微小型渦輪無人機發動機發展綜述

常國強 王海朋

微小型渦輪發動機源于航空發動機，但在設計思路與結構上又與航空發動機有較大的不同。本文詳細闡述了微小型渦輪發動機的技術特點，回顧了微小型渦輪發動機的發展歷程，分析了國內微小型渦輪發動機發展所面臨的困難，探討了部分可能的解決途徑，并對未來的發展方向做了預測。

從1937年4月惠特爾爵士制造的第一臺離心式噴氣發動機首次試車開始計算，渦輪噴氣（風扇）發動機的發展歷史已有80多年。行業內通常將地面靜止推力在500daN以下的渦輪噴氣（風扇）發動機歸類為微小型渦輪發動機，主要作為各種小型高速無人機、巡航導彈的動力裝置，為維持飛行持續提供所需的推力、電力及壓縮空氣。小型高速無人機又可分為小型高速平臺類無人機、高速靶機。通常，高速靶機的使用壽命不超過10個飛行小時或10個飛行架次，對配裝的發動機的使用壽命要求為20～30h。巡航導彈使用的微小型渦輪發動機屬于一次性使用的產品，其使用壽命要求隨導彈的任務剖面變化而變化。導彈射程在500km以下，發動機使用壽命要求為5～10h;導彈射程在1000km以上，發動機使用壽命要求為10～50h。從上述分析可知，在對發動機使用壽命指標要求上，高速靶機與巡航導彈比較接近。從國外微小型渦輪發動機發展情況來看，高速靶機使用的微小型渦輪發動機，其核心機平臺通常可以衍生出巡航導彈使用的發動機。對比高速靶機與巡航導彈，小型高速平臺類無人機的使用壽命要長很多，對配裝發動機的技術性能要求差異大，發動機的設計思路與結構形式也不相同。

本文主要從高速靶機與巡航導彈使用的微小型渦輪發動機技術特點、國外發展歷程、國內發展現狀、國內發展面臨的困難及解決途徑設想、未來發展趨勢等方面進行論述。

微小型渦輪發動機的技術特點

微小型渦輪發動機源于航空渦輪發動機，但設計思路與結構又與航空渦輪發動機有較大不同，絕不是航空渦輪發動機的簡單縮比，采用航空發動機的設計思路是無法設計出滿足使用要求的微小型渦輪發動機產品。

應用對象對動力裝置的特殊要求決定了微小型渦輪發動機的技術特點異于航空渦輪發動機，這主要有：

（1）在滿足使用需求的前提下，微小型渦輪發動機傾向選用低成本的總體與零部件的設計路線，不片面追求發動機的性能指標。在滿足總體性能要求的前提下，通過對發動機熱力循環參數的優化匹配，降低對有可能導致整機制造成本上升的部件設計的指標要求，比如渦輪前總溫T^*₄或壓氣機增壓比Pr^*₃，進而選擇性價比更優的材料或成型工藝;在部件設計層面，通過優化燃燒室火焰筒壁面氣膜設計結構，控制火焰筒壁面溫度，選擇廉價的不銹鋼替代高溫合金作為火焰筒的材料，從而降低材料與制造成本;

（2）微小型渦輪發動機軸系結構較為簡單，多采用單軸結構，壓氣機級數通常不超過三級，且最后一級多為離心式;

（3）微小型渦輪發動機壓氣機與渦輪部件，通常采用整體數控加工或整體精鑄成型，可大幅減少發動機零件數量，降低系統復雜程度，提高工作可靠性;

（4）在滿足使用壽命的前提下，微小型渦輪發動機多采用混合油（燃油中添加一定比例的潤滑油）消耗式潤滑結構或帶盛油器的自潤滑方式替代傳統的閉式循環潤滑系統，可大幅減輕發動機重量、降低成本;

（5）在供油系統上，微小型渦輪發動機多采用電動齒輪泵替代傳統的機械傳動燃油泵，減輕了系統重量;

（6）在發電系統上，微小型渦輪發動機通常采用高速同步發電機，減小了發電系統的體積與重量;

