微小型涡轮无人机发动机发展综述

常国强 王海朋

微小型涡轮发动机源于航空发动机，但在设计思路与结构上又与航空发动机有较大的不同。本文详细阐述了微小型涡轮发动机的技术特点，回顾了微小型涡轮发动机的发展历程，分析了国内微小型涡轮发动机发展所面临的困难，探讨了部分可能的解决途径，并对未来的发展方向做了预测。

从1937年4月惠特尔爵士制造的第一台离心式喷气发动机首次试车开始计算，涡轮喷气（风扇）发动机的发展历史已有80多年。行业内通常将地面静止推力在500daN以下的涡轮喷气（风扇）发动机归类为微小型涡轮发动机，主要作为各种小型高速无人机、巡航导弹的动力装置，为维持飞行持续提供所需的推力、电力及压缩空气。小型高速无人机又可分为小型高速平台类无人机、高速靶机。通常，高速靶机的使用寿命不超过10个飞行小时或10个飞行架次，对配装的发动机的使用寿命要求为20～30h。巡航导弹使用的微小型涡轮发动机属于一次性使用的产品，其使用寿命要求随导弹的任务剖面变化而变化。导弹射程在500km以下，发动机使用寿命要求为5～10h;导弹射程在1000km以上，发动机使用寿命要求为10～50h。从上述分析可知，在对发动机使用寿命指标要求上，高速靶机与巡航导弹比较接近。从国外微小型涡轮发动机发展情况来看，高速靶机使用的微小型涡轮发动机，其核心机平台通常可以衍生出巡航导弹使用的发动机。对比高速靶机与巡航导弹，小型高速平台类无人机的使用寿命要长很多，对配装发动机的技术性能要求差异大，发动机的设计思路与结构形式也不相同。

本文主要从高速靶机与巡航导弹使用的微小型涡轮发动机技术特点、国外发展历程、国内发展现状、国内发展面临的困难及解决途径设想、未来发展趋势等方面进行论述。

微小型涡轮发动机的技术特点

微小型涡轮发动机源于航空涡轮发动机，但设计思路与结构又与航空涡轮发动机有较大不同，绝不是航空涡轮发动机的简单缩比，采用航空发动机的设计思路是无法设计出满足使用要求的微小型涡轮发动机产品。

应用对象对动力装置的特殊要求决定了微小型涡轮发动机的技术特点异于航空涡轮发动机，这主要有：

（1）在满足使用需求的前提下，微小型涡轮发动机倾向选用低成本的总体与零部件的设计路线，不片面追求发动机的性能指标。在满足总体性能要求的前提下，通过对发动机热力循环参数的优化匹配，降低对有可能导致整机制造成本上升的部件设计的指标要求，比如涡轮前总温T^*₄或压气机增压比Pr^*₃，进而选择性价比更优的材料或成型工艺;在部件设计层面，通过优化燃烧室火焰筒壁面气膜设计结构，控制火焰筒壁面温度，选择廉价的不锈钢替代高温合金作为火焰筒的材料，从而降低材料与制造成本;

（2）微小型涡轮发动机轴系结构较为简单，多采用单轴结构，压气机级数通常不超过三级，且最后一级多为离心式;

（3）微小型涡轮发动机压气机与涡轮部件，通常采用整体数控加工或整体精铸成型，可大幅减少发动机零件数量，降低系统复杂程度，提高工作可靠性;

（4）在满足使用寿命的前提下，微小型涡轮发动机多采用混合油（燃油中添加一定比例的润滑油）消耗式润滑结构或带盛油器的自润滑方式替代传统的闭式循环润滑系统，可大幅减轻发动机重量、降低成本;

（5）在供油系统上，微小型涡轮发动机多采用电动齿轮泵替代传统的机械传动燃油泵，减轻了系统重量;

（6）在发电系统上，微小型涡轮发动机通常采用高速同步发电机，减小了发电系统的体积与重量;

