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高空长航时无人机动力装置的现状与发展
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尹志文
引言
高空长航时无人机(HALE UAV)在我国的现代化发展进程中具有重要战略意义，是一个国家综合国力强弱的体现之一。早期它一般是指续航时间至少为12h，飞行高度在10km以上，甚至可达到20km临近空间（这种无人机有时也称为超高空长航时无人机）的无人机；现在，高空长航时无人机指的是飞行高度大于18 km，连续飞行时间大于24 h的无人机。由于这种无人机的飞行时间特别长, 通常称为“大气层人造卫星”，它非常适合用于高技术局部战争中的情报侦察和监视任务。
国外有很多国家制定过高空长航时无人机项目计划，但多数都以失败告终，其中，主要困难之一就在于高空长航时无人机的动力装置。由于高空长航时无人机的使用环境和任务要求与常规飞机有较大差别，因此，其动力装置的发展中还存在着诸多的挑战。
国外有很多国家制定过高空长航时无人机项目计划，但多数都以失败告终，其中，主要困难之一就在于高空长航时无人机的动力装置。由于高空长航时无人机的使用环境和任务要求与常规飞机有较大差别，因此，其动力装置的发展中还存在着诸多的挑战。
1发展现状
由表1看出，大部分高空长航时无人机选择的是涡轮风扇发动机作为其动力装置，少部分动力装置也采用涡轮螺旋桨发动机，这是由其任务决定的。高空长航时无人机起飞基地距作战区域较远，执行作战任务需要远距离高空快速飞行，而活塞式发动机单机功率较低，只适用于低空低速飞行；涡轮喷气发动机耗油率高，续航时间短；涡轮螺旋桨发动机与涡轮风扇发动机相比，前者的工作高度一般只能达到15km，对于高空侦察来说，升限相对较低。虽然涡轮风扇发动机的耗油率较高，但由于起飞功率高，功重比高，可以在较高的飞行马赫数下工作，适应空域广，所以能够很好满足高空长航时无人机作战任务需要。如美国的“全球鹰”、“人鱼海神”等以侦查任务为主的先进高空长航时无人机均选用涡轮风扇发动机作为其动力装置。
表1 部分高空长航时无人机主要参数及其动力装置
2面临的技术问题
2.1技术要求
2.1技术要求
现代高空长航时无人机使用环境与任务的特点是高空（18km以上）长时间（大于24h）工作，过去主要用于执行侦察和传感等任务，现代先进的高空长航时无人机还具有察打一体化的能力，集侦查打击于一体,如美国的MQ-9“死神”(Reaper)无人机、“复仇者”(Avenger)无人机等。这就要求高空长航时无人机要具有能够快速部署、维护工作量少、初始和运行成本低等特点。
表2是典型高空长航时无人机的主要设计参数。高空长航时无人机对动力装置的要求非常苛刻，发动机必须具有良好的任务可靠性、燃油经济性、爬升能力和稳定的高空工作能力；发动机的重量要轻，寿命要长，采购、运行和维护成本要低；由于高空空气密度很低，发动机散热困难，因此，发动机的冷却也需要认真考虑。
表2 典型高空长航时无人机的主要设计参数
2.2技术难点
（1）增压比。随着高度的增加，空气的密度和压力都显著降低，当高度达到24km时，空气的密度和压力只有海平面的1/30左右。在这一高度，涡轮发动机的进口压力要达到100kPa，发动机的总增压比必须超过36。要获得如此高的增压比，涡轮发动机必须增加压气机的级数，活塞发动机必须采用涡轮增压器，这就使得高空长航时无人机动力装置的重量大大增加。
（2）温度。空气压缩通常会导致空气温度的升高，进而导致发动机的工作温度显著高于目前水平，故压缩系统不得不增加热交换器，这进一步增加了发动机的重量。
