中國無人機動力裝置現(xiàn)狀淺析

■ 王士奇/中國航發(fā)研究院

目前，無人系統(tǒng)在各種軍事和經(jīng)濟活動中扮演的角色已越來越不可或缺，發(fā)展與之相匹配的動力裝置的重要性也日益凸顯。

在軍用領(lǐng)域，以無人機為代表的無人作戰(zhàn)系統(tǒng)已經(jīng)深刻影響了現(xiàn)代戰(zhàn)爭的形式，打開了新一輪軍事技術(shù)革命的大門，成為各軍事科技強國爭奪的戰(zhàn)略制高點；在民用領(lǐng)域，無人機已經(jīng)滲透到不同行業(yè)的眾多應(yīng)用場景中，處在大規(guī)模行業(yè)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化的前夜，或?qū)⒊蔀楹娇展I(yè)領(lǐng)域最具活力的增長領(lǐng)域。作為無人機的“心臟”，動力裝置的選擇在很大程度上決定了無人機的整體性能。

無人機動力的分類

無人機市場巨大、產(chǎn)品種類豐富，且有大量新興市場待開發(fā)，因而對動力的需求也是極其多樣的。無人機動力按照類型，可分為汽油活塞發(fā)動機、重油活塞發(fā)動機、渦扇發(fā)動機、渦噴發(fā)動機、渦軸發(fā)動機、渦槳發(fā)動機等；按照推力/功率范圍，可分為小推力/功率發(fā)動機（＜10 kN /500 kW）、中等推力/功率發(fā)動機（10～50 kN /500～1000 kW）、大推力/功率發(fā)動機（＞50 kN /1000 kW）。

活塞發(fā)動機

目前國內(nèi)大多數(shù)的無人機都是采用活塞發(fā)動機。活塞發(fā)動機是無人機最早、最廣泛使用的動力裝置，技術(shù)較為成熟。鑒于其良好的經(jīng)濟性和可靠性，一直在中低速無人機和長航時無人機領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。根據(jù)所應(yīng)用的機型不同，活塞發(fā)動機的功率小至幾千瓦，大至300kW以上，其適用速度一般不超過300 km/h，升限一般不超過8000 m。如美軍的RQ-1“捕食者”無人機采用的是羅塔克斯（Rotax）914渦輪增壓汽油活塞發(fā)動機，功率為78 kW。

相較汽油活塞發(fā)動機，重油活塞發(fā)動機具有更高的燃油效率和燃料的安全性、易獲得性，在長航時無人機以及艦載無人機應(yīng)用領(lǐng)域，正在得到越來越多的關(guān)注和越來越強烈的需求。

渦軸/渦槳發(fā)動機

相比活塞發(fā)動機，同樣以功率形式輸出動力的渦軸發(fā)動機具有功重比大、結(jié)構(gòu)緊湊、振動小、高原性能好、燃料適用性好、便于維修等優(yōu)點，渦軸發(fā)動機因而代替活塞發(fā)動機成為直升機的主要動力裝置。目前世界上所有最大起飛重量在1.5t以上的直升機都采用渦軸發(fā)動機作為其主動力裝置，最大起飛重量在0.7～1.5t之間的直升機有一半以上是采用渦軸發(fā)動機，而最大起飛重量在0.7t以下的直升機也會根據(jù)不同的應(yīng)用場景使用渦軸發(fā)動機。例如，美軍的RQ-8B“火力偵察兵”無人直升機（最大起飛重量1.4t）采用了羅羅公司的RR-250-C20W渦軸發(fā)動機，最大功率為313 kW；加拿大CL327無人直升機（最大起飛重量0.35t）采用了威廉姆斯WTS-125渦軸發(fā)動機，最大功率為92 kW。

而渦槳發(fā)動機同樣具備上述優(yōu)點，使得其在中大型固定翼無人機中具有廣泛應(yīng)用，如“捕食者”B無人機選用霍尼韋爾公司700 kW級的TPE331 -10T發(fā)動機。