（7）在起動點火系統上，微小型渦輪發動機通常采用電機、風車、高壓空氣或火藥沖擊帶轉軸系，采用煙火、高能電點火器點火，結構較為簡單，系統重量較輕;

（8）在使用與維護方面，首翻期制度基本上不再適用于微小型渦輪發動機日常維護。對于巡航導彈使用的微小型渦輪發動機，為適應其“長期貯存、一次使用”的技術特點，在貯存期內，多采用定期檢查或免維護制度，使發動機的可靠性保持在一個可接受的水平。對于高速靶機使用的微小型渦輪發動機，主要依賴外場發動機狀態定期檢查與簡易維護來保證發動機的可靠性，檢查、維護周期通常與靶機整機保持一致。

無論是高速靶機還是巡航導彈，對發動機的成本指標要求較高，而選擇合理的設計方法是實現低成本的最有效手段，對照國外水平微小型渦輪發動機的批產成本目標是0.1萬/daN。

通過上述的設計方法，還可以大幅提高微小型渦輪發動機的推重比。目前，國外微小型渦輪發動機的最高推重比可以做到11～15，在國內，盡管受到渦輪材料耐溫性能不足的制約，最高水平也可以做到9～10量級推重比。

國外發展歷程

20世紀50年代初，美國首次嘗試將航空渦噴發動機應用于巡航導彈領域，發展出了諸如“天獅星”系列、“斗牛士”、“鯊蛇”等戰略巡航導彈。在使用過程中發現，航空渦噴發動機結構復雜、成本高、體積大、使用維護不便，很難滿足導彈武器系統進一步發展的需要。

在此之后，西方國家開始從巡航導彈、高速靶機的動力裝置實際使用需求的角度出發，研究與發展適配的微小型渦輪發動機。如美國大陸發動機公司（后并入特里達因CAE公司）在20世紀60年代發展的J69系列的小型渦輪噴氣發動機，有兩個系列，即應用于教練機的長壽命發動機和應用于高速靶機上的短壽命發動機。短壽命型的發動機初期結構與長壽命型相同，但前者渦輪前溫度更高、推力更大、翻修間隔時間更短。盡管已取得了較大的進步，但J69系列發動機仍保留了很多航空渦噴發動機的烙印。20世紀70年代，特里達因CAE公司在J69系列發動機的基礎上，研制了J402系列微小型渦輪噴氣發動機（見圖1），應用于美國海軍的“捕鯨叉”巡航導彈，后續發展型號也在美軍高速靶機中得到了應用。相比J69，J402發動機采用了大量新設計的整體鑄件，轉子系的零件數量由J69的149件減少至16件，并采用盛油器滴定潤滑（滾球軸承）和潤滑脂填充潤滑（后滾棒軸承）代替了J69閉式循環潤滑系統。通過這些改進，簡化J402發動機的結構，提升了發動機的維修性與可靠性，減少了對外場保障資源的需求，發動機主要性能指標也有較大提升，使之成為了一款較為經典的適配于高速靶機、巡航導彈的微小型渦輪發動機。

20世紀60、70年代是西方微小型渦輪發動機發展的黃金時期，現在一些耳熟能詳的經典的發動機產品均是在這個時期內發展成熟的，如應用于各種型號“戰斧”巡航導彈上的美國威廉姆斯公司的F107系列彈用渦扇發動機，應用于MQM-74系列、BQM74系列高速靶機的美國威廉姆斯公司的WR24系列微小型渦噴發動機，廣泛應用于各種戰術巡航導彈、高速靶機、遙控飛機等平臺的法國微型渦輪發動機公司的TR160系列（見圖2）與TRS18系列微小型渦噴發動機，以及應用于精確打擊彈藥與試驗無人機的美國漢密爾頓公司的TJ30、TJ50、TJ90、TJ120等系列微小型渦噴發動機（見圖3）。經過了50多年的發展，西方發達國家在微小型渦輪發動機系列化研制與工程化應用方面的體系已較為成熟，技術水平較高。

