小型和微型飛行器動力裝置的現狀與發(fā)展

徐 輝，王春利，趙勝海，任志文（.中國人民解放軍海軍駐南昌地區(qū)航空軍事代表室，江西南昌，33004 .航空工業(yè)洪都，江西南昌，33004）

0 引言

近年來，隨著航空科學技術日新月異的發(fā)展，小型和微型飛行器得到了各個國家的高度重視?！芭c常規(guī)無人飛行器相比,小型和微型飛行器具有體積小、質量輕、成本低的優(yōu)勢,它操縱方便、機動靈活、噪音小、隱蔽性好,無論是在軍事領域還是在民用領域,都有十分誘人的應用前景?！盵1]

目前，無人飛行器常用的動力裝置包括活塞發(fā)動機、轉子發(fā)動機、渦噴發(fā)動機、渦扇發(fā)動機、渦槳發(fā)動機、渦軸發(fā)動機，以及電池驅動的電動機等[2]。在進行微小型飛行器動力裝置選型論證時，從以上諸多的發(fā)動機類型中選擇合適的發(fā)動機，對于飛行器設計人員而言是一項繁瑣而艱巨的任務。

本文基于國內外小型和微型飛行器的動力裝置應用實例，從飛行器的總體布局、戰(zhàn)技要求、尺寸、重量、航程、航時等方面考慮，梳理了微型飛行器動力裝置的選型思路，并且探討了動力裝置現狀及發(fā)展。

1 小型無人機（SUAV）和微型飛行器（MAV）動力裝置的應用現狀

文獻[3]認為“SUAV在20～100km/h巡航速度下有盡可能長的留空時間,巡航高度3～300m,具備全天候能力，翼展小于6m，質量小于25kg”,但是這個定義有待商榷，這里將質量小于150～200kg的飛行器都視為SUAV。相對而言，MAV一般要求翼展小于150mm，質量小于0.1kg。

在進行微小型無人飛行器發(fā)動機的選擇時，不僅要參考飛行器的性能要求，而且也要考慮當時發(fā)動機的技術水平、研制進度要求和經濟成本。

表1列舉了國內外主要的小型和微型飛行器所使用的動力裝置，從中可以看出電動發(fā)動機、渦噴發(fā)動機和活塞發(fā)動機成為這一類飛行器的常備發(fā)動機。

表1部分微小型飛行器技術參數及其動力裝置

結合表2和文中關于SUAV和MAV的定義，從起飛質量方面考慮基本可以將渦軸、渦槳和渦扇發(fā)動機排除在小型和微型飛行器動力裝置的備選項之外。進一步地，綜合文獻[4]和文獻[5]的觀點，SUAV和MAV飛行器常用的渦噴發(fā)動機可以根據推力大小來劃分級別，將推力在100～2000daN區(qū)間的發(fā)動機歸類為小型渦噴發(fā)動機；將推力小于100daN的發(fā)動機歸類為微型渦噴發(fā)動機。

需要特別指出的是，美國LOCAAS小型巡飛彈（見圖1）所使用的渦噴發(fā)動機為Technical Directions公司的TDI-J45發(fā)動機（見圖2），該款發(fā)動機推力為13.3daN，具備空中點火起動能力，并且可以提供1.2kw的發(fā)電量。圖3展示了美國使用活塞發(fā)動機的涵道風扇式環(huán)翼無人機CypherⅠ與CypherⅡ，而參考圖4，以德國3W公司的產品為代表，小功率重油活塞發(fā)動機以其特有的優(yōu)勢也在小型和微型飛行器動力裝置上占有一席之地[8]。

表2不同的動力裝置所適用的飛行器

圖1美國小型巡飛彈LOCAAS

圖2 Technical Directions公司的TDI-J45發(fā)動機

根據表1～表2對彈、無人機、靶機和航空模型等飛行器上使用的幾種主要發(fā)動機特性所進行的分析，確認將電動發(fā)動機、活塞發(fā)動機和渦噴/渦扇發(fā)動機作為小型和微型飛行器的待選發(fā)動機。

