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第三篇章:无人作战平台动力现状分析

发布日期:2020-11-26    浏览次数:2680

随着高新技术的发展,无人作战平台在实战中的应用会越来越多,范围将越来越广。而我国在无人作战平台动力设备的研究方面起步较晚,我国发动机基本依赖于进口来满足,国内无人机、无人车、无人艇在海陆空各战场均受制于动力。

重油使用受限

美国的《无人机系统路线图(2005—2030)》就指出:“推进技术和处理器技术是无人机的两大关键技术。”

         

 现代航空活塞发动机,其本来的用途是初级教练机、行政机、小型运动飞机和无人机的动力装置。这些发动机的燃料大多为航空汽油,但是航空汽油在实际运用中有一些缺陷:

第一个问题,是航空汽油普遍含铅,准确的说是四乙基铅(Tetra-ethyllead,缩写TEL)。四乙基铅可以提高燃料的辛烷值,提高燃油的闪点,防止发动机内发生爆震,让发动机使用更高的压缩比,进而改善汽车发动机效率和功率。但是,过度解除四乙基铅,可以造成人的神经中毒导致的全身性疾病,重者可昏迷致死,且有致癌嫌疑,对人体有害。即便含铅添加剂正在不断降低,含铅汽油这环保日益重要的当今社会自然不受待见。欧美国家已经明确提出禁止使用含铅燃料的期限,也禁止在军舰等军事设施上配备含铅汽油,很多大航线也不配备航空汽油。这是航空汽油的最大问题之一。

解决的方式之一,是改用车用无铅汽油代替航空含铅汽油。不过车用汽油有较高的饱和蒸汽压和添加剂腐蚀性,如果飞机发动机的燃料系统没经过充分的设计,油料若在燃料管道气化为气泡,就会阻碍甚至阻断发动机燃料供应,给飞机带来安全隐患。这种“气锁”(VaporLock)效应,是汽油带来的第二个问题。

第三个问题是,航空汽油易挥发且闪点(是在规定的试验条件下,使用某种点火源造成液体汽化而着火的最低温度)较低,常温下汽油混合气体遇到明火很容易燃烧和爆炸。用于危险的军用场景不够安全。

由于上述这些原因,无人机燃料的焦点逐步移到了航空重油上。

                

                                                         航空重油

      航空重油是指馏分在航空煤油与柴油之间的航空油料。在实际应用领域,航空重油一般指的是航空煤油或轻质航空柴油。航空重油没有含铅汽油的铅添加剂,也不存在无铅汽油气锁的问题,且闪点和燃点都比汽油高,在遇到意外情况后发生燃烧和爆炸的概率大大降低,因此安全性比航空汽油有很大提高,存储运输都更方便。采用重油作为中小型无人机燃料,对减少军用后勤保障负担也有好处。再加上,与功率相同的活塞发动机与喷气发动机相比,具有体积小,重量轻,升功率高,结构简单,操作维护方便等诸多优点,作为中小型无人机的动力,整体上仍然有优势。

随着单一燃料需求的不断增长,中小型无人机发动机采用重油(航空煤油、柴油等)作为燃料,以实现与有人战机等装备动力共用一种燃料来有效降低后勤保障成本变得尤为重要。同时,重油密度大、闪点高,运输和存储更加安全。

无人机要求动力装备具有高功率密度、轻量化和低振动等特性,而这些特性正是传统火花塞点火航空汽油机(奥托循环)的技术优势。因此,各种二冲程和四冲程(自然吸气和涡轮增压等)点燃式航空汽油活塞发动机在前期军、民飞机上得到广泛应用。但随需求升级,飞机对动力的要求不断提高,在燃油经济性与安全性、低保障成本方面,特别是在军用产品中动力油品统一化的要求下,传统的汽油发动机难以满足要求。

此外,客户在使用汽油机中还发现:由于高空高海拔性能衰减,会导致高原起降困难;由于功率不足,会导致有效载荷降低;汽油油耗过大会带来续航里程降低;汽油散热不佳,飞机在中东高温地区会出现功率衰减等安全性和稳定性问题。发展重油航空活塞发动机成为主要的技术方向。

重油燃料闪点高,雾化和燃烧性能不及汽油,柴油机通过压缩产生的高温点火燃烧,采用高压缩比,机体结构尺寸和重量大,振动和噪声也更大。因此,柴油机热效率很高,但功重比低于汽油机。在中小型无人机上应用时,功重比是发动机选择的关键因素,甚至成为决定性因素。重油燃料在低温下黏度很大,不易雾化和点燃,因此发动机低温起动性能差,需采用燃油或缸体预热等方式进行起动。因此,美国《2005-2030年无人机发展路线图》将重油发动机列为无人机技术的重要发展目标之一。可以预测,在军事应用等特殊领城,重油发动机未来将取代现有的航空汽油发动机。

重油动力国内外现状及发展方向

1、国外重油动力发展现状

根据美国《2005-2030年无人机发展路线图》将重油发动机列为无人机技术的重要发展目标之一。美国的侦察无人机扫描鹰动力,也由前期的“汽油机”逐步过渡到“重油机”均采用3W机型,技术方案仍采用油耗不佳的点燃式重油动力。代替扫描鹰的无人机黑杰克,动力也仍采用3W点燃式重油动力。