國內發展現狀

與西方發達國家相比，國內在微小型渦輪發動機領域起步較晚，盡管發展較為迅速，但在技術水平上仍有較大差距。通過公開報道、各種展會及文獻資料等渠道獲知，中國航天科工集團第三十一研究所從上世紀90年代初開始進行微小型渦輪發動機產品的研制工作，產品集中在300～400daN推力量級，主要應用對象為“鷹擊”系列反艦與對陸攻擊的長程亞聲速巡航導彈。中國科學院工程熱物理研究所約在“十一五”末開始啟動微小型渦輪發動機的研制工作，目前在研500daN級、1000daN級渦扇發動機，主要應用對象為公務機、平臺類長航時無人機。受高速靶機業務需求的驅動，第六十研究所于本世紀初啟動微小型渦輪發動機產品的研制工作，先后研制了40daN、60daN、80daN、110daN、150daN、200daN等多個推力級別的微小型渦噴發動機（見圖4），廣泛應用于各型高速靶機中，服務于我軍防空武器裝備試驗與鑒定、部隊防空反導訓練。受益于靶機產品在全軍及工業部門的大力推廣與應用，六十所發動機產品譜系豐富，工程應用和規模化量產能力在國內居于領先地位。

前述三個單位微小型渦輪發動機產品序列發展情況基本代表了國內微小型渦輪發動機發展的現狀。可以看出，當前國內200daN以內推力級別的微小型渦噴發動機產品型譜已經發展的比較完善，技術水平與國外同類產品也相差不大，而200～500daN推力級別的微小型渦噴與渦扇產品種類較少，且產品的技術水平也僅與西方20世紀70年代的產品相當。

面臨的困難及解決途徑設想

經過了二十多年的發展，國內一些主要的微小型渦輪發動機研制單位均走上了自主研制的道路，也遭遇了諸多困難，主要體現為：

（1）缺少適用的設計規范

相比西方發達國家，國內在航空發動機領域本身基礎就比較薄弱，而在國家投入較少的微小型渦輪發動機領域，這種差距更大，尤其體現在設計規范方面。相對于航空發動機而言，目前國內微小型渦輪發動機行業，缺少適用的指導性設計規范，對各單位研制的微小型渦輪發動機鑒定與評價沒有統一的標準，這不利于行業的長期健康發展。

（2）缺少專業的發動機附件配套單位

與附件配套相對完整的國內航空發動機產業相比，微小型渦輪發動機專業附件配套單位十分稀缺，尤其在電動齒輪泵、燃油調節閥方面。相比航空發動機，微小型渦輪發動機燃油流量要小得多，現有的航空發動機配套廠家沒有適合的泵、閥類產品，均需要新研，造成附件研制周期與成本難以控制，這也是制約微小型渦輪發動機批產目標成本進一步降低的重要因素。如果選用行業外的單位進行附件系統研制，產品成本可以控制，但產品的性能與質量穩定性難以保證。

對于此問題，綜合考慮，多數微小型渦輪發動機研制單位仍會傾向于選擇航空發動機行業配套廠家作為自身的附件配套單位，在研發與生產環節，通過走民品的質量控制程序，縮短研制周期、降低生產成本，以適用于微小型渦輪發動機這一特殊應用領域。

（3）缺少高耐溫性能渦輪材料

受結構尺寸與成本制約，目前國內微小型渦輪發動機的渦輪導向器與渦輪轉子通常采用等軸晶高溫鑄造合金整體精鑄成型，且均不采用氣膜冷卻。目前，在不采用氣膜冷卻的條件下，國內已有的等軸晶高溫鑄造合金制成的渦輪導向器最高耐溫極限在1000℃附近，這是制約國內微小型渦輪發動機性能進一步提升的最關鍵的因素之一。在國外，采用陶瓷基復合材料制成的渦輪導向器與渦輪轉子已逐步在微小型渦輪發動機上投入應用，發動機渦輪前理論溫度可以提高至1300℃。與國外相比，國內在高耐溫性能渦輪材料方面尚未有突破。