2 小型無人機（SUAV）和微型飛行器（MAV）動力裝置的關鍵技術

2.1 電動發(fā)動機

電動發(fā)動機的能量源主要包含鋰離子電池、燃料電池和太陽能電池等幾個類別，當然電池也可以作為混合動力裝置的能量源[9-11]。

2.1.1鋰離子電池

鋰離子電池具有比能量高、低自放電、循環(huán)性能好、無記憶效應和綠色環(huán)保等優(yōu)點，是目前最具發(fā)展前景的高效二次電池和發(fā)展最快的化學儲能電源。以當前的技術水平，鋰離子電池能量密度遠低于燃油能量密度，這就導致電動飛行器續(xù)航性能不足，因此如何設計高效的電動推進系統(tǒng)是提升航時的重點。而制約高性能鋰離子電池性能提升的關鍵因素是缺乏系統(tǒng)化的鋰離子電池電化學理論、新的鋰離子電池體系以及高性能儲鋰材料。研究方向主要包括兩個方面：一個是鋰離子電池電極材料；另一個就是電解質。

圖3美國Cypher涵道風扇式環(huán)翼無人機

圖4 3W公司的28mL重油活塞發(fā)動機

2.1.2燃料電池

燃料電池無人機不僅綠色環(huán)保，而且工作溫度低、噪音小、易于維護，非常適合用于環(huán)境監(jiān)測、戰(zhàn)場偵察等領域。燃料電池從氫氣中分離出電子后，剩下的氫離子在燃料電池的另一面同氧氣結合形成水，這些水最后以水蒸氣的形式蒸發(fā)排出。研究認為，液態(tài)氫的密度要比氣態(tài)氫高出兩倍,配備燃料電池的飛行器續(xù)航時長可以達到12h以上。

燃料電池的研究主要集中在以下幾個方面：首先是新型燃料電池催化劑的研究，尋找替代稀有金屬Pt的催化劑，降低電池成本；其次是水循環(huán)及熱管理系統(tǒng)的研究，設計良好的循環(huán)冷卻系統(tǒng)，確保燃料電池工作在最佳溫度區(qū)間；第三點是提高燃料電池壽命，研制新型控制系統(tǒng)，以優(yōu)化頻繁的工況變化對電池性能和壽命的影響。

2.1.3太陽能電池

太陽能無人機具有飛得高、續(xù)航時間長和飛行距離遠的特點，是一個理想的空中飛行平臺。輕質、高效太陽能電池的研制與應用技術是太陽能無人機設計、制造過程中所涉及到的關鍵技術之一。

在保留的小型長航時飛行器原動力裝置（重油活塞發(fā)動機、鋰電池、氫燃料電池）的基礎上，通過把輕薄的太陽能電池集成到武器系統(tǒng)的彈翼上方可使飛行時間增加4倍以上。

2.2 活塞發(fā)動機

從應用角度考慮，需要重點發(fā)展基于點燃式重油活塞發(fā)動機的涵道風扇動力系統(tǒng)，主要涵蓋了兩項關鍵技術：一是由于無人機體積和結構設計限制，必須集成內置發(fā)電機和涵道風扇提供推力；另一點，從海軍裝備儲運安全和使用維護等方面考慮，需要采用重油作為活塞發(fā)動機的燃料。此外，如果無人機由載機平臺空中發(fā)射，其使用環(huán)境和使用特點有別于傳統(tǒng)地面發(fā)射的無人機，則對發(fā)動機的要求也存在特殊性，所以要求動力裝置能夠在空中點火起動。對于這三個方面的關鍵技術，國內的研究基礎仍較薄弱，給動力系統(tǒng)的設計帶來巨大的挑戰(zhàn)。

1)重油發(fā)動機的研制

將國內外典型的汽油機作為參考樣機，借鑒成熟的航空活塞發(fā)動機研制思路，在實現汽油機電噴控制改型的基礎上，通過增加二次霧化裝置，匹配與優(yōu)化電噴控制策略，完成重油活塞發(fā)動機的研制。

2)重油發(fā)動機高空冷起動技術

在重油發(fā)動機樣機臺架性能達標的基礎上，摸索其高空性能和高空冷起動邊界，采用可分離式的起動電源和起動電機設計，在實驗室環(huán)境和模擬高空傘降方式下驗證其起動可靠性，起動有效高度范圍。