渦噴發(fā)動機

渦噴發(fā)動機具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、尺寸小、推重比大、響應(yīng)快和相比渦扇發(fā)動機成本低等顯著優(yōu)點，能使飛行器實現(xiàn)高速飛行。高空、高速無人機一般會將渦噴發(fā)動機作為首選動力。例如，美軍BQM-34A“火蜂”無人機采用特里達因公司的J69-T-29A渦噴發(fā)動機，推力為7.6 kN。

雖然由于渦噴發(fā)動機的耗油率較高，在2 kN推力以上和長航程的應(yīng)用場景下已經(jīng)被渦扇發(fā)動機所替代，但是小推力渦噴發(fā)動機在靶機、靶彈等特殊的應(yīng)用領(lǐng)域仍然具有獨特的地位。

渦扇發(fā)動機

渦扇發(fā)動機具有耗油率低、壽命長、易于實現(xiàn)系列化等優(yōu)點，其質(zhì)量和推力等級能與無人機實現(xiàn)較好匹配，非常適合無人機對動力的需求。目前，渦扇發(fā)動機主要作為高空長航時無人機和亞聲速遠程巡航導(dǎo)彈的動力。例如，美國的X-47B艦載無人戰(zhàn)斗機配備普惠公司F100-220U渦扇發(fā)動機，最大推力為64.9 kN；RQ-4“全球鷹”無人機配備羅羅公司的AE3007H渦扇發(fā)動機，最大推力為32 kN；RQ-3“暗星”無人機裝備威廉姆斯公司的FJ-44-1A渦扇發(fā)動機，最大推力為8.6 kN；美國“戰(zhàn)斧”式巡航導(dǎo)彈裝備威廉姆斯公司的F107渦扇發(fā)動機，推力為2.6 kN。可以看出，配備渦扇發(fā)動機的無人機基本上都代表了世界無人機的最高水平，其升限一般在10000～20000 m，最大飛行馬赫數(shù)（Ma）可以達到0.85。

轉(zhuǎn)子發(fā)動機

轉(zhuǎn)子發(fā)動機又稱萬克爾發(fā)動機（Wankel Engine），是一種無活塞回旋式發(fā)動機。轉(zhuǎn)子發(fā)動機的基本結(jié)構(gòu)是在一個橢圓形的空間中，置入一個勒洛三角形的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子的三個面將橢圓形空間劃分為三個獨立的燃燒室。由于轉(zhuǎn)子為偏心運轉(zhuǎn)，因此這些被分隔的獨立燃燒室在運轉(zhuǎn)過程中容積會不斷地改變，此型發(fā)動機就是利用密閉空間變化的特質(zhì)來達成四行程運轉(zhuǎn)所需要的進氣、壓縮、點火與排氣過程。由于轉(zhuǎn)子發(fā)動機的特殊結(jié)構(gòu)特點，使得其具有結(jié)構(gòu)簡單、功重比高、振動與噪聲小等優(yōu)點，特別適合作為小型無人機的動力裝置。比如Austro發(fā)動機公司研發(fā)的AE50R（功率41 kW）轉(zhuǎn)子發(fā)動機已于2011年獲得歐洲航空安全局（EASA）的適航認證， 并應(yīng)用于西貝爾公司S-100無人直升機。

電動機

微小型無人機（質(zhì)量＜100 kg）一般自帶鋰電池，并采用電動機帶動旋翼或螺旋槳作為動力裝置。其結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，功率大小可隨意選擇。如大疆公司的消費級無人機均采用電動機作為其動力裝置。

