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行业新闻

20160716--国内外高端作战无人机先进动力系统发展现状及趋势

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我国自主研发的“彩虹3”无人机

国内高端作战无人机用发动机发展现状

2015年4月,由天津内燃机研究所研制开发、宗申动力合作试制的轻型航空发动机TD0工程样机挂载中国航天空气动力技术研究院的“彩虹3”无人机试飞成功,标志着我国大中型无人机拥有一颗“中国心”的梦想成为现实,并打破国外在这个领域长期技术和市场垄断。此后,宗申动力为加快公司航空发动机的产业化,公司后续开展了相关可靠性,耐久性测试和技术改进工作。

 

2016年5月,宗申动力再次宣布,公司将代码为“C115”的航空发动机配装在彩虹-3型无人机开展的“高空性能飞行试验”,经航空动力专家组对飞行数据的分析,该款航空发动机性能测试所有数据符合设计指标,航空发动机起飞、爬升、巡航及冷却性能符合彩虹-3型无人机使用要求。本次飞行试验的顺利完成,标志着公司航空发动机产品的性能指标已基本达到中国航天空气动力技术研究院的技术标准。

 

可见,我国的高端无人机用活塞发动机已经进入了产业化发展阶段,预计未来几年内将有望使国内高端无人作战机使用国内自主研发的动力系统。

 

国内航空活塞发动机的技术发展布局始于2011年,中国航空技术国际控股有限公司于当年4月收购美国大陆发动机公司,该公司在世界通航发动机市场名列前茅。2013年,中航国际又完成对蒂勒特航空活塞发动机公司(Thielert Aircraft Engines)资产收购。中航国际通过对美国大陆发动机公司和德国蒂勒特公司资产的收购,已经成为全球唯一拥有全系列航空汽油活塞发动机和全系列航空煤油活塞发动机的供应商,具备了满足通航市场多样化需求的能力。

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Centurion系列活塞发动机是原德国蒂勒特公司生产的功率99kW~257 kW的四冲程活塞发动机,是世界上最先进的无人机重油活塞发动机产品之一,其配用机型包括“塞斯纳”改进型以及美军MQ-1C“灰鹰”无人机等。可以说,我国自主研发无人机活塞发动机的成功,离不开近年来对Centurion等经典机型的研究和借鉴。而未来,轻量化、可靠性、增压匹配和燃烧喷雾等仍是国内研发活塞发动机,尤其是重油发动机需要不断发展的关键技术。

 

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Centurion 1.7活塞发动机(功率99kW)及装配其的MQ-1C“灰鹰”无人机

国外高端作战无人机用发动机发展现状

大型无人机发动机打破国外封锁的消息虽然振奋人心,但是也需看到我国高端作战无人机发动机,无论是续航时间还是飞行速度以及载荷与国外还存在较大差距。我国自主研发的活塞式汽油发动机,虽然综合性能达到国外同类型无人机发动机水平,但这类活塞发动机一般适用于起飞重量一般在1吨以上的低速、中低速侦察无人机。军事作用更大的中高空长航时无人机、高速侦察机、靶机以及无人攻击机、垂直起降无人机和倾转旋翼无人机等无人机的动力系统一般采用涡喷、涡扇、涡轴等燃气轮机发动机。另外,由于涡扇发动机推力变化范围大、耗油率低、高空性能较好的特点,是目前各国应用在无人机上的重点和今后的发展趋势。

 

FJ44型涡扇发动机

FJ44系列发动机是世界小型航空发动机巨头之一的威廉姆斯国际公司生产的中小型涡扇发动机,推力区间在8.3-15.8kN。

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FJ44-4A型涡扇发动机

洛克希德一马丁公司和波音飞机公司生产的无尾飞翼式无人机暗星就选配了FJ44型涡轮风扇发动机作为其动力系统。暗星无人侦察机的机体较薄,机翼又长又窄,作战半径为926公里,续航时间8小时,最大升限1.4万米,具有隐形、生存能力强的特点,其活动范围和续航时间都比“环球鹰”更大更长,“暗星”主要用来执行高威胁区域上空的侦察任务。

