中空長航時無人機動力系統(tǒng)發(fā)展分析

■ 陳迪 田佳浩 李明新 雷乾乾 / 中國航天空氣動力技術(shù)研究院

中空長航時（MALE）無人機的發(fā)展和應(yīng)用，從平臺性能、載荷需求、機場適應(yīng)性、適航認(rèn)證、供應(yīng)鏈自主可控、可靠性和安全性等方面對于發(fā)動機這一核心關(guān)鍵設(shè)備提出了總體需求，對中小型航空發(fā)動機的型譜規(guī)劃、系列化發(fā)展、模塊化設(shè)計、研制思路、鑒定定型、全生命周期低成本要求帶來了思考和啟示。

由航天科技集團研制的“彩虹” 系列中空長航時（MALE）察打一體無人機，在去除火控及機載武器系統(tǒng)、敵我識別設(shè)備、軍用數(shù)據(jù)鏈等典型裝置，集成光電吊艙、測繪相機、激光雷達、高光譜相機等民用領(lǐng)域監(jiān)視測量載荷后，可廣泛服務(wù)于國民經(jīng)濟建設(shè)和社會發(fā)展。此類無人機的廣泛應(yīng)用，可進一步推動中小型航空發(fā)動機技術(shù)的創(chuàng)新及發(fā)展。

動力發(fā)展需求研究

中空長航時無人機動力裝置普遍選取常規(guī)吸氣式小型渦輪發(fā)動機或往復(fù)式內(nèi)燃機，每一代無人機整機的升級換代都伴隨著發(fā)動機產(chǎn)品的能力提升。新能源類動力裝置也在蓬勃發(fā)展中，但距離實現(xiàn)通航產(chǎn)業(yè)化還需要有技術(shù)的成熟和配套的完善。

目前，國內(nèi)主流的幾款中空長航時無人機皆為軍民兩用型，民用平臺大部分基于前期的國內(nèi)軍用和軍貿(mào)無人機平臺適應(yīng)性改裝而成。相較于民用產(chǎn)品，軍用產(chǎn)品面對真實的戰(zhàn)場環(huán)境、復(fù)雜的氣象和電磁場環(huán)境，其性能要求更高、功能要求更全、自主可控要求更加苛刻、采購價格更高。

“彩虹”-4中空長航時無人機

受行業(yè)特點、應(yīng)用領(lǐng)域、市場規(guī)模等影響，鮮有為通航應(yīng)用而單獨研制的動力產(chǎn)品，僅在物流運輸領(lǐng)域有幾款新平臺誕生，但尚未形成規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化。

活塞式發(fā)動機技術(shù)需求分析

中空長航時固定翼無人機為實現(xiàn)高升力、高升阻比、緩失速特性續(xù)航，通常采取小后掠角、大展弦比、長直機身“滑翔機”式設(shè)計，中小型活塞式發(fā)動機（≤300kW）因價格低、油耗低、技術(shù)成熟、維護簡單等優(yōu)勢，輔以恒速螺旋槳，可以實現(xiàn)起飛、爬升、巡航和著陸等典型剖面內(nèi)的功率推力最優(yōu)匹配，因此中小型航空活塞式發(fā)動機在很長時間內(nèi)依然會成為該類無人機的首選動力源，幾款典型航空活塞式發(fā)動機的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 典型航空活塞式發(fā)動機主要指標(biāo)

出于航空活塞式發(fā)動機技術(shù)發(fā)展的需求，在核心關(guān)鍵產(chǎn)品自主可控的要求以及產(chǎn)業(yè)鏈和供應(yīng)鏈補鏈強鏈的大背景下，以航天科工31所、重慶宗申、安徽航瑞等為代表的發(fā)動機研制單位已經(jīng)開展了國產(chǎn)化研制工作，并得到了廣泛驗證。