（7）在起动点火系统上，微小型涡轮发动机通常采用电机、风车、高压空气或火药冲击带转轴系，采用烟火、高能电点火器点火，结构较为简单，系统重量较轻;

（8）在使用与维护方面，首翻期制度基本上不再适用于微小型涡轮发动机日常维护。对于巡航导弹使用的微小型涡轮发动机，为适应其“长期贮存、一次使用”的技术特点，在贮存期内，多采用定期检查或免维护制度，使发动机的可靠性保持在一个可接受的水平。对于高速靶机使用的微小型涡轮发动机，主要依赖外场发动机状态定期检查与简易维护来保证发动机的可靠性，检查、维护周期通常与靶机整机保持一致。

无论是高速靶机还是巡航导弹，对发动机的成本指标要求较高，而选择合理的设计方法是实现低成本的最有效手段，对照国外水平微小型涡轮发动机的批产成本目标是0.1万/daN。

通过上述的设计方法，还可以大幅提高微小型涡轮发动机的推重比。目前，国外微小型涡轮发动机的最高推重比可以做到11～15，在国内，尽管受到涡轮材料耐温性能不足的制约，最高水平也可以做到9～10量级推重比。

国外发展历程

20世纪50年代初，美国首次尝试将航空涡喷发动机应用于巡航导弹领域，发展出了诸如“天狮星”系列、“斗牛士”、“鲨蛇”等战略巡航导弹。在使用过程中发现，航空渦喷发动机结构复杂、成本高、体积大、使用维护不便，很难满足导弹武器系统进一步发展的需要。

在此之后，西方国家开始从巡航导弹、高速靶机的动力装置实际使用需求的角度出发，研究与发展适配的微小型涡轮发动机。如美国大陆发动机公司（后并入特里达因CAE公司）在20世纪60年代发展的J69系列的小型涡轮喷气发动机，有两个系列，即应用于教练机的长寿命发动机和应用于高速靶机上的短寿命发动机。短寿命型的发动机初期结构与长寿命型相同，但前者涡轮前温度更高、推力更大、翻修间隔时间更短。尽管已取得了较大的进步，但J69系列发动机仍保留了很多航空涡喷发动机的烙印。20世纪70年代，特里达因CAE公司在J69系列发动机的基础上，研制了J402系列微小型涡轮喷气发动机（见图1），应用于美国海军的“捕鲸叉”巡航导弹，后续发展型号也在美军高速靶机中得到了应用。相比J69，J402发动机采用了大量新设计的整体铸件，转子系的零件数量由J69的149件减少至16件，并采用盛油器滴定润滑（滚球轴承）和润滑脂填充润滑（后滚棒轴承）代替了J69闭式循环润滑系统。通过这些改进，简化J402发动机的结构，提升了发动机的维修性与可靠性，减少了对外场保障资源的需求，发动机主要性能指标也有较大提升，使之成为了一款较为经典的适配于高速靶机、巡航导弹的微小型涡轮发动机。

20世纪60、70年代是西方微小型涡轮发动机发展的黄金时期，现在一些耳熟能详的经典的发动机产品均是在这个时期内发展成熟的，如应用于各种型号“战斧”巡航导弹上的美国威廉姆斯公司的F107系列弹用涡扇发动机，应用于MQM-74系列、BQM74系列高速靶机的美国威廉姆斯公司的WR24系列微小型涡喷发动机，广泛应用于各种战术巡航导弹、高速靶机、遥控飞机等平台的法国微型涡轮发动机公司的TR160系列（见图2）与TRS18系列微小型涡喷发动机，以及应用于精确打击弹药与试验无人机的美国汉密尔顿公司的TJ30、TJ50、TJ90、TJ120等系列微小型涡喷发动机（见图3）。经过了50多年的发展，西方发达国家在微小型涡轮发动机系列化研制与工程化应用方面的体系已较为成熟，技术水平较高。