（3）低雷诺数。在20km高度巡航的无人机，典型的飞行雷诺数为 ，在气动研究领域，习惯把小于 的雷诺数归于低雷诺数范围。雷诺数越小,发动机风扇和压气机空气流量越小, 涡轮导向器有效流通面积越小,造成发动机流通能力降低,空气流量减小,转速下降,发动机推力降低;风扇、压气机和涡轮效率降低 造成燃烧室燃油流量增加,涡轮前温度上升,发动机耗油率增加。
（4）功率。高空长航时无人机要求发动机有高的功率提取。在高空工作时，由于空气密度显著降低，发动机压气机容易发生喘振，而高的功率提取则进一步加剧了压气机喘振的概率，发动机在高空工作的稳定性将受到影响。
3发展建议
3.1加快发展多（全）电发动机
高空长航时无人机动力装置发展过程中面临诸多技术难点，而随着现代电力、电子技术的高速发展，多（全）电发动机技术不失为解决上述问题的一个有效途径。多（全）电发动机采用了整体启动/发动机、主动磁浮轴承等新技术，由于取消了传统接触式滚动轴承、滑油系统、功率提取轴、减速器和有关机械作动附件，从而大大减轻了重量，降低了成本，减小发动机迎风面积，提高了可靠性和维修性，并可以减小振动和对叶片间隙进行主动控制等。
目前，在陆地和海洋，全电车辆和舰船已经进入了实用阶段，并将很快大规模使用，多（全）电发动机技术优
良的综合性能已经得到了证实，未来的高空长航时无人机发动机也将发展为多（全）电发动机。
3.2充分利用新型能源
高空长航时无人机在空中无需加油、长航时间飞行其是发展的一大趋势。为此, 有两种途径可供选择：一是利用高能燃料替代传统的航空煤油；二是利用电能、太阳能等新能源。这些新型能源具有无污染、转换效率高、储量充足等优点。
其中，燃料电池是一种不经过燃烧，将氢直接转化为电能和热量的电化学设备，不受卡诺循环的限制，其效率是内燃发动机的两倍以上，而太阳能电池在航天器的电源系统上早已普及，如各种卫星和空间站上的太阳能电池板。2005年5月，美国航空环境公司的世界首架采用液氢燃料电池的“全球观察者”高空长航时无人机进行首飞，该无人机可在19.76km的高空连续飞行7～10天；2001年，美国研制的“太阳神”号太阳能无人机在试验中最高达到近29km的飞行高度，留空时间18h。预计，今后以新型能源为动力的高空长航时无人机续航时间有可能从几十小时提高到几个月，飞行高度达25～30km。
（1）增压比。随着高度的增加，空气的密度和压力都显著降低，当高度达到24km时，空气的密度和压力只有海平面的1/30左右。在这一高度，涡轮发动机的进口压力要达到100kPa，发动机的总增压比必须超过36。要获得如此高的增压比，涡轮发动机必须增加压气机的级数，活塞发动机必须采用涡轮增压器，这就使得高空长航时无人机动力装置的重量大大增加。
（2）温度。空气压缩通常会导致空气温度的升高，进而导致发动机的工作温度显著高于目前水平，故压缩系统不得不增加热交换器，这进一步增加了发动机的重量。
（3）低雷诺数。在20km高度巡航的无人机，典型的飞行雷诺数为 ，在气动研究领域，习惯把小于 的雷诺数归于低雷诺数范围。雷诺数越小,发动机风扇和压气机空气流量越小, 涡轮导向器有效流通面积越小,造成发动机流通能力降低,空气流量减小,转速下降,发动机推力降低;风扇、压气机和涡轮效率降低 造成燃烧室燃油流量增加,涡轮前温度上升,发动机耗油率增加。
（4）功率。高空长航时无人机要求发动机有高的功率提取。在高空工作时，由于空气密度显著降低，发动机压气机容易发生喘振，而高的功率提取则进一步加剧了压气机喘振的概率，发动机在高空工作的稳定性将受到影响。
3发展建议
3.1加快发展多（全）电发动机
高空长航时无人机动力装置发展过程中面临诸多技术难点，而随着现代电力、电子技术的高速发展，多（全）电发动机技术不失为解决上述问题的一个有效途径。多（全）电发动机采用了整体启动/发动机、主动磁浮轴承等新技术，由于取消了传统接触式滚动轴承、滑油系统、功率提取轴、减速器和有关机械作动附件，从而大大减轻了重量，降低了成本，减小发动机迎风面积，提高了可靠性和维修性，并可以减小振动和对叶片间隙进行主动控制等。