但是由于目前電池自身的能量密度太低，采用電池帶動電動機的動力形式無法保證無人機的長時間飛行（＞1h），極大地限制了它的應(yīng)用場景。

其他新概念發(fā)動機

由于沒有人類生命保障的限制，無人機的應(yīng)用范圍大大增加，特別是在超高過載、超長航時、超高聲速等非傳統(tǒng)有人機應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒋蠓女惒省Ｒ虼耍鲊诶^續(xù)發(fā)展傳統(tǒng)航空發(fā)動機技術(shù)的同時，都在積極探索基于未來無人機應(yīng)用的新概念發(fā)動機架構(gòu)，如針對未來高超聲速飛行器、空天飛機等應(yīng)用場景發(fā)展出的超燃沖壓發(fā)動機、脈沖爆震發(fā)動機、渦輪基組合發(fā)動機、火箭基組合發(fā)動機等；針對未來全電和多電飛機研發(fā)的混合動力系統(tǒng)和核動力發(fā)動機等。例如，賽峰公司已經(jīng)于2017年發(fā)布了航空電推進技術(shù)路線圖，并于2018年進行了分布式混合電推進系統(tǒng)地面試驗。

Austro發(fā)動機公司研發(fā)的 AE50R轉(zhuǎn)子發(fā)動機

S-100無人直升機

中國無人機動力的現(xiàn)狀

長期以來，我國發(fā)動機型號的研制都是緊跟國防建設(shè)的戰(zhàn)略需求，將絕大部分資源都投入到了主力戰(zhàn)機的配套發(fā)動機研制中去，現(xiàn)有的大部分發(fā)動機都是根據(jù)有人駕駛飛機配套研發(fā)的。同時，由于無人機在近年來發(fā)展迅猛，其對動力的需求與有人駕駛飛機有一定區(qū)別，這就造成了目前我國無人機動力的發(fā)展遠遠滯后于無人機系統(tǒng)的發(fā)展，并開始制約無人機的進一步發(fā)展。

中小型無人機無中國“心”可用

活塞動機主要用于中小型中低空低速無人機，由于國內(nèi)航空發(fā)動機行業(yè)長期處于落后狀態(tài)，性能遠不如國外同類產(chǎn)品，還有很多功率級別的型號處于空白狀態(tài)。國內(nèi)無人機廠商不得不購買國外廠家的成熟的產(chǎn)品，使得國外的活塞發(fā)動機廠商，如奧地利羅塔克斯（Rotax）公司、美國萊康明（Lycoming）公司等，基本壟斷了國內(nèi)的航空活塞發(fā)動機市場。而對于燃油性能和高空性能更加優(yōu)異的重油活塞發(fā)動機，國外廠家甚至直接明令禁止國內(nèi)用作無人機動力。

由于燃氣渦輪發(fā)動機的自身優(yōu)勢，其在中小型無人機動力中也占據(jù)重要地位。但目前國內(nèi)市場在長壽命小型渦輪燃氣發(fā)動機領(lǐng)域，如300kW以下級別的小型渦軸/渦槳發(fā)動機、2～10 kN推力的小型渦扇發(fā)動機等，還處于空白狀態(tài)，導(dǎo)致很多正在研制的無人機系統(tǒng)，如1t級無人直升機、1t級高速固定翼無人機等無可靠的國產(chǎn)動力。

高空長航時無人機動力空白

在10000米以上高空條件下，活塞發(fā)動機因空氣稀薄性能衰減嚴重，即使是采用渦輪增壓也無法滿足使用條件，螺旋槳的推進效率也同樣會大大降低，因此必須使用高增壓比高性能的渦輪燃氣發(fā)動機。另外，相比渦扇發(fā)動機，渦噴發(fā)動機的耗油率過高。所以，針對高空長航時無人機，渦扇發(fā)動機是最佳動力選擇。

由于我國目前還沒有一款滿足條件的渦扇發(fā)動機可用，這就造成我國成熟的高性能無人機面臨選發(fā)困難。雖然已有多家單位正在研發(fā)高空長航時無人機，但其動力裝置的選擇是影響研發(fā)進度的最大變數(shù)。