重油發(fā)動機需求

航空重油較常規(guī)的車用汽油和航空煤油安全系數(shù)高、燃燒效率高，也便于存儲和獲取。重油航空活塞式發(fā)動機多采用高壓共軌式供油，油耗低，可大大提升現(xiàn)有平臺的航時航程。美國在“捕食者”系列RQ-1的基礎(chǔ)上通過換裝重油發(fā)動機升級為MQ-1C“灰鷹”后，起飛質(zhì)量由1t提高到了1.6t，航時從24h提高到了36h，核心性能和作戰(zhàn)能力大大提升。在滿足功率需求下的輕量化設(shè)計、增壓匹配技術(shù)、高效可靠燃燒技術(shù)是重油活塞式發(fā)動機研制中的技術(shù)難點。

多級增壓技術(shù)

為了解決航空活塞式發(fā)動機的高空功率衰減問題，進氣增壓是行之有效的措施。一般采用單級渦輪增壓后，航空活塞式發(fā)動機的工作高度能達到8000m；為了提高升限、解決高原起降問題，兩級甚至多級增壓技術(shù)亟需攻克。目前國際研究的三級增壓，甚至可以將航空活塞式發(fā)動機的飛行高度提高到24000m，而國內(nèi)在這方面起步相對較晚。此外，由多級增壓帶來的各級高效匹配、裕度設(shè)計、高空艙標(biāo)定、高效中冷及綜合熱管理技術(shù)均是重點研究方向。

壽命評估及健康檢測技術(shù)

中空長航時固定翼無人機飛行高度集中在5 ～10km范圍內(nèi)，平均飛行時長在20h以上，飛行剖面相對簡單。目前“彩虹”-3/4民用型選裝的Rotax 914發(fā)動機經(jīng)過美國聯(lián)邦航空局（FAA）認(rèn)證，大修間隔（TBO）為2000h；但從目前大量的航空物探作業(yè)飛行來看，發(fā)動機達到800h以后質(zhì)量問題多發(fā)，表現(xiàn)為排氣歧管斷裂、曲軸箱磨損增加、化油器滲漏等。與通航飛機相比，中空長航時無人機因飛行高度更高、飛行時間更長，需要對發(fā)動機載荷譜和熱力循環(huán)進行適應(yīng)性評估，以重新制定首翻期和維修計劃。針對長時間留空駐留，不能頻繁起降檢修，在曲軸箱、汽缸本體、安裝支架和防火墻上加裝發(fā)動機健康監(jiān)控系統(tǒng)變得尤為必要，可通過振動監(jiān)測和在線診斷及時發(fā)現(xiàn)故障征兆，并開展預(yù)防性維護和修理工作。

渦軸發(fā)動機技術(shù)需求分析

中空長航時垂直起降無人機市場需求旺盛，此類無人機構(gòu)型涵蓋了單旋翼、縱列式、傾轉(zhuǎn)旋翼等。飛行模態(tài)復(fù)雜是該類無人機平臺的典型特征，因此對發(fā)動機的環(huán)境適應(yīng)性和能量密度提出了較高的要求，渦軸發(fā)動機成為其首選動力。

高速度飛行

發(fā)動機典型故障表現(xiàn)

現(xiàn)階段無人直升機的速度包線基本被約束在Ma0.3以下，傾轉(zhuǎn)旋翼類無人機既有直升機垂直起降的優(yōu)勢，又具備固定翼飛機速度快的特點，因此可廣泛地應(yīng)用于邊遠(yuǎn)地區(qū)物資投送和島嶼間運輸。此類型無人機的最大飛行速度可達Ma0.4以上，因此為了突破發(fā)動機速度包線以滿足無人機的使用要求，須針對現(xiàn)有的國產(chǎn)發(fā)動機的進排氣系統(tǒng)進行改進設(shè)計，并進行相應(yīng)的仿真計算、地面臺架試驗和高空臺試驗，為飛行性能評估提供數(shù)據(jù)支撐。

