臨近空間飛行器動力系統發展趨勢分析

郭適俊

摘 要 臨近空間飛行器是近幾年的研究熱點，其可以被廣泛應用在軍事、通信等多個領域，具有遠大的應用前景。文章針對臨近空間飛行器的推進問題，總結了當前動力系統的研究現狀，詳細分析了沖壓發動機、爆轟發動機等動力系統的特點、優劣及實現可能性，探討了動力系統未來的發展趨勢。

關鍵詞 臨近空間飛行器；動力系統；太陽能；沖壓發動機；爆轟發動機

中圖分類號 G2 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）225-0122-02

1 研究背景

臨近空間飛行器，是指在臨近空間范圍內作持續或高速飛行的飛行器，其飛行高度為20到100千米，介于飛機和衛星飛行高度之間，在軍事偵察、通信、對地作戰以及民用觀測、探測、通信等方面有著重要的開發應用前景。一方面，臨近空間高度跨度大，空氣稀薄且不受雨雪等惡劣天氣的影響，特別適合高速飛行和長時駐空；另一方面，氣體密度小、分布不均勻，且伴隨復雜的電離現象，常規的發動機無法在臨近空間使用，為臨近空間動力系統的研究提出了挑戰。

按照飛行速度，臨近空間飛行器可分為低動態飛行器和高動態飛行器。低動態臨近空間飛行器主要有浮空氣球、平流層飛艇以及高空低速無人機等，速度較低，執行偵察、觀測、通信等任務；高動態臨近空間飛行器主要為高超聲速飛行器，執行精確打擊、戰略威懾等任務。不同的應用背景對飛行器的動力系統提出了不同要求，而在當前主要的研究熱點中，誰會是未來動力系統應用的主流呢？

2 低動態臨近空間飛行器

按照動力類型，低動態臨近空間飛行器可分為升力型、浮力型和升浮一體型。高空飛艇和氣球等為浮力型，即通過向內部充灌氦氣等密度小的氣體從而產生浮力上升，并通過氣壓調節、電動螺旋槳等手段對飛行高度進行控制，機動能力較差，技術難度也相對較低。在回收和發射時及時性不強，且飛行高度受到壓強的限制，但是其優點為節約能量，能夠長期滯留空中。

高空長航時無人機可能是未來低動態臨近空間飛行器的主要研究方向，從能源動力上看，太陽能和氫動力是最適宜的能源。因為高空的晴朗天氣非常適合太陽能的使用，而液氫的能量轉化效率較高，兩者又均為清潔能源。但太陽能無人機在夜間只能使用白天存儲的電能，這便要求太陽能板的轉化效率一定要足夠高，并需要攜帶更多的太陽能電池，從而降低了無人機的載荷能力。此外太陽能電池板在采集太陽能時需要大面積展開，這就要求無人機的展長一般都非常大，這就給其機動性帶來影響。氫動力無人機具有更大的載荷能力，但目前液氫的制備成本還較高，氫燃料電池的研究也不夠成熟，而且氫燃料電池的外殼一般厚重，降低了無人機的有效載荷，因此目前高空無人機還是主要以內燃機提供動力，內燃機的燃燒需要氧氣的參與，在高空一般空氣稀薄，燃燒效率被降低，能量轉換率較低。筆者認為，從技術難度上說，太陽能無人機的發展更容易取得突破，而太陽能和氫動力的組合使用也是可能的發展方向。

3 高動態臨近空間飛行器

臨近空間非常適合做高速飛行，高動態臨近空間飛行器的速度一般都超過馬赫數3。抱著對臨近空間飛行器高速、高機動性的期待，這里我們只討論有動力巡航的飛行器，而忽略助推—滑翔飛行器。

首先，為推動飛行器達到馬赫數3以上，動力系統必須具有很高的比沖。

其次，飛行器最好能從零速開始起飛，由于不同翼型與氣動布局所適合的飛行速度有所差異，因此動力系統要同時能在低速和高速下工作。

最后，飛行器如果能從臨近空間飛往太空更好，這樣能建立完整的一體化的空天平臺，降低火箭發射的成本。因此，未來高動態臨近空間飛行器動力系統必然向高比沖、寬速域、太空域的方向發展。目前，沖壓發動機和爆轟發動機是兩大研究熱點。

沖壓發動機通過前體壓縮面的激波對氣流進行壓縮，高速的氣體在燃燒室內燃燒，由噴管噴出形成推力。渦輪發動機無法滿足高速飛行的要求，而與火箭發動機相比，沖壓發動機的比沖更高，且直接從空氣中汲取氧氣，因而具有更大的載荷能力。但沖壓發動機必須在飛行器達到一定飛行速度時才能正常工作，無法從零速啟動。為解決這個問題，可由其他飛機將其推送到指定速度，但無疑耗費了較大成本，飛行器也無法在天地往返。因此必須考慮與其他發動機進行組合，即TBCC與RBCC，分別為沖壓發動機與渦輪發動機和火箭發動機的組合。先由渦輪發動機或火箭發動機將飛行器推動到一定速度和高度，再打開沖壓發動機點火工作。

