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          无人驾驶飞机动力技术是指无人驾驶飞机为实现某些特定功能所需的各种推进系统技术,其中包括已有技术和在研技术。

       国外概况:国外无人驾驶航空器动力装置的发展是随着人们对未来战争观念、作战形式和任务要求的改变而不断发展的,根据对飞行速度、飞行高度、起降方式、续航时间、航程和经济性指标等的不同要求,发展了适合执行相应不同任务的动力装置。目前无人驾驶航空器广泛采用的动力装置有以下几种:活塞式发动机、转子发动机、涡轮发动机(包括涡 喷、涡扇和涡轴)和冲压/火箭发动机。正处于研究阶段的用于未来新型无人驾驶航空器的动力装置包括:太阳能动力装置(用于高空长航时无人驾驶飞机)、爆震发动机(用于无人机或巡航导弹)、桨扇发动机(用于下一代巡航导弹)以及涡轮与亚燃冲压或超燃冲压组合式发动机(用于未来超音速或高超音速巡航导弹)。  

        目前国外无人驾驶飞机使用的动力装置有:活塞式发动机/转子发动机(用于低速、中低空无人机)、涡喷发动机(用于高空、高速无人机)、涡轴发动机(用于短距/垂直起降无人直升机)和涡扇发动机(用于高空长航时无人机和未来无人战斗机)。另外还有一些现正处于研究实验阶段的新型动力装置。据统计,世界上300多种无人驾驶飞机中有近67%的无人机起飞重量不超过200kg,大多数采用活塞式发动机;近77%的无人机起飞重量在500kg以内,其中重量在200-500kg范围内的无人机较多采用活塞式发动机和涡喷发动机;起飞重量在500kg以上的无人机多数采用涡喷(涡扇)发动机,其次是活塞式发动机;而采用其他发动机的无人机数量不多。

       活塞式发动机是无人驾驶飞机使用最早、最广泛的动力装置,其技术目前已较为成熟。根据所应用的机型不同,活塞式发动机的功率小至几kW,大至200kW左右。从当前国外的应用情况来看,活塞式发动机的适用速度一般不超过300km/h(用于靶机除外),高度一般不超过8000m。按发动机功率的大小,所应用机型的续航时间从几小时(靶机除外)到几十小时不等。国外生产无人机用活塞式发动机的具有代表性的制造商有奥地利的罗泰克斯公司(Rotax系列活塞式发动机)、英国的洛特斯·卡斯公司(Lotus系列)和德国的Limbach公司(L系列)。随着无人机发展较快的国家对高空(10000m以上)、长航时(24小时以上)无人机认识和研究的进一步加深,大功率四缸、四冲程活塞式发动机在高空长航时无人机上的应用显得日益突出。用于高空长航时无人机时,高空空气稀薄、压力低和发动机散热及高空螺旋桨等是需要解决的关键技术问题。现在使用中的活塞发动机与增压器组合,可使无人机的升限达到11000m。

       这种发动机具有重量轻、尺寸小、可采用多种燃料、可*性高和振动小等优点,因此在80年代后期发展迅速。在相同功率范围内转子发动机重量只是活塞式发动机的一半,因此可以取代活塞式发动机。国外主要的产品为AR系列,分单转子和双转子。转子发动机若用于高空无人机,应解决发动机高空补氧燃烧的冷却等技术问题。

       无人驾驶飞机用涡轮发动机主要包括涡喷发动机、涡轴发动机和涡扇发动机,目前还未见到有关涡桨发动机用于无人机的报道。涡喷发动机:主要应用于高空、高速无人机。在涡喷发动机研制和生产方面,具有代表性的制造商有英国的NPT公司(生产NPT系列涡喷发动机)、法国的微型涡轮(Micro turbo)公司和美国的特里达因公司(CAE系列)。涡轴发动机:主要应用于短距/垂直起降无人机,特别是无人直升机,主要用户为海军。国外具有代表性的无人机用涡轴发动机生产和供应商是美国的艾利逊公司(Allison250发动机)和威廉姆斯公司(TWS系列发动机)。涡扇发动机:主要用于高空长航时无人机以及未来的无人战斗机。美国是最先将涡扇发动机应用于无人驾驶飞机的国家,而且无人机用涡扇发动机的主要生产和供应商也在美国,即艾利逊公司、联信公司和威廉斯公司。

       除了以上无人驾驶飞机用的常规动力装置以外,无人驾驶航空器发展较快的国家目前都在积极探索、研究可用于无人驾驶航空器的新型动力装置,如以电动机为动力的无人机和脉冲爆震发动机PDE等。