高精度恒轉(zhuǎn)速及變轉(zhuǎn)速控制

垂直起降無人機不斷向多模態(tài)和高機動方向拓展，對于需要兼顧多模態(tài)的旋翼分系統(tǒng)，對轉(zhuǎn)速的變化極為敏感，為保證旋翼在不同模態(tài)下均能維持較高效率，需將旋翼恒轉(zhuǎn)速控制的精度維持在極高的水平，否則會導(dǎo)致單個模態(tài)下旋翼效率急速下降進而造成飛機控制發(fā)散；此外，為適應(yīng)飛機多模態(tài)飛行的需求，旋翼需在不同工作模態(tài)下以不同轉(zhuǎn)速工作，而當(dāng)前渦軸發(fā)動機一般為單個恒轉(zhuǎn)速控制輸出，因此需通過優(yōu)化發(fā)動機控制率實現(xiàn)對多個恒速點的變轉(zhuǎn)速需求。

混合電推進系統(tǒng)

與搭載傳統(tǒng)發(fā)動機的飛行器相比，混合動力飛行器具有節(jié)能環(huán)保、振動量級和噪聲水平低、結(jié)構(gòu)簡單、操縱便捷等優(yōu)點。針對旋翼無人機，在起降階段和做高機動飛行時，采用“渦軸+電機”的并聯(lián)式混合電推進模式，既能提供充足的動力來源，也能實現(xiàn)動力的快速響應(yīng)，以實現(xiàn)高精度恒轉(zhuǎn)速及變轉(zhuǎn)速控制；巡航階段，將渦軸發(fā)動機設(shè)定在最佳工作狀態(tài)，在降低油耗的同時，也能給儲能裝置充電。能源管理技術(shù)是混合電推進系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，其中基于規(guī)則的穩(wěn)態(tài)能量管理策略、基于優(yōu)化算法的動態(tài)能量管理策略、能量的動態(tài)協(xié)調(diào)控制等均是研究的重點。

美國Predator B無人機與 TPE331-10T渦槳發(fā)動機

以色列Heron TP無人機與 PT6A-67A渦槳發(fā)動機

土耳其Akinci B無人機與AI-450T渦槳發(fā)動機

渦槳發(fā)動機技術(shù)需求分析

在中空長航時無人機領(lǐng)域，渦槳發(fā)動機比活塞式發(fā)動機具備更強優(yōu)勢：功率更大；功率質(zhì)量比處于3.5 ～4.8kW/kg之間，遠(yuǎn)高于活塞式發(fā)動機的1kW/kg；高速旋轉(zhuǎn)部件比活塞式往復(fù)部件振動量級更低；在8000 ～15000m高度具有更好的高空性能。目前國際上使用渦槳發(fā)動機作為動力的無人機平臺集中在5t級，主要有使用TPE331-10T渦槳發(fā)動機的Predator B無人機、使用PT6A-67A渦槳發(fā)動機的Heron TP無人機、使用AI-450T渦槳發(fā)動機的Akinci B無人機，詳細(xì)技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 典型渦槳型無人機主要指標(biāo)

更高電功率的提取

中空長航時無人機強調(diào)廣域、遠(yuǎn)距、綜合應(yīng)用，一般搭載合成孔徑雷達、衛(wèi)星通信設(shè)備、機載防撞系統(tǒng)、光電吊艙、語音電臺等應(yīng)用載荷。用電功耗的增加對發(fā)動機電功率提取提出了更高的要求，例如，搭載500kW級軸功率的渦槳發(fā)動機需要提取15kW以上的電功率。此外單發(fā)無人機出于系統(tǒng)備份的考慮，至少要實現(xiàn)2臺機載發(fā)電機的共同發(fā)電輸出。需要發(fā)動機研制單位在改型研制過程中增加電功率提取能力及裕度設(shè)計，并重點評估由于用電功率加大帶來的發(fā)動機性能變化、油耗變化和使用限制等因素。