3)集成內置發(fā)電機的涵道風扇設計

采用CFD三維流體分析的方法，設計高效低阻涵道風扇葉片，風扇轉子采用特殊的支點布局，在轉子后支點處設置內置式發(fā)電機。風扇轉子由重油發(fā)動機直接驅動或齒輪傳動方式驅動工作，在地面臺架上完成其功能和性能驗證。

2.3 渦噴發(fā)動機

從對國外同類發(fā)動機的分析,結合國內小微型渦輪發(fā)動機的經驗,在研制該類發(fā)動機時,需要突破壓縮系統(tǒng)技術、先進燃燒技術、先進材料技術、低成本設計制造技術、發(fā)動機與飛行器一體化設計技術等關鍵技術。

此外,對于小微型燃氣渦輪發(fā)動機，從國外發(fā)展趨勢來看，尤其應該重視電動油泵、混油或油霧潤滑、發(fā)動機FADEC(Full Authority Digital Electronic Control)控制、微型傳感器、高溫高速陶瓷軸承、高轉速微型起動/發(fā)電機等前沿技術的研究[12]。

3 小型無人機（SUAV）和微型飛行器（MAV）動力裝置的發(fā)展趨勢

本節(jié)仍然從電動發(fā)動機、活塞發(fā)動機和渦噴發(fā)動機三種發(fā)動機類型來探討SUAV和MAV動力裝置的發(fā)展趨勢[13，14]。

3.1 電動發(fā)動機

與相同質量的可充電鎳鉻電池比較,鋰離子或薄膜電池可多輸出幾倍能量,缺點是放電率低和能量密度不夠,不足以支持微型飛行器長航時飛行。若以鋰離子電池的能量密度來衡量，鋰離子電池質量比能量約為120 W·h/kg～200W·h/kg，遠低于燃油的比能量約12kW·h/kg，僅能滿足電池動力系統(tǒng)的最低需求，難以達到10h以上長航時的要求。為使鋰離子電池動力系統(tǒng)達到渦噴/渦扇發(fā)動機或內燃機動力系統(tǒng)相當的水平，比能量需要提高20倍以上[15]。

目前燃料電池技術還不成熟,研究人員希望燃料電池能量密度至少大于鋰離子電池2～4倍。燃料電池主要面臨在復雜工況變化條件下的快速衰減，還有電池防高溫和防冰凍以及燃料儲備等問題，唯有解決這些技術瓶頸，才能達到技術成熟度要求并裝備于小型長航時飛行器等導彈和無人機。

相比鋰離子電池和燃料電池，太陽能混合電池動力依賴前者的研究進展，現在太陽能/鋰電池混合動力已經是SUAV常用動力，持續(xù)提升續(xù)航時間和航程是其發(fā)展趨勢。

3.2 活塞發(fā)動機

重油不容易發(fā)生意外燃燒事故，因而在軍隊后勤系統(tǒng)中易于儲存和運輸，正迅速成為軍隊必不可少的軍需品，軍用小微型飛行器適合采用重油活塞發(fā)動機。

當前無人機選用的幾種典型活塞發(fā)動機主要生產國有美國、奧地利、德國和加拿大。以美國為例，重油航空活塞發(fā)動機的研制主要有兩個技術路線：其中波音/Insitu公司的“掃描鷹”無人機所裝備的重油發(fā)動機是由汽油發(fā)動機改造而來；Raytheon公司為“殺人蜂-3”無人機提供的則是全新研發(fā)的XRDI小型重油發(fā)動機。

國內活塞式航空重油發(fā)動機大多處于基礎研究階段，目前還沒有正式生產重油航空活塞發(fā)動機方面的報道，其中，總參六十所自主研制了5～10kw的航空活塞發(fā)動機，并對空中點火和內置發(fā)電機等技術都進行了技術攻關。

3.3 渦噴發(fā)動機

未來微型渦噴發(fā)動機的發(fā)展方向，主要體現在更高的性能、更輕的質量、更低的油耗、更低的成本和更小的尺寸幾個方面。

4 結語

本文論述了渦噴發(fā)動機、活塞發(fā)動機和電動發(fā)動機等作為小微型飛行器動力裝置的重要地位，分析了以上發(fā)動機各自的特點和適用范圍，并探討了各類發(fā)動機的應用關鍵技術以及發(fā)展趨勢，為小型和微型飛行器動力裝置的選型提供了參考依據。