小型和微型飞行器动力装置的现状与发展

2018-03-13王春利赵胜海任志文中国人民解放军海军驻南昌地区航空军事代表室江西南昌33004航空工业洪都江西南昌33004

教练机 2018年4期

徐辉，王春利，赵胜海，任志文（.中国人民解放军海军驻南昌地区航空军事代表室，江西南昌，33004 .航空工业洪都，江西南昌，33004）

0 引言

近年来，随着航空科学技术日新月异的发展，小型和微型飞行器得到了各个国家的高度重视。“与常规无人飞行器相比,小型和微型飞行器具有体积小、质量轻、成本低的优势,它操纵方便、机动灵活、噪音小、隐蔽性好,无论是在军事领域还是在民用领域,都有十分诱人的应用前景。”[1]

目前，无人飞行器常用的动力装置包括活塞发动机、转子发动机、涡喷发动机、涡扇发动机、涡桨发动机、涡轴发动机，以及电池驱动的电动机等[2]。在进行微小型飞行器动力装置选型论证时，从以上诸多的发动机类型中选择合适的发动机，对于飞行器设计人员而言是一项繁琐而艰巨的任务。

本文基于国内外小型和微型飞行器的动力装置应用实例，从飞行器的总体布局、战技要求、尺寸、重量、航程、航时等方面考虑，梳理了微型飞行器动力装置的选型思路，并且探讨了动力装置现状及发展。

1 小型无人机（SUAV）和微型飞行器（MAV）动力装置的应用现状

文献[3]认为“SUAV在20～100km/h巡航速度下有尽可能长的留空时间,巡航高度3～300m,具备全天候能力，翼展小于6m，质量小于25kg”,但是这个定义有待商榷，这里将质量小于150～200kg的飞行器都视为SUAV。相对而言，MAV一般要求翼展小于150mm，质量小于0.1kg。

在进行微小型无人飞行器发动机的选择时，不仅要参考飞行器的性能要求，而且也要考虑当时发动机的技术水平、研制进度要求和经济成本。

表1列举了国内外主要的小型和微型飞行器所使用的动力装置，从中可以看出电动发动机、涡喷发动机和活塞发动机成为这一类飞行器的常备发动机。

表1部分微小型飞行器技术参数及其动力装置

结合表2和文中关于SUAV和MAV的定义，从起飞质量方面考虑基本可以将涡轴、涡桨和涡扇发动机排除在小型和微型飞行器动力装置的备选项之外。进一步地，综合文献[4]和文献[5]的观点，SUAV和MAV飞行器常用的涡喷发动机可以根据推力大小来划分级别，将推力在100～2000daN区间的发动机归类为小型涡喷发动机；将推力小于100daN的发动机归类为微型涡喷发动机。

需要特别指出的是，美国LOCAAS小型巡飞弹（见图1）所使用的涡喷发动机为Technical Directions公司的TDI-J45发动机（见图2），该款发动机推力为13.3daN，具备空中点火起动能力，并且可以提供1.2kw的发电量。图3展示了美国使用活塞发动机的涵道风扇式环翼无人机CypherⅠ与CypherⅡ，而参考图4，以德国3W公司的产品为代表，小功率重油活塞发动机以其特有的优势也在小型和微型飞行器动力装置上占有一席之地[8]。

表2不同的动力装置所适用的飞行器

图1美国小型巡飞弹LOCAAS

图2 Technical Directions公司的TDI-J45发动机

根据表1～表2对弹、无人机、靶机和航空模型等飞行器上使用的几种主要发动机特性所进行的分析，确认将电动发动机、活塞发动机和涡喷/涡扇发动机作为小型和微型飞行器的待选发动机。

2 小型无人机（SUAV）和微型飞行器（MAV）动力装置的关键技术

2.1 电动发动机

电动发动机的能量源主要包含锂离子电池、燃料电池和太阳能电池等几个类别，当然电池也可以作为混合动力装置的能量源[9-11]。

2.1.1锂离子电池

锂离子电池具有比能量高、低自放电、循环性能好、无记忆效应和绿色环保等优点，是目前最具发展前景的高效二次电池和发展最快的化学储能电源。以当前的技术水平，锂离子电池能量密度远低于燃油能量密度，这就导致电动飞行器续航性能不足，因此如何设计高效的电动推进系统是提升航时的重点。而制约高性能锂离子电池性能提升的关键因素是缺乏系统化的锂离子电池电化学理论、新的锂离子电池体系以及高性能储锂材料。研究方向主要包括两个方面：一个是锂离子电池电极材料；另一个就是电解质。

图3美国Cypher涵道风扇式环翼无人机

图4 3W公司的28mL重油活塞发动机

2.1.2燃料电池

燃料电池无人机不仅绿色环保，而且工作温度低、噪音小、易于维护，非常适合用于环境监测、战场侦察等领域。燃料电池从氢气中分离出电子后，剩下的氢离子在燃料电池的另一面同氧气结合形成水，这些水最后以水蒸气的形式蒸发排出。研究认为，液态氢的密度要比气态氢高出两倍,配备燃料电池的飞行器续航时长可以达到12h以上。

