宋剛

中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心, 北京市 朝陽區(qū) 100028

近年來，中小型無人機得到快速發(fā)展，并逐漸在軍、民用航空領域扮演越來越重要的角色，無人機的飛行速度、高度、可靠性、燃油效率等方面的要求也逐漸提高，為小型無人機研制性能更為優(yōu)越的推進系統(tǒng)，成為航空動力領域的熱點話題。微型渦輪發(fā)動機因其體積小、重量輕、能量密度高、推重比大等優(yōu)點，或將成為未來無人機動力的新選擇。本文以美國無人機渦輪發(fā)動機公司最新研制的Monarch RP系列產(chǎn)品為切入點，簡要介紹微型渦輪發(fā)動機的性能特點和未來面臨的技術挑戰(zhàn)。

2019年9月26日，美國無人機渦輪發(fā)動機公司(UAV Turbines Inc.以下簡稱UAVT)宣布，配裝Monarch RP系列首款型號Monarch 5微型渦輪發(fā)動機的無人機在格里菲斯國際機場完成首飛。Monarch 5是一款回熱式渦輪螺旋槳發(fā)動機，具有40hp(約30kW)的推進功率，與傳統(tǒng)活塞式發(fā)動機相比，能提高無人機推進系統(tǒng)的推進性能和可靠性。

Monarch RP系列微型渦輪發(fā)動機的研發(fā)背景

根據(jù)FAA 的報告，隨著無人機的需求和應用領域擴展到包括醫(yī)療支持、貨物運送、搜索和救援以及運輸領域，到2023年，商用無人機市場的規(guī)模預計將增加兩倍。但是，當前的發(fā)動機不能提供執(zhí)行上述任務所需的可靠性和安全性。

早在2015年4月，UAVT公司宣布啟動用于無人機系統(tǒng)的下一代燃氣渦輪發(fā)動機研發(fā)工作，該公司投資超過2000萬美元，計劃在24個月內制造可用于測試的發(fā)動機。UAVT研制的這款發(fā)動機，功率在30～150hp之間，相比于之前的發(fā)動機提高了可靠性、續(xù)航時間、升限，大幅降低了噪聲，降低了燃油消耗，可使用重質燃油。目標用于第3類和第4類無人機(第三類無人機：小于1320lb(約600kg)，飛行高度小于18000ft(5486m)，速度小于250kn.(465km/h)；第四類無人機：大于1320lb，飛行高度大于18000ft)。

美國陸軍開展的“未來戰(zhàn)術無人飛行系統(tǒng)(FTUAS)”計劃，目的是研制小型無人機作戰(zhàn)平臺，該無人機平臺可以完成4572m高度的運輸任務以及7620m高度支持戰(zhàn)斗機的作戰(zhàn)能力，同時，還需要具有與當前/未來有人飛機相當?shù)娘w行速度。

圖1 配裝Monarch 5微型渦輪發(fā)動機的無人機在格里菲斯國際機場完成首飛

圖2 Monarch RP系列產(chǎn)品首款型號UTP50R

為解決FTUAS計劃中小型無人作戰(zhàn)平臺的動力問題，美國陸軍又設立了“可靠先進小型電力系統(tǒng)”(Reliable Advanced Small Power Systems，RASPS)技術演示項目。RASPS項目的總體目標是設計、制造和測試可達到技術成熟度等級6級(TRL6，即完整的發(fā)動機系統(tǒng)在相關環(huán)境中完成技術驗證)的200hp級別的先進微小型發(fā)動機。要求包括重油運行、高可靠性、低燃油消耗、高推重比、高耐用性、低噪聲、較低的生產(chǎn)和維護成本等。RASPS項目于2017年由美國陸軍立項，研究周期不超過60個月(其中技術工作56個月，數(shù)據(jù)整理和最終報告編寫4個月)。