国内发展现状

与西方发达国家相比，国内在微小型涡轮发动机领域起步较晚，尽管发展较为迅速，但在技术水平上仍有较大差距。通过公开报道、各种展会及文献资料等渠道获知，中国航天科工集团第三十一研究所从上世纪90年代初开始进行微小型涡轮发动机产品的研制工作，产品集中在300～400daN推力量级，主要应用对象为“鹰击”系列反舰与对陆攻击的长程亚声速巡航导弹。中国科学院工程热物理研究所约在“十一五”末开始启动微小型涡轮发动机的研制工作，目前在研500daN级、1000daN级涡扇发动机，主要应用对象为公务机、平台类长航时无人机。受高速靶机业务需求的驱动，第六十研究所于本世纪初启动微小型涡轮发动机产品的研制工作，先后研制了40daN、60daN、80daN、110daN、150daN、200daN等多个推力级别的微小型涡喷发动机（见图4），广泛应用于各型高速靶机中，服务于我军防空武器装备试验与鉴定、部队防空反导训练。受益于靶机产品在全军及工业部门的大力推广与应用，六十所发动机产品谱系丰富，工程应用和规模化量产能力在国内居于领先地位。

前述三个单位微小型涡轮发动机产品序列发展情况基本代表了国内微小型涡轮发动机发展的现状。可以看出，当前国内200daN以内推力级别的微小型涡喷发动机产品型谱已经发展的比较完善，技术水平与国外同类产品也相差不大，而200～500daN推力级别的微小型涡喷与涡扇产品种类较少，且产品的技术水平也仅与西方20世纪70年代的产品相当。

面临的困难及解决途径设想

经过了二十多年的发展，国内一些主要的微小型涡轮发动机研制单位均走上了自主研制的道路，也遭遇了诸多困难，主要体现为：

（1）缺少适用的设计规范

相比西方发达国家，国内在航空发动机领域本身基础就比较薄弱，而在国家投入较少的微小型涡轮发动机领域，这种差距更大，尤其体现在设计规范方面。相对于航空发动机而言，目前国内微小型涡轮发动机行业，缺少适用的指导性设计规范，对各单位研制的微小型涡轮发动机鉴定与评价没有统一的标准，这不利于行业的长期健康发展。

（2）缺少专业的发动机附件配套单位

与附件配套相对完整的国内航空发动机产业相比，微小型涡轮发动机专业附件配套单位十分稀缺，尤其在电动齿轮泵、燃油调节阀方面。相比航空发动机，微小型涡轮发动机燃油流量要小得多，现有的航空发动机配套厂家没有适合的泵、阀类产品，均需要新研，造成附件研制周期与成本难以控制，这也是制约微小型涡轮发动机批产目标成本进一步降低的重要因素。如果选用行业外的单位进行附件系统研制，产品成本可以控制，但产品的性能与质量稳定性难以保证。

对于此问题，综合考虑，多数微小型涡轮发动机研制单位仍会倾向于选择航空发动机行业配套厂家作为自身的附件配套单位，在研发与生产环节，通过走民品的质量控制程序，缩短研制周期、降低生产成本，以适用于微小型涡轮发动机这一特殊应用领域。

（3）缺少高耐温性能涡轮材料

受结构尺寸与成本制约，目前国内微小型涡轮发动机的涡轮导向器与涡轮转子通常采用等轴晶高温铸造合金整体精铸成型，且均不采用气膜冷却。目前，在不采用气膜冷却的条件下，国内已有的等轴晶高温铸造合金制成的涡轮导向器最高耐温极限在1000℃附近，这是制约国内微小型涡轮发动机性能进一步提升的最关键的因素之一。在国外，采用陶瓷基复合材料制成的涡轮导向器与涡轮转子已逐步在微小型涡轮发动机上投入应用，发动机涡轮前理论温度可以提高至1300℃。与国外相比，国内在高耐温性能涡轮材料方面尚未有突破。