中國航發(fā)在無人機動力領(lǐng)域有待進一步發(fā)力

中國航發(fā)作為中國航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)的國家隊和領(lǐng)頭羊，始終聚焦國家的戰(zhàn)略需求，在2018年中國航展上參展（包括單獨展示和隨飛機展示）的型號多達13種，涵蓋渦扇、渦軸、渦槳、渦噴等4大類。其中，AEF50E渦扇發(fā)動機、AEP50E渦槳發(fā)動機、AEF20E渦噴發(fā)動機等3款可用于無人機的發(fā)動機，旨在填補我國急需的無人機動力空白。

系統(tǒng)外資本大舉進入發(fā)動機產(chǎn)業(yè)

活塞發(fā)動機方面，受國內(nèi)通用航空產(chǎn)業(yè)以及無人機產(chǎn)業(yè)發(fā)展的刺激，民營企業(yè)大舉進入航空活塞發(fā)動機產(chǎn)業(yè)。以安徽航瑞動力和重慶宗申航發(fā)為代表的企業(yè)堅持走自主研發(fā)的道路，而以武漢文發(fā)航空、隆鑫通用、蕪湖鉆石航發(fā)、山河航空動力、廈門林巴赫航發(fā)為代表的公司則選擇收購國外成熟發(fā)動機公司或者以成立中外合資公司的模式進入航空發(fā)動機領(lǐng)域。近期，宗申航發(fā)的C115發(fā)動機已經(jīng)配裝在“彩虹”3無人機上，并實現(xiàn)了小批量生產(chǎn)銷售。

在2018年中國航展展出的AEF50E渦扇發(fā)動機

在2018年中國航展展出的AEP50E渦扇發(fā)動機

渦輪燃氣發(fā)動機方面，主要針對國內(nèi)高端無人機對動力的強勁需求，以及未來國內(nèi)通用航空發(fā)展的美好預(yù)期，中國航發(fā)以外的單位，或通過聯(lián)合資本和科研機構(gòu)、或通過引進國外技術(shù)、或通過自身實力研發(fā)的手段，紛紛進入此領(lǐng)域。如中國科學(xué)院工程熱物理研究所聯(lián)合陜西煉石有色資源股份有限公司，研發(fā)7.5 kN推力級渦扇發(fā)動機，同時還在研發(fā)4 kN和10 kN推力級小型渦扇發(fā)動機；北京航空航天大學(xué)聯(lián)合瀘州市政府成立瀘州研究院，正在研發(fā)100kW級渦軸發(fā)動機，旨在建立國內(nèi)中小型航空發(fā)動機生產(chǎn)研發(fā)基地；安徽應(yīng)流航空聯(lián)合德國SBM渦輪公司開發(fā)了97kW和120kW兩種型號的渦軸發(fā)動機，配裝自行研發(fā)的有人和無人直升機；華擎航發(fā)正在自行研發(fā)5kN級渦扇發(fā)動機；上海尚實能源正在自行研發(fā)500 kW的輔助動力裝置（APU）和600 kW級渦槳發(fā)動機；同時，越來越多的民營企業(yè)，如德陽鈺鑫機械、威斯德姆（Wisdom）渦輪、貴州黎陽天翔、新奧動力等公司在地面燃氣輪機領(lǐng)域有了一定積累后，也在試圖進入航空發(fā)動機領(lǐng)域。

小型渦噴發(fā)動機發(fā)展迅猛

隨著軍民融合戰(zhàn)略的深入實施，軍隊實戰(zhàn)化訓(xùn)練的持續(xù)推行，一次性使用的靶機、靶彈市場向民營企業(yè)持續(xù)擴大開放，國內(nèi)多家民營企業(yè)開始自行研發(fā)高速靶機產(chǎn)品，如北京金鵬達航空、綿陽富萊特航空、中天澤智能裝備等。與此同時，其對配套使用的小型渦噴發(fā)動機的需求出現(xiàn)了井噴之勢。除了擁有傳統(tǒng)優(yōu)勢的中國人民解放軍總參謀部第六十研究所之外，北京中科岱宗航空、北航瀘州研究院、北京馳宇空天技術(shù)、常州環(huán)能渦輪動力、上海南迅航空科技、雷霆渦噴等新勢力也都在研發(fā)各自的小型渦噴發(fā)動機產(chǎn)品。