2018年2月，UAVT公司宣布，已與美國陸軍簽訂一份1900萬美元的技術投資協(xié)議，與美國陸軍共同開展“可靠先進小型電力系統(tǒng)”(Reliable Advanced Small Power Systems，RASPS)技術演示項目。UAVT公司的任務是為美國陸軍研發(fā)可應用于無人機推進系統(tǒng)的高效、可靠、耐用的微小型渦輪螺旋槳發(fā)動機，該微型渦輪螺旋槳發(fā)動機即為UAVT公司的Monarch RP系列產(chǎn)品，其成熟產(chǎn)品或將用于美國陸軍RQ-7“影子”(Shadow)無人偵察機。

2019年5月，UAVT公司披露項目研究進展，宣稱Monarch RP系列第一個型號產(chǎn)品UTP50R將被集成到納瓦馬應用科學公司(Navmar Applied Sciences)的RQ-23“虎鯊”(Tiger Shark)無人機上進行測試。

2019年9月，40hp的Monarch 5微型渦輪發(fā)動機完成首次飛行試驗。

微型渦輪發(fā)動機的特點

微型渦輪發(fā)動機是基于大、中型渦輪發(fā)電機所提出來的概念，相比于大、中型渦輪發(fā)動機的大功率、高能耗、大體積，微型渦輪發(fā)動機體積小、重量輕，便于安裝，能夠滿足小型裝備的動力需求，適用于當前迅速發(fā)展的小型無人機。

和大、中型渦輪發(fā)動機一樣，微型渦輪發(fā)動機也分為微型渦噴、微型渦槳等類型，以微型渦噴發(fā)動機為例，一般將推力大于5000daN的發(fā)動機稱為大型，500～5000daN為中型，50～500daN為小型，小于50daN的為微型。此次UAVT推出的Monarch系列為微型渦輪螺旋槳發(fā)動機。

UAVT公司表示，隨著無人機任務需求的增加，一個可產(chǎn)生足夠電力的可靠的重油推進系統(tǒng)成為關鍵因素。推進系統(tǒng)是具有關鍵使能技術的系統(tǒng)，將進一步擴展未來無人機性能，也是其他技術所依賴的基礎。

Monarch渦輪螺旋槳技術旨在為中型商用和軍用無人飛行器提供可靠、高效、安全的推進系統(tǒng)，其關鍵的新功能包括使用重質燃料的能力、大修間隔時間延長至1,000～2,000h、可變螺距螺旋槳、低噪音、低振動水平等。目前，Monarch系列產(chǎn)品已準備好為行業(yè)提供卓越的性能和易用性以取代目前可靠性不強且需要大量維護的往復式發(fā)動機(活塞式發(fā)動機)。

作為Monarch系列產(chǎn)品的第一個型號，UTP50R推進系統(tǒng)配裝有同流換熱器、高速齒輪箱、變距螺旋槳及全權數(shù)字發(fā)動機控制(FADEC)。雖然UTP50R距離目標的200hp尚有一定的距離，但其仍在一定程度上驗證了渦輪推進技術在微小型發(fā)動機上的應用優(yōu)勢。

與活塞式發(fā)動機相比，UTP50R微型渦輪發(fā)動機具有如下優(yōu)勢：

高可靠性，大幅提高平均大修時間間隔

活塞發(fā)動機在外場使用時可靠性很低，平均大修時間間隔(MTBO)低于100h。微型渦輪發(fā)動機MTBO可達數(shù)千小時。UAVT的目標是使發(fā)動機的大修時間間隔提高到2000h以上，比現(xiàn)在為戰(zhàn)術型無人機提供動力的內燃機增加十倍。

推進性能好

UTP50R的核心機通過變速箱驅動可變螺距螺旋槳，從而實現(xiàn)更高的爬升率和速度。

動力強勁

燃氣渦輪發(fā)動機的循環(huán)過程比活塞式發(fā)動機簡單，沒有復雜的配氣機構、正時機構，對燃油沒有種類的限制，除柴油和汽油以外，可以將氫氣、CNG/LPG、酒精、煤油以及可再生燃油等作為燃料。UAVT推出的Monarch系列微型渦輪發(fā)動機將主要使用重質燃油，適合軍用，動力是目前所用電動機的2～3倍。