         

                                       扫描鹰

国际上的活塞式航空发动机大多为汽油动力,目前的产品多数是化油器、空冷结构;存在高空性能差、油耗高、环境适应性差的问题。   

美国是率先开展小型航空重油活塞发动机研究工作的国家,经多年探索研究,美国小型航空重油活塞发动机的技术日益成熟,发动机主要有两条技术路径:一是基于汽油发动机进行简单的改装,实现重油的点燃式燃烧;二是面向重油理化特性最优的方案,压燃式重油发动机开发。

      

美国军方为了满足燃料一体化要求,率先开展了小型航空重油活塞发动机的研究工作。美国海军从1989年开始陆续开展了三个小型航空重油活发动机的研究工作。到了20世纪90年代后期,美军对于轻型高动力性发动机的需求越来越强烈,同时对燃料一体化的要求越发严格。

2、国内重油动力发展现状

国内对于航空重油活塞发动机开发目前仍处于起步阶段,研究内容以吸收借鉴国外成熟技术为主,自主研发能力薄弱。近几年多家研究单位对重油发动机开展了一些技术研究,取得了一定的理论研究成果。主要研究方向以汽油改重油点燃为主,部分实现了重油点燃燃烧。国内在高空无人机领城开展了高增压、两级增压等关键技术研究,单级高增压技术已实现了工程应用,增压比达到了4.0以上。高增压技术目前主要应用于汽油发动机,但也可应用于压燃重油发动机,提高发动机功重比。

虽然我国取得了一定的理论研究成果,但目前小型航空重油活塞发动机暂无实际开发的机型,距离工程化的目标还很远。中国目前产品大多数是基于车用发动机改制,并非面向航空应用开发,存在功重比低、质量不稳定、可靠性低等问题。专门的面向航空应用开发的重油活塞发动机尚属于空白。

3、重油发动机关键技术及国内发展方向

国内包括固定翼和直升机在内的无人机大量采用进口的汽油发动机,重油发动机是未来动力系统的必然发展趋势,但发动机技术难度大,发展重油发动机应根据不同量级的飞行平台和应用特点,加以区别,不能一概而论,采取不同的技术方案。

对于功率量级在20kW以内的小型重油发动机,可采用点燃重油发动机方案,在现有二冲程汽油发动机基础上进行重油燃绕改进。采取燃料预热、电子燃料喷射和热回收等技术,实现重油燃料的高效雾化和稳定燃烧,改善低起动性能。实际工程应用采取特定的维护措施,缩短维护周期,提高可靠性。

对于50kW以上功率量级重油发动机,可靠性是至关重要的因素,应采用传统压燃发动机方案。解决高增压技术、系统匹配技术,采用水平对置发动机本体结构,采用轻量化设计,功重比接近于汽油机,但由于油耗降低,通过系统优化匹配可补偿重量的增加,工程应用技术成熟,发动机可靠性高。

重油动力国外禁售,国内遭遇“卡脖子”

我国目前多款无人机均采用奥地利Rotax914型活塞发动机,这种发动机是世界上多种高空长航时无人机的主要动力系统,然而一旦对方限制出口,国内无人机就将陷入缺乏动力设备的艰难境地。

“在无人直升机动力设备这一最重要的技术领域,我国直升机用发动机基本依赖于进口来满足,尤其是起飞重量在200kg-300kg级的动力系统,国内动力领域完全是一片空白。”重庆理工大学车辆工程学院动力研究所所长杨靖教授介绍,目前,无人直升机采用的动力装置可分为三大类,活塞式发动机、涡轴发动机和电流动力系统。其中,活塞式发动机是无人直升机最重要的动力装置构成。由于无人直升机用发动机对功重比要求较高,其工作环境又极为苛刻,而我国无人直升机研制起步较晚,尤其在无人直升机用活塞式发动机这一领域的研发尚无成熟的产品。

 

                    Rotax914型活塞发动机

航空发动机的外部运行环境极其严苛,要适应从地面高度到万米高空缺氧环境、从地面静止状态到每小时数千米的超音速状态和从沙漠干燥环境到热带潮湿环境。总之,航空发动机需要在高温、高寒、高速、高压、高转速、高负荷、缺氧、振动等极端恶劣环境下,到达数千小时的正常工作寿命,这就使得航空发动机的研制对结构力学、材料学、气体动力学、工程热力学、转子动力学、流体力学、电子学、控制理论等学科都有极高要求。

进入新世纪,中国航空发动机领域既面临严峻的挑战,又有着良好的历史性发展机遇。加快航空动力发展,根治飞机“心脏病”,已经引起党中央、国务院领导的高度重视,航空动力已经列入国家高科技重点工程,航空发动机和燃气轮机已被列为国家重大专项,中国航天业取得了举世瞩目的业绩和成就,但仍与世界先进水平有一定的差距,我们要着重发展具有前瞻性、先导性、探索性、颠覆性的先进技术,加紧步伐,付出更多的努力去追赶去超越,抢占国际竞争制高点。

澳洲空中力量(Air Power Australia)的创始人卡罗·考普(Carlo Kopp)表示,“如果中国不能研发出有竞争力的发动机,那中国飞机的性能和空军防空力量将会严重受制于别国。”

敬请期待 第四篇章:航瑞动力——“中小型航空发动机