（4）高速與超高速滾球軸承尚嚴重依賴于進口

微小型渦輪發動機的工作轉速通常是航空發動機的幾倍甚至十幾倍，而大多又不設置獨立的潤滑系統，而是采用燃油添加一定比例滑油的方法潤滑，潤滑效果差，軸承工作環境更加惡劣。目前，國內微小型渦輪發動機使用的高速與超高速滾球軸承嚴重依賴于進口，尤其是更高性能的陶瓷軸承，國內尚無廠家能提供穩定可靠的產品。

軸承是微小型渦輪發動機至關重要的零件，軸承的使用壽命決定了發動機的使用壽命。近幾年，國內一些民營企業開始涉足高速與超高速滾球軸承領域，可以替代部分進口產品，但產品品質和可靠性與進口產品相比仍有較大差距，技術水平亟待提升。國家級的軸承研制單位對微小型渦輪發動機使用的高速與超高速軸承關注力度較小，提供的可用產品較少，且相對于進口產品，成本也不占優勢。

未來發展趨勢

為提升突防能力，巡航導彈目前在向超聲速/高超聲速發展;為逼真模擬超聲速戰斗機、巡航導彈，高速靶機也在向超聲速、高超聲速方向發展。為滿足應用對象發展變化的需求，微小型渦輪發動機也急需向更高的技術水準邁進。

（1）小型渦噴/沖壓組合發動機是未來重要的發展方向

渦噴/沖壓組合發動機把渦噴發動機和沖壓發動機組合在一個推進裝置中，使之可以在亞聲速、超聲速甚至在高超聲速下有效地工作。在此類組合發動機中，渦噴發動機的加力燃燒室與沖壓發動機共用同一燃燒室，通過發動機進氣段旁路風門的開閉來實現發動機工作模式切換（見圖5）。

隨著中心駐渦、旁側凹腔、一體化整流支板等新型火焰穩定器技術的出現與發展，使得小尺寸加力燃燒室與沖壓燃燒室設計與工程實現成為了可能。小尺寸加力燃燒室的應用降低了飛行器跨聲速、超聲速飛行時對渦噴發動機熱力循環參數的要求，賦予了不帶渦輪冷卻結構或僅帶簡單渦輪冷卻結構的小型渦噴發動機實現超聲速飛行的能力。同樣，在一定的飛行剖面內，小型渦噴/沖壓組合式動力的發展在工程上也具備了實現的可行性，這將會引領可重復使用的小型超聲速無人機、具備亞/超聲速雙飛行模式的高性能遠程巡航彈的革命性發展，在軍事技術發展上具有巨大的戰略與戰術價值。

（2）小型空氣渦輪液體火箭發動機（ATR）發展潛力較大

空氣渦輪火箭發動機（ATR）是渦輪基組合循環發動機的一種特殊類型，其基本原理為：使用獨立于空氣系統的富燃燃氣發生器驅動渦輪帶動壓氣機工作，外界環境的空氣經過壓氣機增壓后進入渦輪后的燃燒室，與經過渦輪做功后的富燃燃氣進行二次燃燒，生成的高溫燃氣通過噴管排入外部環境產生推力。ATR作為火箭發動機和航空發動機的有機融合，其比沖性能高于火箭發動機，推重比高于航空發動機，且速度、高度適應范圍廣，理論上可在沒有助推火箭的條件下實現零長起飛，最高飛行高度也可以達到臨近空間。ATR發動機的技術難度相對適中，產品成本相對低廉，且理論上一機就可以實現亞聲速/超聲速/高超聲速三種模態飛行，是低成本的巡航導彈與高速靶機理想的動力裝置選擇。

結束語

近幾年來，在市場需求的推動下，國內微小型渦輪發動機行業發展迅猛，已經開始從測仿外機轉到自主研發。深入了解微小型渦輪發動機的技術特點，充分借鑒國外微小型渦輪發動機發展歷程中積累的經驗，著力解決國內發展面臨的困難，有助于國內微小型航空發動機行業長期健康成長。