■ 陳迪 田佳浩 李明新 雷乾乾 / 中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院

中空長(zhǎng)航時(shí)（MALE）無(wú)人機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用，從平臺(tái)性能、載荷需求、機(jī)場(chǎng)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(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)這一核心關(guān)鍵設(shè)備提出了總體需求，對(duì)中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的型譜規(guī)劃、系列化發(fā)展、模塊化設(shè)計(jì)、研制思路、鑒定定型、全生命周期低成本要求帶來(lái)了思考和啟示。

由航天科技集團(tuán)研制的“彩虹” 系列中空長(zhǎng)航時(shí)（MALE）察打一體無(wú)人機(jī)，在去除火控及機(jī)載武器系統(tǒng)、敵我識(shí)別設(shè)備、軍用數(shù)據(jù)鏈等典型裝置，集成光電吊艙、測(cè)繪相機(jī)、激光雷達(dá)、高光譜相機(jī)等民用領(lǐng)域監(jiān)視測(cè)量載荷后，可廣泛服務(wù)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展。此類(lèi)無(wú)人機(jī)的廣泛應(yīng)用，可進(jìn)一步推動(dòng)中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的創(chuàng)新及發(fā)展。

動(dòng)力發(fā)展需求研究

中空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)動(dòng)力裝置普遍選取常規(guī)吸氣式小型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)或往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)，每一代無(wú)人機(jī)整機(jī)的升級(jí)換代都伴隨著發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的能力提升。新能源類(lèi)動(dòng)力裝置也在蓬勃發(fā)展中，但距離實(shí)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(guó)內(nèi)主流的幾款中空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)皆為軍民兩用型，民用平臺(tái)大部分基于前期的國(guó)內(nèi)軍用和軍貿(mào)無(wú)人機(jī)平臺(tái)適應(yīng)性改裝而成。相較于民用產(chǎn)品，軍用產(chǎn)品面對(duì)真實(shí)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、復(fù)雜的氣象和電磁場(chǎng)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(gòu)價(jià)格更高。

“彩虹”-4中空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)

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

活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)需求分析

中空長(zhǎng)航時(shí)固定翼無(wú)人機(jī)為實(shí)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(zhǎng)直機(jī)身“滑翔機(jī)”式設(shè)計(jì)，中小型活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)（≤300kW）因價(jià)格低、油耗低、技術(shù)成熟、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，輔以恒速螺旋槳，可以實(shí)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(dòng)機(jī)在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)依然會(huì)成為該類(lèi)無(wú)人機(jī)的首選動(dòng)力源，幾款典型航空活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 典型航空活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)主要指標(biāo)

出于航空活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)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(bǔ)鏈強(qiáng)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(dòng)機(jī)研制單位已經(jīng)開(kāi)展了國(guó)產(chǎn)化研制工作，并得到了廣泛驗(yàn)證。

重油發(fā)動(dòng)機(jī)需求

航空重油較常規(guī)的車(chē)用汽油和航空煤油安全系數(shù)高、燃燒效率高，也便于存儲(chǔ)和獲取。重油航空活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)多采用高壓共軌式供油，油耗低，可大大提升現(xiàn)有平臺(tái)的航時(shí)航程。美國(guó)在“捕食者”系列RQ-1的基礎(chǔ)上通過(guò)換裝重油發(fā)動(dòng)機(jī)升級(jí)為MQ-1C“灰鷹”后，起飛質(zhì)量由1t提高到了1.6t，航時(shí)從24h提高到了36h，核心性能和作戰(zhàn)能力大大提升。在滿(mǎn)足功率需求下的輕量化設(shè)計(jì)、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(dòng)機(jī)研制中的技術(shù)難點(diǎn)。

多級(jí)增壓技術(shù)

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

壽命評(píng)估及健康檢測(cè)技術(shù)

中空長(zhǎng)航時(shí)固定翼無(wú)人機(jī)飛行高度集中在5 ～10km范圍內(nèi)，平均飛行時(shí)長(zhǎng)在20h以上，飛行剖面相對(duì)簡(jiǎn)單。目前“彩虹”-3/4民用型選裝的Rotax 914發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)美國(guó)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(lái)看，發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到800h以后質(zhì)量問(wèn)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(jī)相比，中空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)因飛行高度更高、飛行時(shí)間更長(zhǎng)，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)載荷譜和熱力循環(huán)進(jìn)行適應(yīng)性評(píng)估，以重新制定首翻期和維修計(jì)劃。針對(duì)長(zhǎng)時(shí)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(dòng)機(jī)健康監(jiān)控系統(tǒng)變得尤為必要，可通過(guò)振動(dòng)監(jiān)測(cè)和在線診斷及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障征兆，并開(kāi)展預(yù)防性維護(hù)和修理工作。

渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)需求分析

中空長(zhǎng)航時(shí)垂直起降無(wú)人機(jī)市場(chǎng)需求旺盛，此類(lèi)無(wú)人機(jī)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(lèi)無(wú)人機(jī)平臺(tái)的典型特征，因此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)成為其首選動(dòng)力。

高速度飛行

發(fā)動(dòng)機(jī)典型故障表現(xiàn)

現(xiàn)階段無(wú)人直升機(jī)的速度包線基本被約束在Ma0.3以下，傾轉(zhuǎn)旋翼類(lèi)無(wú)人機(jī)既有直升機(jī)垂直起降的優(yōu)勢(shì)，又具備固定翼飛機(jī)速度快的特點(diǎn)，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(yùn)輸。此類(lèi)型無(wú)人機(jī)的最大飛行速度可達(dá)Ma0.4以上，因此為了突破發(fā)動(dòng)機(jī)速度包線以滿(mǎn)足無(wú)人機(jī)的使用要求，須針對(duì)現(xiàn)有的國(guó)產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)排氣系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行相應(yīng)的仿真計(jì)算、地面臺(tái)架試驗(yàn)和高空臺(tái)試驗(yàn)，為飛行性能評(píng)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(wú)人機(jī)不斷向多模態(tài)和高機(jī)動(dòng)方向拓展，對(duì)于需要兼顧多模態(tài)的旋翼分系統(tǒng)，對(duì)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(huì)導(dǎo)致單個(gè)模態(tài)下旋翼效率急速下降進(jìn)而造成飛機(jī)控制發(fā)散；此外，為適應(yīng)飛機(jī)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(dòng)機(jī)一般為單個(gè)恒轉(zhuǎn)速控制輸出，因此需通過(guò)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)控制率實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)恒速點(diǎn)的變轉(zhuǎn)速需求。

混合電推進(jìn)系統(tǒng)

與搭載傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行器相比，混合動(dòng)力飛行器具有節(jié)能環(huán)保、振動(dòng)量級(jí)和噪聲水平低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操縱便捷等優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)旋翼無(wú)人機(jī)，在起降階段和做高機(jī)動(dòng)飛行時(shí)，采用“渦軸+電機(jī)”的并聯(lián)式混合電推進(jìn)模式，既能提供充足的動(dòng)力來(lái)源，也能實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的快速響應(yīng)，以實(shí)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(dòng)機(jī)設(shè)定在最佳工作狀態(tài)，在降低油耗的同時(shí)，也能給儲(chǔ)能裝置充電。能源管理技術(shù)是混合電推進(jìn)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(dòng)態(tài)能量管理策略、能量的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制等均是研究的重點(diǎn)。

美國(guó)Predator B無(wú)人機(jī)與 TPE331-10T渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)

以色列Heron TP無(wú)人機(jī)與 PT6A-67A渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)

土耳其Akinci B無(wú)人機(jī)與AI-450T渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)

渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)需求分析

在中空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)領(lǐng)域，渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)比活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)具備更強(qiáng)優(yōu)勢(shì)：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(dòng)機(jī)的1kW/kg；高速旋轉(zhuǎn)部件比活塞式往復(fù)部件振動(dòng)量級(jí)更低；在8000 ～15000m高度具有更好的高空性能。目前國(guó)際上使用渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力的無(wú)人機(jī)平臺(tái)集中在5t級(jí)，主要有使用TPE331-10T渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的Predator B無(wú)人機(jī)、使用PT6A-67A渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的Heron TP無(wú)人機(jī)、使用AI-450T渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的Akinci B無(wú)人機(jī)，詳細(xì)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 典型渦槳型無(wú)人機(jī)主要指標(biāo)

更高電功率的提取

中空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)強(qiáng)調(diào)廣域、遠(yuǎn)距、綜合應(yīng)用，一般搭載合成孔徑雷達(dá)、衛(wèi)星通信設(shè)備、機(jī)載防撞系統(tǒng)、光電吊艙、語(yǔ)音電臺(tái)等應(yīng)用載荷。用電功耗的增加對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)電功率提取提出了更高的要求，例如，搭載500kW級(jí)軸功率的渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)需要提取15kW以上的電功率。此外單發(fā)無(wú)人機(jī)出于系統(tǒng)備份的考慮，至少要實(shí)現(xiàn)2臺(tái)機(jī)載發(fā)電機(jī)的共同發(fā)電輸出。需要發(fā)動(dòng)機(jī)研制單位在改型研制過(guò)程中增加電功率提取能力及裕度設(shè)計(jì)，并重點(diǎn)評(píng)估由于用電功率加大帶來(lái)的發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)

