高高空、長航時(shí)無人機(jī)動力技術(shù)簡介

1、未來高高空長航時(shí)無人機(jī)動力市場前景廣大
　　 90年代以來，世界范圍內(nèi)掀起了無人機(jī)的發(fā)展熱潮，據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2001年4月為止，共有32個(gè)國家大約生產(chǎn)了150多種無人機(jī)，有80多種無人機(jī)在55個(gè)國家使用，它們主要執(zhí)行軍用偵察任務(wù)。今后，隨著無人機(jī)市場的不斷發(fā)展，無人機(jī)動力的需求數(shù)量也將迅速增加。據(jù)預(yù)測，今后20年，世界范圍將需要無人機(jī)發(fā)動機(jī)50000~90000臺，總價(jià)值50~100億美元，其中用于高高空、長航時(shí)（HALE）無人機(jī)的發(fā)動機(jī)將達(dá)到500臺，總價(jià)值13億美元。因此，今后高高空、長航時(shí)無人機(jī)動力市場將有廣闊的發(fā)展前景。
　　 2、國外高高空長航時(shí)無人機(jī)動力的重要發(fā)展途徑--采用現(xiàn)成的小型大涵道比民用渦扇發(fā)動機(jī)
　　由于高高空、長航時(shí)無人機(jī)與民用運(yùn)輸機(jī)對發(fā)動機(jī)的要求有許多相同之處，例如它們都要求發(fā)動機(jī)重量輕、油耗低、成本低、工作壽命長、維護(hù)性好、可靠性高等。因此，采用現(xiàn)成的民用大涵道比運(yùn)輸機(jī)發(fā)動機(jī)作為高高空、長航時(shí)無人機(jī)動力不僅滿足了高高空長航時(shí)無人機(jī)對發(fā)動機(jī)的性能要求，而且可降低研制風(fēng)險(xiǎn)、節(jié)省研制時(shí)間、減少研制成本和采購成本。美國諾斯羅普·格魯門公司已實(shí)際投入使用的"全球鷹"高高空、長航時(shí)無人機(jī)動力采用的就是羅·羅公司的支線客機(jī)發(fā)動機(jī)AE3007；另外，美國NASA、德國MTU公司以及P&W公司從1998年開始研究將P&W公司的中小型公務(wù)機(jī)用發(fā)動機(jī)PW 545用于高高空、長航時(shí)無人機(jī)動力。在第一階段100多小時(shí)的試驗(yàn)中，模擬飛行高度范圍50000~70000 ft（15240~21336m）和M數(shù)范圍0.5~0.8的飛行條件。結(jié)果證明，發(fā)動機(jī)可以在最高達(dá)70000 ft（21336m）的高空穩(wěn)定工作，而且發(fā)動機(jī)的推力和耗油率都比預(yù)計(jì)的要好。目前，正在進(jìn)行的第二階段工作，是研究機(jī)動和低可觀測進(jìn)氣道帶來的進(jìn)氣畸變影響，并研究低壓渦輪的流動特性。如果研究順利，裝備這種發(fā)動機(jī)的高高空、長航時(shí)無人機(jī)也將很快出現(xiàn)在我們面前。總之，采用已有的民用大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)已成為國外高高空、長航時(shí)無人機(jī)動力的重要發(fā)展途徑。
　　無疑，利用已有民用渦扇發(fā)動機(jī)改進(jìn)發(fā)展的高高空、長航時(shí)無人機(jī)動力在技術(shù)上有很多共同點(diǎn)。只是高高空無人機(jī)動力的發(fā)展要針對其特殊的工作條件進(jìn)行一些改進(jìn)。
　　 3、高高空長航時(shí)無人機(jī)動力的特有技術(shù)
　　盡管高高空無人機(jī)動力大量繼承了大涵道比民用渦扇發(fā)動機(jī)的先進(jìn)技術(shù)，但由于高高空無人機(jī)的工作條件與普通民用運(yùn)輸機(jī)的不同，它們一般是在60000ft（18km）以上的高空條件下飛行，而且無人機(jī)高空巡航時(shí)速度較低，空氣密度小，加之發(fā)動機(jī)的尺寸較小，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)部件內(nèi)流動雷諾數(shù)很低，因此發(fā)展高高空無人機(jī)的動力需考慮以下特殊技術(shù)問題：
