■ 宋漢強(qiáng) 張光智 沈勛 / 海軍研究院

純電/混合電推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)在本質(zhì)上屬于多技術(shù)集成，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)、電池等單項(xiàng)技術(shù)的模塊化并行發(fā)展，可以快速轉(zhuǎn)化成裝備，滿足海軍無人機(jī)對中小推力/功率動(dòng)力系統(tǒng)的需求。

長期以來， “需求牽引、技術(shù)推動(dòng)”是武器裝備發(fā)展的總體思路。在航空動(dòng)力系統(tǒng)的活塞時(shí)代（第一時(shí)代）和渦輪時(shí)代（第二時(shí)代），航空動(dòng)力發(fā)展以飛機(jī)的“需求牽引”為主。而在碳達(dá)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(dòng)力發(fā)展進(jìn)入以純電/混合電推進(jìn)為代表的電氣化時(shí)代（第三時(shí)代）[1-2]。純電/混合電推進(jìn)本質(zhì)上屬于多技術(shù)集成，具有典型的“技術(shù)推動(dòng)”特征，可以滿足未來海軍用中小型無人裝備發(fā)展的動(dòng)力需求。

美國海軍中小型無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

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

美國海軍管式發(fā)射的“郊狼”無人機(jī)集群

潛射無人機(jī)需要跨水空介質(zhì)使用，尤其對于須具備水下機(jī)動(dòng)能力的裝備，在水下可采用固體燃料或者電力驅(qū)動(dòng)，在空中可采用傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)，純電/混合電推進(jìn)是理想的動(dòng)力形式。從20世紀(jì)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(yàn)性潛射無人機(jī)。除“鸕鶿”屬于大型潛射無人機(jī)外，其余均屬于小型無人機(jī)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(dòng)力。

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

美國空軍“敏捷至上”項(xiàng)目中純電/混合電推進(jìn)飛機(jī)平臺

短期內(nèi)大型艦載無人機(jī)平臺依然以傳統(tǒng)構(gòu)型動(dòng)力為主；而適配多樣化任務(wù)的中小型無人機(jī)平臺主要承擔(dān)偵察、監(jiān)視、預(yù)警、通信中繼和運(yùn)輸?shù)热蝿?wù)，對動(dòng)力需求集中在中小推力/功率，與當(dāng)前的純電/混合電推進(jìn)發(fā)展態(tài)勢極其匹配。在美國空軍的“敏捷至上”項(xiàng)目中[4]，已探索了電動(dòng)垂直起降飛行器的應(yīng)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(yùn)輸?shù)热蝿?wù)，整體上分為3個(gè)不同等級的飛機(jī)平臺，包括大型載人類、小型載人類和運(yùn)輸類。由于各平臺采取的都是旋翼構(gòu)型，具備垂直起降能力，在針對腐蝕防護(hù)采取適應(yīng)性改進(jìn)后也可滿足海軍艦載使用需求。

需求分析

對于混合電推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)，飛機(jī)平臺關(guān)心的是對整體的貢獻(xiàn)。相比于傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)的推力、耗油率、推力/功率質(zhì)量比等頂層指標(biāo)，混合電推進(jìn)具備獨(dú)特的特征，實(shí)質(zhì)上可等效為發(fā)電機(jī)組的航空應(yīng)用，在不同功率量級下，可用等效燃油消耗率和等效功率/質(zhì)量比加以評價(jià)[5]。從海軍使用場景上看，為滿足多樣化任務(wù)需求，主要集中在跨介質(zhì)無人機(jī)（包括潛射無人機(jī)、潛水無人機(jī)等）、艦載無人機(jī)，以及無人機(jī)集群等方面。其共性需求主要集中在以下方面。

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

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

三是海洋環(huán)境適應(yīng)性要求，對于配裝海軍飛機(jī)平臺使用的動(dòng)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(hù)和霉菌等要求；在艦載環(huán)境中，還需滿足酸性大氣、復(fù)雜電磁環(huán)境等使用要求。因此，在材料選取、腐蝕防護(hù)涂層、“艦—機(jī)—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(shè)計(jì)等方面，對電推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)提出了特有的海洋環(huán)境下適應(yīng)要求。