燃料电池的研究主要集中在以下几个方面：首先是新型燃料电池催化剂的研究，寻找替代稀有金属Pt的催化剂，降低电池成本；其次是水循环及热管理系统的研究，设计良好的循环冷却系统，确保燃料电池工作在最佳温度区间；第三点是提高燃料电池寿命，研制新型控制系统，以优化频繁的工况变化对电池性能和寿命的影响。

2.1.3太阳能电池

太阳能无人机具有飞得高、续航时间长和飞行距离远的特点，是一个理想的空中飞行平台。轻质、高效太阳能电池的研制与应用技术是太阳能无人机设计、制造过程中所涉及到的关键技术之一。

在保留的小型长航时飞行器原动力装置（重油活塞发动机、锂电池、氢燃料电池）的基础上，通过把轻薄的太阳能电池集成到武器系统的弹翼上方可使飞行时间增加4倍以上。

2.2 活塞发动机

从应用角度考虑，需要重点发展基于点燃式重油活塞发动机的涵道风扇动力系统，主要涵盖了两项关键技术：一是由于无人机体积和结构设计限制，必须集成内置发电机和涵道风扇提供推力；另一点，从海军装备储运安全和使用维护等方面考虑，需要采用重油作为活塞发动机的燃料。此外，如果无人机由载机平台空中发射，其使用环境和使用特点有别于传统地面发射的无人机，则对发动机的要求也存在特殊性，所以要求动力装置能够在空中点火起动。对于这三个方面的关键技术，国内的研究基础仍较薄弱，给动力系统的设计带来巨大的挑战。

1)重油发动机的研制

将国内外典型的汽油机作为参考样机，借鉴成熟的航空活塞发动机研制思路，在实现汽油机电喷控制改型的基础上，通过增加二次雾化装置，匹配与优化电喷控制策略，完成重油活塞发动机的研制。

2)重油发动机高空冷起动技术

在重油发动机样机台架性能达标的基础上，摸索其高空性能和高空冷起动边界，采用可分离式的起动电源和起动电机设计，在实验室环境和模拟高空伞降方式下验证其起动可靠性，起动有效高度范围。

3)集成内置发电机的涵道风扇设计

采用CFD三维流体分析的方法，设计高效低阻涵道风扇叶片，风扇转子采用特殊的支点布局，在转子后支点处设置内置式发电机。风扇转子由重油发动机直接驱动或齿轮传动方式驱动工作，在地面台架上完成其功能和性能验证。

2.3 涡喷发动机

从对国外同类发动机的分析,结合国内小微型涡轮发动机的经验,在研制该类发动机时,需要突破压缩系统技术、先进燃烧技术、先进材料技术、低成本设计制造技术、发动机与飞行器一体化设计技术等关键技术。

此外,对于小微型燃气涡轮发动机，从国外发展趋势来看，尤其应该重视电动油泵、混油或油雾润滑、发动机FADEC(Full Authority Digital Electronic Control)控制、微型传感器、高温高速陶瓷轴承、高转速微型起动/发电机等前沿技术的研究[12]。

3 小型无人机（SUAV）和微型飞行器（MAV）动力装置的发展趋势

本节仍然从电动发动机、活塞发动机和涡喷发动机三种发动机类型来探讨SUAV和MAV动力装置的发展趋势[13，14]。

3.1 电动发动机

与相同质量的可充电镍铬电池比较,锂离子或薄膜电池可多输出几倍能量,缺点是放电率低和能量密度不够,不足以支持微型飞行器长航时飞行。若以锂离子电池的能量密度来衡量，锂离子电池质量比能量约为120 W·h/kg～200W·h/kg，远低于燃油的比能量约12kW·h/kg，仅能满足电池动力系统的最低需求，难以达到10h以上长航时的要求。为使锂离子电池动力系统达到涡喷/涡扇发动机或内燃机动力系统相当的水平，比能量需要提高20倍以上[15]。

目前燃料电池技术还不成熟,研究人员希望燃料电池能量密度至少大于锂离子电池2～4倍。燃料电池主要面临在复杂工况变化条件下的快速衰减，还有电池防高温和防冰冻以及燃料储备等问题，唯有解决这些技术瓶颈，才能达到技术成熟度要求并装备于小型长航时飞行器等导弹和无人机。

相比锂离子电池和燃料电池，太阳能混合电池动力依赖前者的研究进展，现在太阳能/锂电池混合动力已经是SUAV常用动力，持续提升续航时间和航程是其发展趋势。

3.2 活塞发动机

重油不容易发生意外燃烧事故，因而在军队后勤系统中易于储存和运输，正迅速成为军队必不可少的军需品，军用小微型飞行器适合采用重油活塞发动机。

当前无人机选用的几种典型活塞发动机主要生产国有美国、奥地利、德国和加拿大。以美国为例，重油航空活塞发动机的研制主要有两个技术路线：其中波音/Insitu公司的“扫描鹰”无人机所装备的重油发动机是由汽油发动机改造而来；Raytheon公司为“杀人蜂-3”无人机提供的则是全新研发的XRDI小型重油发动机。

国内活塞式航空重油发动机大多处于基础研究阶段，目前还没有正式生产重油航空活塞发动机方面的报道，其中，总参六十所自主研制了5～10kw的航空活塞发动机，并对空中点火和内置发电机等技术都进行了技术攻关。