此外，國內(nèi)高端航模市場對航模用的微小型渦噴發(fā)動機的需求也出現(xiàn)了井噴之勢。保定玄云渦噴動力、中動航空科技、雷虎飛行器集團等國內(nèi)民營企業(yè)敏銳地抓住了市場需求，開發(fā)出了一系列航模飛機的小型渦噴發(fā)動機和小型渦軸發(fā)動機，滿足航模愛好者的需求。

中國無人機動力的發(fā)展方向

補足短板，完善現(xiàn)有發(fā)動機譜系

除了在傳統(tǒng)的領(lǐng)域，如大推力高推重比渦扇發(fā)動機、大推力高涵道比商用渦扇發(fā)動機、中大功率渦軸發(fā)動機等繼續(xù)夯實技術(shù)基礎(chǔ)，追趕國際先進水平，滿足目前國家的重大戰(zhàn)略需求，以及未來大型空中無人平臺的發(fā)展之外，也應(yīng)重點關(guān)注我國現(xiàn)階段以及未來中小型空中無人平臺發(fā)展對動力裝置的迫切需求，為其提供多種選項，完善我國航空發(fā)動機的型號譜系，如功率不大于300kW的活塞發(fā)動機配裝低空低速無人機；功率不大于600kW的渦軸發(fā)動機配裝旋翼無人機；推力范圍為0.4～2 kN的渦噴發(fā)動機，配裝靶機、靶彈、高速無人機；推力范圍為2～50 kN的渦扇發(fā)動機，滿足中高端無人機平臺多樣性的動力需求等。

布局未來，加強技術(shù)儲備

應(yīng)從長遠出發(fā)，堅持動力先行的原則，積極開展無人機動力裝置的預(yù)先研究和自主創(chuàng)新工作，為適應(yīng)未來無人機發(fā)展的要求打下堅實的基礎(chǔ)。

軍民融合，發(fā)揮各自優(yōu)勢

針對活塞發(fā)動機，由于其與通用航空發(fā)動機的通用性，應(yīng)充分發(fā)揮通用航空市場發(fā)展的牽引作用，調(diào)動民營資本的積極性和靈活性，降低研發(fā)成本，減少研發(fā)周期，以民養(yǎng)軍，以民促軍。

對于短壽命渦噴發(fā)動機、小推力渦扇發(fā)動機、小功率渦軸發(fā)動機等技術(shù)門檻相對較低、通用航空屬性明顯、制造難度相對較低的產(chǎn)品，應(yīng)充分發(fā)揮市場優(yōu)勢，共享資源，引導(dǎo)民營資本發(fā)揮自身優(yōu)勢，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，共同促進產(chǎn)業(yè)的健康快速發(fā)展。

而對于中大推力渦扇發(fā)動機、中大功率渦軸/渦槳發(fā)動機等技術(shù)含量高，制造難度大的硬骨頭，應(yīng)該充分發(fā)揮央企單位“集中力量辦大事”的體制優(yōu)勢，集中力量，早日攻克技術(shù)難關(guān)。

結(jié)束語

目前我國無人機動力短板多、差距大，要實現(xiàn)跨越式發(fā)展，首先要認清現(xiàn)實，承認差距；但更重要的是凝聚信心，集全國之智，齊心協(xié)力，腳踏實地，在現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)上認真總結(jié)、仔細優(yōu)化。實現(xiàn)無人機動力裝置的趕超和引領(lǐng)的歷史使命，雖道阻且長，但毅行必至。