（4）高速与超高速滚球轴承尚严重依赖于进口

微小型涡轮发动机的工作转速通常是航空发动机的几倍甚至十几倍，而大多又不设置独立的润滑系统，而是采用燃油添加一定比例滑油的方法润滑，润滑效果差，轴承工作环境更加恶劣。目前，国内微小型涡轮发动机使用的高速与超高速滚球轴承严重依赖于进口，尤其是更高性能的陶瓷轴承，国内尚无厂家能提供稳定可靠的产品。

轴承是微小型涡轮发动机至关重要的零件，轴承的使用寿命决定了发动机的使用寿命。近几年，国内一些民营企业开始涉足高速与超高速滚球轴承领域，可以替代部分进口产品，但产品品质和可靠性与进口产品相比仍有较大差距，技术水平亟待提升。国家级的轴承研制单位对微小型涡轮发动机使用的高速与超高速轴承关注力度较小，提供的可用产品较少，且相对于进口产品，成本也不占优势。

未来发展趋势

为提升突防能力，巡航导弹目前在向超声速/高超声速发展;为逼真模拟超声速战斗机、巡航导弹，高速靶机也在向超声速、高超声速方向发展。为满足应用对象发展变化的需求，微小型涡轮发动机也急需向更高的技术水准迈进。

（1）小型涡喷/冲压组合发动机是未来重要的发展方向

涡喷/冲压组合发动机把涡喷发动机和冲压发动机组合在一个推进装置中，使之可以在亚声速、超声速甚至在高超声速下有效地工作。在此类组合发动机中，涡喷发动机的加力燃烧室与冲压发动机共用同一燃烧室，通过发动机进气段旁路风门的开闭来实现发动机工作模式切换（见图5）。

随着中心驻涡、旁侧凹腔、一体化整流支板等新型火焰稳定器技术的出现与发展，使得小尺寸加力燃烧室与冲压燃烧室设计与工程实现成为了可能。小尺寸加力燃烧室的应用降低了飞行器跨声速、超声速飞行时对涡喷发动机热力循环参数的要求，赋予了不带涡轮冷却结构或仅带简单涡轮冷却结构的小型涡喷发动机实现超声速飞行的能力。同样，在一定的飞行剖面内，小型涡喷/冲压组合式动力的发展在工程上也具备了实现的可行性，这将会引领可重复使用的小型超声速无人机、具备亚/超声速双飞行模式的高性能远程巡航弹的革命性发展，在军事技术发展上具有巨大的战略与战术价值。

（2）小型空气涡轮液体火箭发动机（ATR）发展潜力较大

空气涡轮火箭发动机（ATR）是涡轮基组合循环发动机的一种特殊类型，其基本原理为：使用独立于空气系统的富燃燃气发生器驱动涡轮带动压气机工作，外界环境的空气经过压气机增压后进入涡轮后的燃烧室，与经过涡轮做功后的富燃燃气进行二次燃烧，生成的高温燃气通过喷管排入外部环境产生推力。ATR作为火箭发动机和航空发动机的有机融合，其比冲性能高于火箭发动机，推重比高于航空发动机，且速度、高度适应范围广，理论上可在没有助推火箭的条件下实现零长起飞，最高飞行高度也可以达到临近空间。ATR发动机的技术难度相对适中，产品成本相对低廉，且理论上一机就可以实现亚声速/超声速/高超声速三种模态飞行，是低成本的巡航导弹与高速靶机理想的动力装置选择。

结束语

近几年来，在市场需求的推动下，国内微小型涡轮发动机行业发展迅猛，已经开始从测仿外机转到自主研发。深入了解微小型涡轮发动机的技术特点，充分借鑒国外微小型涡轮发动机发展历程中积累的经验，着力解决国内发展面临的困难，有助于国内微小型航空发动机行业长期健康成长。