車載發(fā)射的無人機集群等。不同的應用場景，對配套動力的需求存在差異?？傮w而言，對于軍事需求集中在探測、預警、偵察、指揮、通信中繼、干擾、攻擊、運輸?shù)忍胤N任務的航空裝備，純電/混合電推進可很好地匹配其動力需求。

美國海軍管式發(fā)射的“郊狼”無人機集群

潛射無人機需要跨水空介質使用，尤其對于須具備水下機動能力的裝備，在水下可采用固體燃料或者電力驅動，在空中可采用傳統(tǒng)發(fā)動機，純電/混合電推進是理想的動力形式。從20世紀90年代開始，美國海軍形成了包括“海上搜索者”“海上哨兵”“鸕鶿”“彈簧折刀”“潛射掃描鷹”“黑翼”等一系列試驗性潛射無人機。除“鸕鶿”屬于大型潛射無人機外，其余均屬于小型無人機平臺且均為干式發(fā)射。其中， “彈簧折刀”“黑翼”等選用電池作為動力。

無人機集群主要以小型飛機平臺為主，飛機平臺質量小到以克為單位計，最多在數(shù)百千克量級，對配套動力的需求集中在電動、活塞、微型渦噴/渦扇發(fā)動機。2014年美國戰(zhàn)略能力辦公室（SCO）主持了 “灰山鶉”項目， 2015年美國海軍研究辦公室（ONR）主導了低成本“郊狼”無人機集群項目，美國國防預先研究計劃局（DARPA）啟動了“小精靈”項目，配套動力系統(tǒng)集中在電動和微型渦噴/渦扇發(fā)動機[3]。

美國空軍“敏捷至上”項目中純電/混合電推進飛機平臺

短期內大型艦載無人機平臺依然以傳統(tǒng)構型動力為主；而適配多樣化任務的中小型無人機平臺主要承擔偵察、監(jiān)視、預警、通信中繼和運輸?shù)热蝿?，對動力需求集中在中小推?功率，與當前的純電/混合電推進發(fā)展態(tài)勢極其匹配。在美國空軍的“敏捷至上”項目中[4]，已探索了電動垂直起降飛行器的應用，其作戰(zhàn)使用場景包括但不局限于特種作戰(zhàn)、救援搜索、短距離運輸?shù)热蝿?，整體上分為3個不同等級的飛機平臺，包括大型載人類、小型載人類和運輸類。由于各平臺采取的都是旋翼構型，具備垂直起降能力，在針對腐蝕防護采取適應性改進后也可滿足海軍艦載使用需求。

需求分析

對于混合電推進動力系統(tǒng)，飛機平臺關心的是對整體的貢獻。相比于傳統(tǒng)動力系統(tǒng)的推力、耗油率、推力/功率質量比等頂層指標，混合電推進具備獨特的特征，實質上可等效為發(fā)電機組的航空應用，在不同功率量級下，可用等效燃油消耗率和等效功率/質量比加以評價[5]。從海軍使用場景上看，為滿足多樣化任務需求，主要集中在跨介質無人機（包括潛射無人機、潛水無人機等）、艦載無人機，以及無人機集群等方面。其共性需求主要集中在以下方面。

一是飛機平臺等級，從中小型無人機可選的純電/混合電推進動力看，功率等級涵蓋從幾十千瓦至兆瓦級。混合電推進有串聯(lián)式和并聯(lián)式，發(fā)動機為活塞式和轉子式，其中，20 ～200kW的混合電推進動力系統(tǒng)主要基于活塞式或轉子式發(fā)動機， 200kW以上的混合電推進動力系統(tǒng)以渦軸發(fā)動機為基礎發(fā)展，主要應用于起飛質量在噸級及以上的大中型無人機。

二是飛機平臺任務載荷需求，區(qū)別于民用無人機的單一使用場景需求，軍用無人機平臺通常需要兼顧多任務能力?？煞譃榛撅w行性能和任務需求，由于作戰(zhàn)使用場景差異，和民用飛機平臺相比，基本飛行性能通常還須兼顧高強度對抗、高強度使用、復雜環(huán)境等多種因素，使其在基本飛行平臺上的賦能遠遠高于民用平臺，造成可用任務載荷遠小于民用領域的單一任務載荷。因此，在固定功率等級下，對高等效功率/質量比、低油耗的需求水平更高。