除共性需求外，為適配不同任務(wù)場景，配裝不同類型飛機(jī)平臺的動(dòng)力要具備其特有的任務(wù)特征。在跨介質(zhì)無人機(jī)領(lǐng)域，目前在發(fā)展和驗(yàn)證的計(jì)劃中均存在水下機(jī)動(dòng)能力不足的缺點(diǎn)，在一定程度上無法全面滿足潛艇隱身的需求，因此，動(dòng)力系統(tǒng)需求重點(diǎn)集中在水下續(xù)航、水下機(jī)動(dòng)、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(dòng)推進(jìn)的核心需求；在空投無人機(jī)、艦載無人機(jī)和無人機(jī)集群方面，在承擔(dān)偵察、預(yù)警、中繼類等任務(wù)時(shí)，通常對航時(shí)、航程要求較高。因此，對純電/混合電推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)的需求主要集中在能量利用效率上，純電推進(jìn)重點(diǎn)在高能量密度電池綜合能總量，混合電推進(jìn)重點(diǎn)集中于始終使傳統(tǒng)構(gòu)型發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳巡航狀態(tài)點(diǎn)，以滿足飛機(jī)平臺多樣化任務(wù)能力需求。對于承擔(dān)一定攻擊任務(wù)的無人機(jī)，則對飛行速度、低噪聲、強(qiáng)隱身等提出明顯需求。

關(guān)鍵技術(shù)

純電/混合電推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)的直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換形式，而是先將全部或部分能量轉(zhuǎn)換為電能，利用電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能產(chǎn)生飛機(jī)所需的動(dòng)力。其關(guān)鍵不在于推進(jìn)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效益，而在于飛機(jī)平臺總體收益。由于對機(jī)械能開展能量管理所需機(jī)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)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(guān)特性，在電能管理過程中，能量損耗極低，使得飛機(jī)平臺氣動(dòng)設(shè)計(jì)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(jī)平臺靈活布局帶來了收益。有研究表明，電推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)可將能量利用效率從目前渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的40%左右[6]提升至70%左右[7]。純電/混合電推進(jìn)需要突破以下關(guān)鍵技術(shù)。

一是混合動(dòng)力系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)技術(shù)，重點(diǎn)是瞄準(zhǔn)飛機(jī)平臺，形成面向任務(wù)需求、滿足使用環(huán)境的無人機(jī)混合電推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

二是高效高功率質(zhì)量比電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)技術(shù)，將直接決定飛機(jī)的性能，是保證飛機(jī)平臺載荷的重要前提。

三是能量綜合管理技術(shù)，突破根據(jù)任務(wù)需求的能量管理技術(shù)，是推動(dòng)飛機(jī)由傳統(tǒng)架構(gòu)向電動(dòng)飛機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵因素。

四是高能量密度儲能技術(shù)，作為純電推進(jìn)飛機(jī)的能量來源，直接決定了飛機(jī)的質(zhì)量等級，混合電推進(jìn)的儲能裝置，決定了最大起飛質(zhì)量和載荷等，是突破傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)多狀態(tài)點(diǎn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素，且發(fā)展?jié)摿Υ螅磥砜赏ㄟ^新型高能電池實(shí)現(xiàn)，包括氫燃料電池、高能量密度鋰電池等。

結(jié)束語

純電/混合電推進(jìn)是由技術(shù)集成創(chuàng)新帶來的新構(gòu)型產(chǎn)品，區(qū)別于傳統(tǒng)以需求牽引為主的發(fā)展模式，其“技術(shù)推動(dòng)”特征更為明顯，包括發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)、電池技術(shù)、綜合熱管理技術(shù)，以及飛發(fā)高度一體化設(shè)計(jì)、人工智能技術(shù)集成等。從美國“敏捷至上”項(xiàng)目中純電/混合電推進(jìn)飛機(jī)平臺發(fā)展路線看，更趨向于在大量的民用技術(shù)成熟后向軍用轉(zhuǎn)化的發(fā)展路徑。目前中小型無人機(jī)發(fā)展火熱，城市空中交通、物流、特種應(yīng)用等市場需求巨大，因此，新形勢下要充分吸收民用領(lǐng)域的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，迅速借鑒、轉(zhuǎn)化和吸收其技術(shù)成果，發(fā)揮市場引導(dǎo)技術(shù)創(chuàng)新的主導(dǎo)作用，走出一條純電/混合電推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)在海軍無人機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展道路。