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装配了FJ44涡扇发动机的暗星无人侦察机

洛克希德一马丁公司臭鼬工厂的另一款无尾飞翼式无人机Polecat也选配了推力为1334 kN的FJ44-3E型涡扇发动机作为其动力系统。

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装配了FJ44-3E涡扇发动机的Polecat无人机

PW545B涡扇发动机

由普惠加拿大公司(Pratt & Whitney Canada)生产的PW545B发动机是通用原子公司开发的具备隐身能力的中高空长航时远程无人驾驶战斗机复仇者(Avenger)的动力装置。PW545B发动机推力为4500磅,载荷3000 磅 (1,360.78 千克),航速400+ 节 (740+ 公里/小时),最大升限60,000 英尺 (18,288 米),续航时间为20 小时。

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复仇者(Avenger)无人机及其装配的PW545B发动机

复仇者无人机以其廉价的成本和卓越的作战能力,已经成为美军未来实施“蜂群攻击”战术的首选武器。复仇者可以对陆地和海洋实施广域监视,担任对时敏目标的空袭打击任务,并能执行各种具有挑战性的军事行动。

 

TPE 331系列涡桨发动机

TPE 331系列涡桨发动机是Garrett AiResearch研制的功率为700 kW的中小型单轴涡桨发动机,后被霍尼韦尔航空航天集团收购。

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TPE331涡桨发动机

通用原子航空系统公司制造的捕食者B(Predator B)和在其基础上研制的MQ-9死神都选用了TPE 331系列涡桨发动机。

 

捕食者(Predator)是美国空军的中空长时程(MALE)无人机系统。它可以扮演侦察角色,可发射两枚AGM-114地狱火飞弹。捕食者机长8.27米,翼展14.87米,最大活动半径3700公里,最大飞行时速240公里,在目标上空留空时间24小时,最大续航时间60小时。

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装配TPE 331-10T涡桨发动机的捕食者B无人机

MQ-9死神(Reapor)主要任务是为地面部队提供近距空中支援,还可以在山区和危险地区执行持久监视与侦察任务。MQ-9死神无人机最大飞行速度为460千米/小时。空载时的巡航高度为1.5万米,满载时为9000米。续航时间为27小时,有效载荷能力达1746千克。其中包括一个容错飞行控制系统和三重冗余的航电系统构架。

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装配TPE 331-10T涡桨发动机的MQ-9死神(Reapor)无人机

国内高端作战无人机用发动机关键技术及发展建议

通过国外典型高端无人机用发动机的性能和应用情况可以看出,全球高端无人机尤其是中高空长航时无人机的主要动力系统主要以中小型涡喷/涡扇发动机为主。



目前,我国最先进的涡扇500小型发动机推力为500吨,仅为国外PW545、FJ44等成熟机型的四分之一,不足以作为大型作战无人机的动力。不过国内首台完全自主知识产权的1000公斤推力涡扇发动机整机已经完成设计研制并对其进行初步考核验证,并将继续完成耐久性试验和高空台试验。相信不久的将来,国产高端作战无人机将有望配备达到国际先进水平的国产涡扇发动机。

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国产500公斤推力的涡扇500(WS500)发动机

通过对国内外高端无人机动力系统的调研,我国发展高端无人机用涡喷/涡扇发动机,主要需突破一下关键技术:微型轴流涡轮叶片设计制造技术、微型离心式压气机设计制造技术、微型涡轮发动机压缩系统主动间隙控制技术、大尺寸高效率单级风扇、高效率、抗流动分离强的低压涡轮、高温高速陶瓷轴承技术、微型涡轮发动机燃烧室的设计技术、用发动机与飞行器一体化设计技术制造技术、低成本制造技术、微小型涡喷发动机控制、测试及在线监测技术等。

 

涡轮发动机的发展已经经历了近半个世纪, 由于其技术成熟, 并且在远距离巡航时其经济性具有突出的优势, 因此, 在航空动力系统领域中可以说占据了绝对的主导地位。而有专家认为, 如同涡轮发动机替代活塞发动机成为航空动力系统领域的主宰一样, 在不久的将来, 将会有另一种动力系统替代涡轮发动机, 而这种替代系统将于2020年前后问世。因此,我国在重点开发高端无人机用涡扇发动机技术的基础上,还应有前瞻性的对涡轮-冲压组合发动机技术、基于液氢( LH2) 为燃料的推进系统、太阳能动力技术和燃料电池推进技术等未来动力系统进行技术布局和研发,争取实现无人机动力技术的弯道超车。

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新型无人机推进技术