三是海洋環(huán)境適應性要求，對于配裝海軍飛機平臺使用的動力系統(tǒng)，在高溫、高濕和高鹽的海洋環(huán)境下，需要滿足腐蝕防護和霉菌等要求；在艦載環(huán)境中，還需滿足酸性大氣、復雜電磁環(huán)境等使用要求。因此，在材料選取、腐蝕防護涂層、“艦—機—發(fā)”適配、艦載條件下的綜合保障，以及艦載約束下安全性設計等方面，對電推進動力系統(tǒng)提出了特有的海洋環(huán)境下適應要求。

除共性需求外，為適配不同任務場景，配裝不同類型飛機平臺的動力要具備其特有的任務特征。在跨介質無人機領域，目前在發(fā)展和驗證的計劃中均存在水下機動能力不足的缺點，在一定程度上無法全面滿足潛艇隱身的需求，因此，動力系統(tǒng)需求重點集中在水下續(xù)航、水下機動、發(fā)射深度等能力，可推斷出高儲能、高能量密度電池是對電動推進的核心需求；在空投無人機、艦載無人機和無人機集群方面，在承擔偵察、預警、中繼類等任務時，通常對航時、航程要求較高。因此，對純電/混合電推進動力系統(tǒng)的需求主要集中在能量利用效率上，純電推進重點在高能量密度電池綜合能總量，混合電推進重點集中于始終使傳統(tǒng)構型發(fā)動機工作在最佳巡航狀態(tài)點，以滿足飛機平臺多樣化任務能力需求。對于承擔一定攻擊任務的無人機，則對飛行速度、低噪聲、強隱身等提出明顯需求。

關鍵技術

純電/混合電推進動力系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)的直接將化學能轉換為機械能的能量轉換形式，而是先將全部或部分能量轉換為電能，利用電能轉換成機械能產生飛機所需的動力。其關鍵不在于推進系統(tǒng)的能量轉換效益，而在于飛機平臺總體收益。由于對機械能開展能量管理所需機電系統(tǒng)結構復雜，而電能在存儲、分配控制等方面極具優(yōu)勢，借助其尺寸無關特性，在電能管理過程中，能量損耗極低，使得飛機平臺氣動設計超出原有固定的范疇，可根據(jù)其能量管理需求靈活配置，給飛機平臺靈活布局帶來了收益。有研究表明，電推進動力系統(tǒng)可將能量利用效率從目前渦扇發(fā)動機的40%左右[6]提升至70%左右[7]。純電/混合電推進需要突破以下關鍵技術。

一是混合動力系統(tǒng)綜合設計技術，重點是瞄準飛機平臺，形成面向任務需求、滿足使用環(huán)境的無人機混合電推進動力系統(tǒng)設計方案。

二是高效高功率質量比電動機/發(fā)電機技術，將直接決定飛機的性能，是保證飛機平臺載荷的重要前提。

三是能量綜合管理技術，突破根據(jù)任務需求的能量管理技術，是推動飛機由傳統(tǒng)架構向電動飛機發(fā)展的關鍵因素。

四是高能量密度儲能技術，作為純電推進飛機的能量來源，直接決定了飛機的質量等級，混合電推進的儲能裝置，決定了最大起飛質量和載荷等，是突破傳統(tǒng)發(fā)動機多狀態(tài)點設計的關鍵因素，且發(fā)展?jié)摿Υ?，未來可通過新型高能電池實現(xiàn)，包括氫燃料電池、高能量密度鋰電池等。

結束語

純電/混合電推進是由技術集成創(chuàng)新帶來的新構型產品，區(qū)別于傳統(tǒng)以需求牽引為主的發(fā)展模式，其“技術推動”特征更為明顯，包括發(fā)電系統(tǒng)技術、電池技術、綜合熱管理技術，以及飛發(fā)高度一體化設計、人工智能技術集成等。從美國“敏捷至上”項目中純電/混合電推進飛機平臺發(fā)展路線看，更趨向于在大量的民用技術成熟后向軍用轉化的發(fā)展路徑。目前中小型無人機發(fā)展火熱，城市空中交通、物流、特種應用等市場需求巨大，因此，新形勢下要充分吸收民用領域的發(fā)展經驗，迅速借鑒、轉化和吸收其技術成果，發(fā)揮市場引導技術創(chuàng)新的主導作用，走出一條純電/混合電推進動力系統(tǒng)在海軍無人機領域的發(fā)展道路。