注意到，上述的組合發動機還無法滿足所有的飛行要求，TBCC的飛行器無法進入太空，RBCC無法在低速時水平飛行，更理想的組合方式是渦輪、火箭與沖壓發動機的組合。但其實TBCC、RBCC的組合方式、模式切換等還有許多問題亟待解決，三種發動機的組合更是為時尚早。發動機組合與匹配問題是現在限制高空無人機的關鍵因素之一，相對比太陽能發動機以及氫燃料無人機，沖壓發動機實現難度會更小，其存在的不是理論問題，而是技術問題。

爆轟發動機是另一種吸氣式的可推動高速飛行的發動機，和其他發動機等壓燃燒的過程不同，爆轟發動機內的燃燒為等容燃燒，在狹小空間內氣體的溫度壓力急劇增加，形成爆轟波，推出后產生推力，進而推動無人機前進。這種方式也可以被稱為定容燃燒，該燃燒方式是普通燃燒方式效率的2倍。爆轟燃燒具有更高的熱效率，爆轟發動機具有更高的比沖，且對發動機的進氣速度沒有要求，故可從零速啟動，滿足了高比沖、寬速域的要求。

與常規的發動機對比，爆轟發動機減少了壓氣機、渦輪機等結構設備，降低了結構的復雜性與重量、造價，且推重比大、可靠性強。爆轟發動機一次點火產生一道爆轟波的發動機稱為脈沖爆轟發動機，具有重復點火、推力不穩定的缺點，而旋轉爆轟發動機能產生連續爆轟波，使爆轟發動機具有更高的工作效率。

目前，爆轟發動機的許多技術還處于研究階段，仍然面臨許多難題。首先爆轟發動機的起爆與過程控制仍有一定難度，通過對同一設備多次試驗，試驗結果仍有所不同，無法做到完美控制。其次，在液體燃料燃燒過程中摻入氧化劑的過程仍無法快速、精準反應，仍然需要進一步研究。最后由于在實際應用中存在著推動力不足的現象，需要使用多個推進器，但是其多個動力的耦合問題仍然亟需解決。但筆者認為，爆轟發動機比沖壓發動機具有更大的應用前景，能極大地減小飛行器動力系統的復雜程度，爆轟發動機與其他發動機組合能完美滿足未來臨近空間飛行器的應用。

另外，新技術和新能源在臨近空間飛行器動力系統中的應用也是未來的研究熱點之一。臨近空間飛行器常需要在高空長時停留，因此對能源系統效率要求很高，而核動力是非常理想的解決方案。如果未來核裂變和核聚變更安全可控，反應堆體積可以做到更小，解決了防護和重量問題，那么借助核反應所釋放的巨大能量，可以大大提升其動力輸出功率以及續航能力，這種高空無人機不但航時長，而且由于反應堆體積小，可以有效的增加其任務載荷。

等離子推進也是可能的發展方向之一，它不同于常規推進器噴出的高溫高壓氣體進行推進，而是通過電能的作用，使惰性化學物質形成高能量密度的等離子態噴射出去，這種發動機不需要氧化劑的助燃，因此不用攜帶笨重的燃料瓶，為任務設備提供了更多的有效載荷。由于不涉及燃燒過程，因此其可以在低溫環境下工作，所以相對于普通高溫高壓推進器其能源利用率會大大提高，并間接解決了高速飛行器的熱防護問題，此外電能與惰性化學物質攜帶方便，可以設計出更好氣動布局，減少外部風阻造成的能量損失。

4 結論

綜上分析，單一的動力系統很難滿足未來臨近空間飛行器的應用要求，多種推進方式的組合是未來的發展趨勢。對于低動態臨近空間飛行器，為保證其長航時的要求，以太陽能和氫為動力能源具有天然優勢，但相關的太陽能電池技術、氫燃料電池技術等需要更多的研究，且其存在著飛機表面積大、機動性差的問題；而高動態臨近空間飛行器的動力系統將向高比沖、大空域、寬速域的方向發展，其中爆轟發動機可能具有更大的發展潛力，但是無論理論還是技術方面，都還不成熟，仍然需要進一步探索，但是相關的組合發動機技術和爆轟發動機技術是未來研究的趨勢；另外，筆者認為，核動力推進、等離子推進等相關技術的研究應用可能給臨近空間飛行器的發展帶來根本性的突破。

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