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浅析高长航时无人机动力   分享到:

    在2017年度国家科学技术奖励大会上,来自北京航空航天大学的“长鹰高原型远程无人侦察机系统”摘得国家科技进步一等奖。与去年多个航展上亮相的“翼龙”等无人机一样,“长鹰”也属于高空长航时无人机(HALEUAV)。目前,HALEUAV一般指飞行高度大于18千米,巡航时间不小于24小时的无人机。由于这种无人机的飞行时间特别长,甚至一度被人称为“大气层人造卫星”,它非常适用于高技术局部战争中的情报侦察和监视任务,在我国的现代化发展进程中具有重要战略意义。

   美国曾在《无人机系统路线图(2005-2030)》中指出:“推进技术和处理器技术是无人机的两大关键技术”。无人机动力装置的发展直接决定了无人机能够飞多远、飞多久。

  高空长航时无人机主要用于执行侦察和传感任务,甚至被要求具有察打一体化的能力,集侦察和打击敌方目标等能力于一体,如我国的“翼龙”无人机等。

  这些任务都要求HALEUAV运行、维护工作量少且可快速部署。因此,HALEUAV的动力装置必须具有良好的可靠性,良好的燃油经济性,稳定的高空工作能力和良好的爬升能力。发动机的重量要轻,寿命要长,运行和维护成本要低。

  侦察、传感和打击等多任务对无人机机载载荷提出了更高要求,要求无人机发动机需要提供更多的电力。

  短航程飞机一般在6000米至9600米高度飞行,长航程飞机一般在8000米至12600米高度飞行,而高空长航时无人机的飞行高度更高。随着高度的增加,空气的密度和压力都大大降低,当高度达到24千米时,空气的密度和压力只有海平面的1/30左右。

  涡轮发动机为了达到更高的增压比就必须增加压气机的级数,活塞发动机也必须采用涡轮增压器,这样会大大增加无人机的重量,因此需要研究重量轻、效率高的压缩系统。同时,增压比增大使空气的温度比低空更高,空气密度的降低使雷诺数减少,空气的热容量减小,严重影响了发动机的对流交换,导致发动机散热相对低空更加困难,对发动机的冷却提出了更高要求。发动机分出更多的功率用于电力驱动,空气密度大大降低进一步增加了压气机喘振裕度的负担,使高空工作的发动机压气机稳定性受到更大挑战。

  目前,高空长航时无人机动力类型包括涡扇发动机、涡桨发动机、带涡轮增压的涡轮-活塞组合发动机以及燃料电池和太阳能动力等。

  例如,美国的“全球鹰”等以侦察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;“死神”MQ-9无人机则采用涡轮螺旋桨发动机;以色列“苍鹭”无人机,采用涡轮增压活塞发动机,已经可以满足高原无人机大多数使用要求。

  如何使高空长航时无人机飞得更远、更久、更稳,仍然是当前和今后无人机动力装置的重点研究方向。增材制造、先进复合材料等技术的发展均为未来无人机发动机的发展提供了更多可能性。






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