目前，在陆地和海洋，全电车辆和舰船已经进入了实用阶段，并将很快大规模使用，多（全）电发动机技术优
良的综合性能已经得到了证实，未来的高空长航时无人机发动机也将发展为多（全）电发动机。
3.2充分利用新型能源
高空长航时无人机在空中无需加油、长航时间飞行其是发展的一大趋势。为此, 有两种途径可供选择：一是利用高能燃料替代传统的航空煤油；二是利用电能、太阳能等新能源。这些新型能源具有无污染、转换效率高、储量充足等优点。
其中，燃料电池是一种不经过燃烧，将氢直接转化为电能和热量的电化学设备，不受卡诺循环的限制，其效率是内燃发动机的两倍以上，而太阳能电池在航天器的电源系统上早已普及，如各种卫星和空间站上的太阳能电池板。2005年5月，美国航空环境公司的世界首架采用液氢燃料电池的“全球观察者”高空长航时无人机进行首飞，该无人机可在19.76km的高空连续飞行7～10天；2001年，美国研制的“太阳神”号太阳能无人机在试验中最高达到近29km的飞行高度，留空时间18h。预计，今后以新型能源为动力的高空长航时无人机续航时间有可能从几十小时提高到几个月，飞行高度达25～30km。
3.3注重隐身性能
目前所见的高空长航时无人机全部是用于军队，虽然20000m高空很难被导弹击落，但军用高空长航时无人机经常在高危险区域执行任务，依旧面临着地空导弹的严重威胁，所以为提高生存能力，无人机动力装置的隐身设计至关重要。
3.4采用“互换性设计”的思想
目前所见的高空长航时无人机全部是用于军队，虽然20000m高空很难被导弹击落，但军用高空长航时无人机经常在高危险区域执行任务，依旧面临着地空导弹的严重威胁，所以为提高生存能力，无人机动力装置的隐身设计至关重要。
3.4采用“互换性设计”的思想
高空长航时无人机动力装置设计时，除了考虑“以任务为中心”的设计前提下，还应尽量采用“互换性设计”的思想。动力装置的“互换性设计”包括两个方面，一是不同型号发动机之间的整机互换，二是不同发动机零部件之间的互换。目前，高空长航时无人机的发动机都采用“配型生产”，即根据任务和机型的不同设计制造不同的发动机。其研发周期长，生产率低，而且如果无人机项目被取消的话其相适配的发动机研发也得被迫中止，极大地浪费了人力物力和财力。
高空长航时无人机的发动机采用互换性设计，在制造方面，有利于组织专业化生产，方便采用先进的工艺和高效率且成熟的专用设备进行生产，有利于实现加工和装配过程的机械化和自动化，从而可以提高生产效率和发动机的品质，节约生产成本；在使用和维修方面，具有互换性的发动机和零部件在报废及磨损后可及时更换，因而减少了发动机的维修时间和费用，为现代化的“闪电式”作战提供了充足的保障，此外，采用“互换性设计”的思想还有利于军民融合式发展。
高空长航时无人机的发动机采用互换性设计，在制造方面，有利于组织专业化生产，方便采用先进的工艺和高效率且成熟的专用设备进行生产，有利于实现加工和装配过程的机械化和自动化，从而可以提高生产效率和发动机的品质，节约生产成本；在使用和维修方面，具有互换性的发动机和零部件在报废及磨损后可及时更换，因而减少了发动机的维修时间和费用，为现代化的“闪电式”作战提供了充足的保障，此外，采用“互换性设计”的思想还有利于军民融合式发展。
4结束语
通过上述分析可以看出，动力装置对于高空长航时无人机的发展具有重要意义，目前世界上仅有少数国家对高空长航时无人机的动力装置有所研究，我们要抓住这个机遇，并以此为契机，来带动中国航空发动机产业乃至整个航空工业的发展和进步。
尹志文 深圳市博尔创意文化发展有限公司
尹志文 深圳市博尔创意文化发展有限公司
听说，打赏我的人最后都找到了真爱。
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