相比于通航有人機(jī)的飛行高度，需要評(píng)估中高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)用渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)潤(rùn)滑和冷卻。此外長(zhǎng)時(shí)間飛行，滑油消耗量也會(huì)加大，有必要進(jìn)行滑油筒擴(kuò)容，具備滑油液面監(jiān)測(cè)和低液位報(bào)警功能，進(jìn)一步保障發(fā)動(dòng)機(jī)工作安全和平臺(tái)飛行安全。

飛發(fā)槳一體化操控

渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的恒速或恒功率控制、電動(dòng)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(guò)飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、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(jì)，可以將發(fā)動(dòng)機(jī)起停、功率桿操縱、螺旋槳選速/順槳控制、飛機(jī)應(yīng)急手動(dòng)控制、引氣、放氣等操作集成至發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元或機(jī)電管理計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)最佳性能匹配輸出和一體化操控。

發(fā)動(dòng)機(jī)研制特點(diǎn)

隨著無(wú)人機(jī)這一新域新型航空產(chǎn)品的高速發(fā)展，用戶(hù)對(duì)飛行器平臺(tái)的使用要求必然會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的研制思路和特點(diǎn)發(fā)生變化。無(wú)人機(jī)平臺(tái)總體和發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)師應(yīng)緊密耦合、高效協(xié)同，在進(jìn)氣道與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配、排氣管與后機(jī)身安裝性能、環(huán)控引氣與性能、穩(wěn)定性分析、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻散熱器布局與飛行阻力分析等方面實(shí)現(xiàn)飛發(fā)一體化設(shè)計(jì)。

在研發(fā)理念上，要堅(jiān)持以需求為牽引，緊跟無(wú)人機(jī)總體要求，實(shí)現(xiàn)由技術(shù)供給向能力需求牽引的轉(zhuǎn)變；堅(jiān)持飛發(fā)一體化研發(fā)，飛行器平臺(tái)與動(dòng)力深度耦合，進(jìn)發(fā)排一體化設(shè)計(jì)；貫徹模塊化設(shè)計(jì)理念，具備健康監(jiān)測(cè)和在線診斷功能，降低運(yùn)維團(tuán)隊(duì)外場(chǎng)檢測(cè)檢修保障壓力；將國(guó)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(yàn)成本；堅(jiān)定低成本理念，控制全生命周期費(fèi)用。

在研發(fā)模式上，堅(jiān)持設(shè)計(jì)一步到位、能力逐步釋放的漸進(jìn)式研發(fā)；在初始能力階段，完成發(fā)動(dòng)機(jī)基本功能性能考核，后期隨著無(wú)人機(jī)共同迭代升級(jí)；在無(wú)人機(jī)上領(lǐng)先試用，在向總體交底的基礎(chǔ)上逐步放開(kāi)能力、壽命和使用限制；貫通設(shè)計(jì)、工藝、制造、檢測(cè)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(shí)單機(jī)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(yàn)證與鑒定試驗(yàn)并行，完成性能驗(yàn)證之后即可考慮無(wú)人機(jī)平臺(tái)掛飛；發(fā)動(dòng)機(jī)論證及總體設(shè)計(jì)階段，進(jìn)一步踐行核心機(jī)架構(gòu)設(shè)計(jì)，力爭(zhēng)達(dá)到系統(tǒng)組合化、部件模塊化和設(shè)備通用化。

結(jié)束語(yǔ)

中空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)在服務(wù)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展中已經(jīng)展現(xiàn)了多元化應(yīng)用，未來(lái)隨著通航產(chǎn)業(yè)的進(jìn)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(lèi)無(wú)人機(jī)將會(huì)在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)繼續(xù)保持蓬勃生命力。無(wú)人機(jī)既可以作為新型民用載荷的搭載集成平臺(tái)，又可以作為新研新改發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行試驗(yàn)載機(jī)平臺(tái)，與發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)地面試驗(yàn)、高空臺(tái)試驗(yàn)互為補(bǔ)充、相互驗(yàn)證，進(jìn)一步縮短研制周期，降低研制成本，支撐我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。