可消耗無人機(jī)噴氣發(fā)動機(jī)設(shè)計理念新動向

史蒂夫·特林布爾（華盛頓）

美國空軍研究實(shí)驗室正在探究具有最佳性價比的發(fā)動機(jī)設(shè)計方案。羅羅公司、普惠公司和克拉托斯公司正在尋找與空軍合作的機(jī)會，希望進(jìn)入可消耗無人機(jī)發(fā)動機(jī)市場。

最新一代有人機(jī)性能優(yōu)異，但數(shù)量很少、價格昂貴，因此美國空軍希望由數(shù)百架甚至數(shù)千架可消耗無人機(jī)組成作戰(zhàn)機(jī)隊，重構(gòu)機(jī)隊數(shù)量和打擊能力。在“數(shù)字化百年系列”（Digital Century Series）新方案支持下，美國空軍計劃開發(fā)一系列低成本可消耗無人機(jī)，并要求這種可消耗無人機(jī)的單價在200萬～2000萬美元之間。

發(fā)動機(jī)成本一般為飛行器總成本的15%。如果將這一定價原則應(yīng)用于可消耗無人機(jī)，那么新型可消耗型發(fā)動機(jī)的價格可能在30萬～300萬美元之間。然而，美國空軍研究實(shí)驗室希望可消耗型發(fā)動機(jī)的成本占比低于15%，以獲得更具有價格競爭力的發(fā)動機(jī)。因此，美國空軍正在探尋噴氣發(fā)動機(jī)新的設(shè)計原則，目的是定義一種即能一次性使用，也可重復(fù)使用的推進(jìn)系統(tǒng)。

美國空軍提出幾種可選方案

美國空軍研究實(shí)驗室“經(jīng)濟(jì)性任務(wù)先進(jìn)渦輪技術(shù)”（ATTAM）軍事武器項目投資組合經(jīng)理丹尼爾·湯姆森（Daniel Thomson）表示，ATTAM項目中涉及一種可消耗型發(fā)動機(jī)部件，能夠降低發(fā)動機(jī)的價格。

可消耗無人機(jī)的定義是，即使在每項任務(wù)中都一次性使用無人機(jī)，空軍也能負(fù)擔(dān)其成本，如果空軍需要無人機(jī)完成多架次飛行，無人機(jī)也能滿足任務(wù)需求。湯姆森認(rèn)為，空軍向發(fā)動機(jī)制造商提出了一個較難的設(shè)計要求。

圖1 F-84戰(zhàn)斗機(jī)裝配的J35發(fā)動機(jī)是第一代噴氣發(fā)動機(jī)，其大修時間為100h。為實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)，可消耗無人機(jī)發(fā)動機(jī)的使用壽命可能與第一代噴氣發(fā)動機(jī)大致相同。

圖2 自動化鋪放技術(shù)可降低復(fù)合材料部件的成本。

人們通常認(rèn)為，只要縮短產(chǎn)品使用壽命就能降低成本。但是對于發(fā)送機(jī)，這種做法并不完全正確。例如，發(fā)動機(jī)燃燒室第一級渦輪靜子須要承受最高溫度，其出口位置的溫度通常超過1000℃，僅有極少數(shù)昂貴的材料才能長期承受這種高溫。因此，即使發(fā)動機(jī)零部件只須在幾秒鐘內(nèi)承受高溫，工程技術(shù)人員應(yīng)采用正確的發(fā)動機(jī)設(shè)計方案，而且必須選擇合適的材料。這樣做基本能確定發(fā)動機(jī)的固有壽命，它可能比發(fā)動機(jī)的使用壽命要長。但更重要的是，人們應(yīng)考慮發(fā)動機(jī)滿足什么任務(wù)需求，而不是僅關(guān)注其使用壽命。所以，當(dāng)人們討論發(fā)動機(jī)目標(biāo)壽命時，真正要做的是，將使用壽命與任務(wù)需求相結(jié)合，并滿足其他需求。

如果僅使用價格更低、耐高溫性更差的材料，不能完全解決可消耗型發(fā)動機(jī)設(shè)計過程中面臨的問題。現(xiàn)在，美國空軍研究實(shí)驗室有其他可選方案。

（1）新工藝、新方法

圖3 XQ-58無人機(jī)首飛時，采用一臺FJ33渦扇發(fā)動機(jī)提供動力。

2020年，該實(shí)驗室采用新工藝，為可消耗無人機(jī)制造了一種S形進(jìn)氣管道，其長度為3.35m，用于連接發(fā)動機(jī)和進(jìn)氣道。該進(jìn)氣管道的制造工藝特點(diǎn)是，不再使用手工在鋼管上鋪放復(fù)合材料預(yù)浸料，而是采用自動化系統(tǒng)在形狀記憶高分子材料芯型管上鋪放干纖維束，這種自動化鋪放技術(shù)具有成本低、質(zhì)量高、效率高、精度高及可靠性高的優(yōu)勢。

復(fù)合材料預(yù)浸料必須在熱壓罐中進(jìn)行固化，在真空輔助樹脂傳遞模塑（VARTM）成型過程中，該實(shí)驗室使用了一種低價格環(huán)氧樹脂澆注干纖維束，因此也降低了制造成本。

（2）消除耗時的工序

有人機(jī)噴氣發(fā)動機(jī)須要不斷進(jìn)行適航審查，服役過程中發(fā)生的任何新事故都有可能增加生產(chǎn)過程的時間和成本。在每次事故發(fā)生后，美國空軍研究實(shí)驗室在生產(chǎn)過程中都會增加一個新工序，或增加其他試驗和分析流程。為實(shí)現(xiàn)“可消耗性”，該實(shí)驗室應(yīng)從一開始就要找出并消除那些過于繁瑣的工序，這并不是說輸入一個數(shù)字后，設(shè)計系統(tǒng)就能給出結(jié)果，而是要確定目標(biāo)是什么，然后開展設(shè)計工作以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。

工業(yè)企業(yè)積極尋找合作機(jī)會

可消耗無人機(jī)發(fā)動機(jī)擁有較大的潛在市場，眾多工業(yè)制造商正在尋求與美國空軍的合作機(jī)會。

2019年3月克拉托斯（Kratos）公司XQ-58“女武神”（Valkyrie）無人機(jī)首飛時，使用了一臺威廉姆斯國際（Williams International） 公 司FJ33渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)提供動力。但是，這家小型渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)制造商可能會面臨競爭。

2019年，普拉特-惠特尼（Pratt & Whitney，下稱普惠公司）公司宣布，將為低成本可消耗無人機(jī)市場開發(fā)FJ700系列小型渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)。

克拉托斯公司曾獲美國空軍研究實(shí)驗室（AFRL）無人機(jī)項目的合同。2019年3月，該公司收購了佛羅里達(dá)渦輪技術(shù)公司（Florida Turbine Technologies），旨在為高效率、低成本可消耗型（LCHEA）渦扇發(fā)動機(jī)設(shè)計一種低壓艙，

2020年8月，羅爾斯-羅伊斯公司（下稱羅羅公司）宣布，該公司自由工廠（Liberty Works）已完成一臺小型發(fā)動機(jī)試驗臺測試。該型發(fā)動機(jī)專為美國國防部一次性和可消耗無人機(jī)市場而設(shè)計。