　　（1）風(fēng)扇/壓氣機(jī)的喘振問題：在低雷諾數(shù)工作條件下，由于發(fā)動機(jī)風(fēng)扇/壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作邊界縮小，容易發(fā)生喘振問題。因此，發(fā)展高高空、長航時(shí)無人機(jī)動力應(yīng)特別考慮風(fēng)扇/壓氣機(jī)的喘振問題。國外研究認(rèn)為，增大高壓渦輪導(dǎo)向葉片面積和發(fā)動機(jī)外涵面積可減少高高空喘振現(xiàn)象的發(fā)生；
　　（2）高/低壓渦輪效率降低：在低雷諾數(shù)工作條件下，由于高/低壓渦輪表面的附面層容易分離，會導(dǎo)致渦輪效率的降低(美國無人機(jī)"全球鷹"的發(fā)動機(jī)AE3007H在高高空巡航時(shí)較起飛時(shí)效率降低幾個(gè)百分點(diǎn))；同時(shí)，如果對邊界條件（包括燃燒室出口分布、渦輪葉尖間隙和空氣系統(tǒng)的改變）不了解，要準(zhǔn)確估計(jì)渦輪效率隨飛行高度的變化更困難。這些邊界條件和雷諾數(shù)的降低都將大大影響渦輪級氣動性能的預(yù)測。因此，要防止渦輪效率降低，必須弄清高高空條件下渦輪內(nèi)部的詳細(xì)流動機(jī)理；
　　（3）設(shè)計(jì)滿足高高空工作條件的發(fā)動機(jī)數(shù)字電子控制系統(tǒng)：美國P&W 公司在研究將PW 545用于高高空、長航時(shí)無人機(jī)動力時(shí)，發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有如下考慮，將Wf/P3驅(qū)動指令改為Wf指令，將數(shù)字電子控制瞬態(tài)圖、N2高度限制器、N2轉(zhuǎn)速限制器、加速限制器、減速限制器、BOV運(yùn)行圖、N2低速高度補(bǔ)償、功率狀態(tài)表、發(fā)動機(jī)增益和動態(tài)補(bǔ)償圖擴(kuò)展到65000ft（19812m）高度，將大氣壓力擴(kuò)展到0.8psi，修改內(nèi)部檢查和故障檢測方法，研究最小流量控制方法，取消P3計(jì)算機(jī)和比例單位限制邏輯等；
　　（4）高高空條件下的燃燒系統(tǒng)技術(shù)：為保證高空低壓低溫條件下的穩(wěn)定燃燒、提高燃燒效率、可靠的空中起動和高空再點(diǎn)火性能，燃油噴嘴、燃油總管、流量分配閥、控制系統(tǒng)、熱交換器和燃油泵以及燃燒室火焰筒、壓氣機(jī)擴(kuò)壓器等部件的設(shè)計(jì)都應(yīng)考慮低雷諾數(shù)的影響。其中包括高空低壓低溫條件下保持燃燒穩(wěn)定并具有較高燃燒效率的供油方案以及主燃區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；保證高空再點(diǎn)火及空中起動要求的噴嘴設(shè)計(jì)（或修改）方案，噴嘴設(shè)計(jì)要滿足高空再點(diǎn)火對噴霧性能的要求（如噴霧錐角與點(diǎn)火器的匹配等）；在高空不利條件下提高燃油霧化質(zhì)量的措施，保證在高空巡航條件下有足夠的燃燒效率；
　　（5）避免高高空條件下發(fā)生潤滑泵的氣穴現(xiàn)象：在高高空條件下，由于周圍大氣的壓力降低，發(fā)動機(jī)內(nèi)部壓力也很低，特別是由于低雷諾數(shù)的影響，使軸承腔和滑油箱的壓力關(guān)系發(fā)生變化，這時(shí)空氣容易進(jìn)入滑油泵，發(fā)生氣穴現(xiàn)象，因此應(yīng)確定高高空條件下滑油泵的壓力損失關(guān)系，采取措施防止滑油泵氣穴現(xiàn)象的發(fā)生；
　　（6）加強(qiáng)發(fā)動機(jī)滑油系統(tǒng)的封嚴(yán)：在高高空工作條件下，由于軸承密封壓力降低，滑油有可能從軸承腔中泄漏出來進(jìn)入空氣系統(tǒng)、燃?xì)馔ǖ阑蛴脩舴艢馇坏忍帲虼嗽诟吒呖諚l件下應(yīng)改進(jìn)發(fā)動機(jī)空氣系統(tǒng)，加強(qiáng)潤滑系統(tǒng)的封嚴(yán)，提高軸承腔等處的密封效率；
　　（7）轉(zhuǎn)子動力學(xué)問題的研究：由于穩(wěn)定性問題帶來的非同步振動會產(chǎn)生轉(zhuǎn)子的交變應(yīng)力，導(dǎo)致高周疲勞問題的發(fā)生，同時(shí)增大機(jī)體的噪聲和振動。這一問題一般采用在轉(zhuǎn)子軸承和剛性轉(zhuǎn)子軸向推力軸承上安裝擠壓油膜阻尼器進(jìn)行控制，在高高空情況下，擠壓油膜阻尼器的效率將有所損失。因此，高高空條件下轉(zhuǎn)子動力學(xué)問題也是研究的一個(gè)內(nèi)容。