滑油系統(tǒng)適應(yīng)性改進

相比于通航有人機的飛行高度，需要評估中高空長航時無人機用渦槳發(fā)動機的滑油系統(tǒng)工作能力，尤其是軸承腔和滑油箱壓力變化、滑油泵的泵油能力、封嚴(yán)效果等，避免影響發(fā)動機潤滑和冷卻。此外長時間飛行，滑油消耗量也會加大，有必要進行滑油筒擴容，具備滑油液面監(jiān)測和低液位報警功能，進一步保障發(fā)動機工作安全和平臺飛行安全。

飛發(fā)槳一體化操控

渦槳發(fā)動機的恒速或恒功率控制、電動或液壓恒速螺旋槳的轉(zhuǎn)速控制需要綜合考慮以降低操縱難度。通過飛機、發(fā)動機、螺旋槳的全權(quán)限數(shù)字式電子控制 (FADEC)系統(tǒng)的一體化設(shè)計，可以將發(fā)動機起停、功率桿操縱、螺旋槳選速/順槳控制、飛機應(yīng)急手動控制、引氣、放氣等操作集成至發(fā)動機控制單元或機電管理計算機，實現(xiàn)最佳性能匹配輸出和一體化操控。

發(fā)動機研制特點

隨著無人機這一新域新型航空產(chǎn)品的高速發(fā)展，用戶對飛行器平臺的使用要求必然會引起發(fā)動機產(chǎn)品的研制思路和特點發(fā)生變化。無人機平臺總體和發(fā)動機設(shè)計師應(yīng)緊密耦合、高效協(xié)同，在進氣道與發(fā)動機匹配、排氣管與后機身安裝性能、環(huán)控引氣與性能、穩(wěn)定性分析、發(fā)動機冷卻散熱器布局與飛行阻力分析等方面實現(xiàn)飛發(fā)一體化設(shè)計。

在研發(fā)理念上，要堅持以需求為牽引，緊跟無人機總體要求，實現(xiàn)由技術(shù)供給向能力需求牽引的轉(zhuǎn)變；堅持飛發(fā)一體化研發(fā)，飛行器平臺與動力深度耦合，進發(fā)排一體化設(shè)計；貫徹模塊化設(shè)計理念，具備健康監(jiān)測和在線診斷功能，降低運維團隊外場檢測檢修保障壓力；將國軍標(biāo)和適航體系充分融合，在性能考核、定型審查等關(guān)鍵環(huán)節(jié)中確保一套數(shù)據(jù)雙向認(rèn)可，降低試驗成本；堅定低成本理念，控制全生命周期費用。

在研發(fā)模式上，堅持設(shè)計一步到位、能力逐步釋放的漸進式研發(fā)；在初始能力階段，完成發(fā)動機基本功能性能考核，后期隨著無人機共同迭代升級；在無人機上領(lǐng)先試用，在向總體交底的基礎(chǔ)上逐步放開能力、壽命和使用限制；貫通設(shè)計、工藝、制造、檢測的數(shù)據(jù)模型傳遞，為產(chǎn)業(yè)鏈數(shù)字化和數(shù)據(jù)化發(fā)展夯實單機產(chǎn)品基礎(chǔ)。

在研發(fā)流程上，可以嘗試研、試、用并行；考慮將性能驗證與鑒定試驗并行，完成性能驗證之后即可考慮無人機平臺掛飛；發(fā)動機論證及總體設(shè)計階段，進一步踐行核心機架構(gòu)設(shè)計，力爭達到系統(tǒng)組合化、部件模塊化和設(shè)備通用化。

結(jié)束語

中空長航時無人機在服務(wù)國民經(jīng)濟建設(shè)和社會發(fā)展中已經(jīng)展現(xiàn)了多元化應(yīng)用，未來隨著通航產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展，結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)、增材制造、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展，該類無人機將會在相當(dāng)長一段時間內(nèi)繼續(xù)保持蓬勃生命力。無人機既可以作為新型民用載荷的搭載集成平臺，又可以作為新研新改發(fā)動機的飛行試驗載機平臺，與發(fā)動機試驗臺地面試驗、高空臺試驗互為補充、相互驗證，進一步縮短研制周期，降低研制成本，支撐我國航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)發(fā)展。