具有更低的燃油消耗和廢氣排放

微型燃氣渦輪發(fā)動機中的換熱器可將排氣產(chǎn)生的熱量用于給將要進入燃燒室的壓縮空氣加熱，在提升進氣溫度來降低燃油消耗的同時，可以配合稀薄燃燒等技術降低排放物中氮氧化物、一氧化碳與碳氫化合物等有害氣體，從而有利于滿足日漸苛刻的排放標準。

微型渦輪發(fā)動機面臨的挑戰(zhàn)

盡管微型渦輪發(fā)動機具有誘人的性能優(yōu)勢,但是由于小尺寸流動機械的氣動損失過大、內部傳熱、燃燒時間過短、零件的加工制造等問題，想要發(fā)揮出其理想的性能，依然面臨著多種技術難題。

流動損失

高效高速葉輪機是微型渦輪發(fā)動機的心臟。由于雷諾數(shù)比常規(guī)葉輪機小幾個數(shù)量級，而且因制造技術的限制，葉片不能做成三維形狀，所以微型葉輪機不是常規(guī)葉輪機的縮小型。目前的微機電制造技術只能制造出類似擠壓出來的平面幾何形狀，無法采用端壁和葉片造型來控制擴壓和減少邊界層分離。同時，無法制造出大型發(fā)動機在引導氣流拐彎時的導流葉片，從壓氣機出來的氣流經(jīng)過火焰穩(wěn)定器時會產(chǎn)生大的壓力損失和堵塞。

內部傳熱

由于發(fā)動機尺寸非常小，因此容易傳給壓氣機大量熱量，產(chǎn)生熱短路。

燃燒問題

微型渦輪發(fā)動機的燃燒室功能要求與大型發(fā)動機類似，但微型發(fā)動機的燃料在燃燒室的停留時間較短。為保證燃料充分霧化、蒸發(fā)、混合和產(chǎn)生化學反應，燃料在常規(guī)發(fā)動機燃燒室的停留時間為5～10ms，而在微型渦輪發(fā)動機內只有約0.1ms。目前考慮的解決辦法是將燃燒室做得盡可能大，研究中的微型渦輪發(fā)動機燃燒室的體積與發(fā)動機體積之比是大型發(fā)動機的約40倍，從而使燃料的停留時間達到0.5～1.0ms。此外，還考慮在壓氣機出口噴入燃料，使其在進入燃燒室之前與空氣混合。

制造工藝

在制造方面，微型渦輪發(fā)動機的關鍵工序是制造轉子軸承。軸頸從周圍的軸承材料在適當?shù)奈恢蒙衔g刻出來，形成的間隙就是空氣軸承。這項制造工藝的困難之處是如何保持精準的蝕刻間隙。此外，發(fā)動機部件的連接也是難點之一，可采用如下微機電技術：一是深反應離子蝕刻，即通過一系列淺蝕刻實現(xiàn)深蝕刻，在兩次蝕刻之間加一層防護涂層；二是晶片級的擴散連接，即在層與層之間以硅的固有強度連接在一起。

結束語

早在20世紀40～50年代，美國和法國就已經(jīng)啟動了微小型渦輪發(fā)動機的研究，主要用于裝備無人偵察、攻擊飛行器，包括機載彈藥、巡飛彈藥、小型無人機等。隨著加工工藝和材料、高速陶瓷軸承等相關技術的不斷進步，多種型號的產(chǎn)品不斷問世，目前美國精密自動化公司研制的微型渦噴發(fā)動機AT1700的推重比已經(jīng)達到10.5。此次UAVT公司研制的 Monarch RP系列微型渦輪發(fā)動機，已經(jīng)在可靠性方面取得了長足的進步，未來，微型渦輪發(fā)動機仍需要在進一步提高推重比、提高軸承使用壽命、降低燃油消耗、降低發(fā)動機噪聲等方面開展更多的探索和研究工作。鑒于微型渦輪發(fā)動機的優(yōu)越性能，或將成為未來無人機推進系統(tǒng)的新選擇。 ■