       关键技术:主要针对无人驾驶航空器所使用的小型/微型涡轮发动机。无人驾驶航空器动力装置一般为小型或微型涡轮发动机。与通用航空器动力装置相比,微型涡轮发动机的设计特点是:结构简单、尺寸小、零件数目少、工作可*、维护方便、成本低和寿命短(一次性使用1-2小时,重复使用20多个小时或20多个起落),同时有较强的针对性。基于上述特点,小型或微型涡轮发动机有其特殊的设计技术,并不能完全照搬大发动机的技术,例如尺寸效应、小尺寸高压比高效率的离心压气机、回流或折流式环形燃烧室、向心涡轮、高速转子动力学等。

       对小型涡轮发动机来说,在气动热力学、材料、结构设计等方面存在的关键技术是:
      1、先进的气动热力学技术;
      2、高温高强度轻质材料和涂层;
      3、轻结构设计;
      4、高增压比压气机;
      5、高温燃烧室和涡轮;
      6、简单有效的发动机控制技术;
      7、低信号特征,多功能喷管。


       根据普惠公司对发展未来小型涡轮发动机技术的研究,他们提出了目前所面临的几个关键技术障碍。

       粒子分离器技术的改进将允许压气机采用有效的、重量轻的整体叶盘设计,而且使涡轮叶片的二氧化硅沉积物减至最少。惯性粒子分离器是防止外来物和冲刷性沙子进入发动机内的现代进口粒子分离器。

       利用三维气动分析方法以及采用先进叶片几何形状以使性能达到最好。发动机尺寸效应所面临的主要问题并不直接涉及到气动设计,而是损失和几何形状效应间的关系问题。例如叶片与机匣之间的间隙、前缘半径和表面光洁度等,这些将成为大发动机技术应用于小发动机时的障碍。如果工艺技术不能提供补偿,上述效应可能产生相当大的负面影响。

       燃烧室的主要问题是因为燃烧室出口温度升高要求冷却空气量增加而引起。燃烧室出口温度越高,要求参与燃烧的空气流量越大,实际上就减少了用于冷却的空气量。发动机越小,此问题变得越严重。因为需要冷却的表面积相当大,所以冷却所需空气量占总空气流量的比例很高,而实际上只允许少量的空气冷却。满足冷却要求的一种有效方法是采用双层壁火焰筒结构,如浮壁(FLOATWALLTM)结构方案。

       采用先进冷却方案的单级径向涡轮可使小发动机的效率明显提高。与轴向涡轮相比,单级径向涡轮所需冷却空气较少且漏气也较少。通过采用三维非粘性和粘性设计分析程序,可精确地估算转子叶片表面速度分布,并使之最佳化,同时可使转子尺寸减小,叶片数量减少。材料技术、先进的冷却方案、精密铸造/锻造技术和先进的三维气动设计领域的最新进展,有可能获得小型耐久的冷却径向涡轮。

       未来小发动机的特点是:比现有发动机的部件要少,转速要高,耐久性要长。这些特点则要求改进结构技术。为了预测有或无机械连接阻尼的轻重量高速叶型的气动弹性响应,预测发动机挠性轴对叶尖间隙引起的不平衡或者不稳定的敏感性响应,并且允许在静止部件和转动部件同时使用象难熔合金以及金属这样的先进材料,以便使发动机重量减至最轻,所以必须对设计系统进行研究。先进的小发动机还具有燃气发生器和动力涡轮挠性轴的特点。燃气发生器转子叶尖磨擦可能对发动机转子动态响应有不可接受的影响,为此耐磨擦的转子系统是非常需要的。要提高小发动机转子的动态性能,必须对低成本、高转速、多面平衡技术及高比刚度材料进行研究。

       包括小型高速辅助装置、高速轴承和轴密封装置、内流系统气流的有效控制、部件热环境的有效控制及流路密封等。内流系统的总目标是使叶型冷却气流效率达到最大值,而使轮缘和轮盘腔冷却要求达到最低限度,篦齿密封泄漏趋于最小值。改进密封则要求研究耐久、耐磨、抗腐蚀的喷雾系统和漏气少的内流系统密封装置。另外,减小附件尺寸和复杂性以及润滑系统的热管理也将是重要的技术问题。

       一体化系统设计为飞机和发动机提供了良好的可操纵性。为了成功地获得高可*性,必须使控制系统具有余度。尽管这些余度控制元件可提高任务可*性,但是在初步设计中如不采用先进技术,就有可能增加重量,这在小发动机中是特别关键的。因为控制系统重量在发动机总重量中可能占有很大比例。复合材料和光导纤维是显著减轻因小发动机余度控制装置而增加重量的两项可用先进技术。

       应用与影响:无人机最重要的用途之一是执行军事任务,其动力技术的先进程度决定了无人机完成各种军事任务的能力和可*程度,对于执行民用任务也是如此。可以说无人机动力技术的发展对无人驾驶航空器(包括导弹)技术的发展起着决定性作用,同时会带动相关技术的发展,如气动热力学、自动控制、结构材料和一体化设计等。
  
  
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