可消耗无人机喷气发动机设计理念新动向

2021-11-06史蒂夫特林布尔华盛顿

无人机 2021年9期

史蒂夫·特林布尔（华盛顿）

美国空军研究实验室正在探究具有最佳性价比的发动机设计方案。罗罗公司、普惠公司和克拉托斯公司正在寻找与空军合作的机会，希望进入可消耗无人机发动机市场。

最新一代有人机性能优异，但数量很少、价格昂贵，因此美国空军希望由数百架甚至数千架可消耗无人机组成作战机队，重构机队数量和打击能力。在“数字化百年系列”（Digital Century Series）新方案支持下，美国空军计划开发一系列低成本可消耗无人机，并要求这种可消耗无人机的单价在200万～2000万美元之间。

发动机成本一般为飞行器总成本的15%。如果将这一定价原则应用于可消耗无人机，那么新型可消耗型发动机的价格可能在30万～300万美元之间。然而，美国空军研究实验室希望可消耗型发动机的成本占比低于15%，以获得更具有价格竞争力的发动机。因此，美国空军正在探寻喷气发动机新的设计原则，目的是定义一种即能一次性使用，也可重复使用的推进系统。

美国空军提出几种可选方案

美国空军研究实验室“经济性任务先进涡轮技术”（ATTAM）军事武器项目投资组合经理丹尼尔·汤姆森（Daniel Thomson）表示，ATTAM项目中涉及一种可消耗型发动机部件，能够降低发动机的价格。

可消耗无人机的定义是，即使在每项任务中都一次性使用无人机，空军也能负担其成本，如果空军需要无人机完成多架次飞行，无人机也能满足任务需求。汤姆森认为，空军向发动机制造商提出了一个较难的设计要求。

图1 F-84战斗机装配的J35发动机是第一代喷气发动机，其大修时间为100h。为实现经济性目标，可消耗无人机发动机的使用寿命可能与第一代喷气发动机大致相同。

图2 自动化铺放技术可降低复合材料部件的成本。

人们通常认为，只要缩短产品使用寿命就能降低成本。但是对于发送机，这种做法并不完全正确。例如，发动机燃烧室第一级涡轮静子须要承受最高温度，其出口位置的温度通常超过1000℃，仅有极少数昂贵的材料才能长期承受这种高温。因此，即使发动机零部件只须在几秒钟内承受高温，工程技术人员应采用正确的发动机设计方案，而且必须选择合适的材料。这样做基本能确定发动机的固有寿命，它可能比发动机的使用寿命要长。但更重要的是，人们应考虑发动机满足什么任务需求，而不是仅关注其使用寿命。所以，当人们讨论发动机目标寿命时，真正要做的是，将使用寿命与任务需求相结合，并满足其他需求。

如果仅使用价格更低、耐高温性更差的材料，不能完全解决可消耗型发动机设计过程中面临的问题。现在，美国空军研究实验室有其他可选方案。

（1）新工艺、新方法

图3 XQ-58无人机首飞时，采用一台FJ33涡扇发动机提供动力。

2020年，该实验室采用新工艺，为可消耗无人机制造了一种S形进气管道，其长度为3.35m，用于连接发动机和进气道。该进气管道的制造工艺特点是，不再使用手工在钢管上铺放复合材料预浸料，而是采用自动化系统在形状记忆高分子材料芯型管上铺放干纤维束，这种自动化铺放技术具有成本低、质量高、效率高、精度高及可靠性高的优势。

复合材料预浸料必须在热压罐中进行固化，在真空辅助树脂传递模塑（VARTM）成型过程中，该实验室使用了一种低价格环氧树脂浇注干纤维束，因此也降低了制造成本。

（2）消除耗时的工序

有人机喷气发动机须要不断进行适航审查，服役过程中发生的任何新事故都有可能增加生产过程的时间和成本。在每次事故发生后，美国空军研究实验室在生产过程中都会增加一个新工序，或增加其他试验和分析流程。为实现“可消耗性”，该实验室应从一开始就要找出并消除那些过于繁琐的工序，这并不是说输入一个数字后，设计系统就能给出结果，而是要确定目标是什么，然后开展设计工作以实现目标。