1、未來高高空長航時無人機動力市場前景廣大
90年代以來，世界范圍內掀起了無人機的發(fā)展熱潮，據統(tǒng)計，到2001年4月為止，共有32個國家大約生產了150多種無人機，有80多種無人機在55個國家使用，它們主要執(zhí)行軍用偵察任務。今后，隨著無人機市場的不斷發(fā)展，無人機動力的需求數量也將迅速增加。據預測，今后20年，世界范圍將需要無人機發(fā)動機50000~90000臺，總價值50~100億美元，其中用于高高空、長航時（HALE）無人機的發(fā)動機將達到500臺，總價值13億美元。因此，今后高高空、長航時無人機動力市場將有廣闊的發(fā)展前景。
2、國外高高空長航時無人機動力的重要發(fā)展途徑--采用現成的小型大涵道比民用渦扇發(fā)動機
由于高高空、長航時無人機與民用運輸機對發(fā)動機的要求有許多相同之處，例如它們都要求發(fā)動機重量輕、油耗低、成本低、工作壽命長、維護性好、可靠性高等。因此，采用現成的民用大涵道比運輸機發(fā)動機作為高高空、長航時無人機動力不僅滿足了高高空長航時無人機對發(fā)動機的性能要求，而且可降低研制風險、節(jié)省研制時間、減少研制成本和采購成本。美國諾斯羅普·格魯門公司已實際投入使用的"全球鷹"高高空、長航時無人機動力采用的就是羅·羅公司的支線客機發(fā)動機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公司的中小型公務機用發(fā)動機PW 545用于高高空、長航時無人機動力。在第一階段100多小時的試驗中，模擬飛行高度范圍50000~70000 ft（15240~21336m）和M數范圍0.5~0.8的飛行條件。結果證明，發(fā)動機可以在最高達70000 ft（21336m）的高空穩(wěn)定工作，而且發(fā)動機的推力和耗油率都比預計的要好。目前，正在進行的第二階段工作，是研究機動和低可觀測進氣道帶來的進氣畸變影響，并研究低壓渦輪的流動特性。如果研究順利，裝備這種發(fā)動機的高高空、長航時無人機也將很快出現在我們面前?？傊?，采用已有的民用大涵道比渦扇發(fā)動機已成為國外高高空、長航時無人機動力的重要發(fā)展途徑。
無疑，利用已有民用渦扇發(fā)動機改進發(fā)展的高高空、長航時無人機動力在技術上有很多共同點。只是高高空無人機動力的發(fā)展要針對其特殊的工作條件進行一些改進。
3、高高空長航時無人機動力的特有技術
盡管高高空無人機動力大量繼承了大涵道比民用渦扇發(fā)動機的先進技術，但由于高高空無人機的工作條件與普通民用運輸機的不同，它們一般是在60000ft（18km）以上的高空條件下飛行，而且無人機高空巡航時速度較低，空氣密度小，加之發(fā)動機的尺寸較小，導致發(fā)動機部件內流動雷諾數很低，因此發(fā)展高高空無人機的動力需考慮以下特殊技術問題：
?。?）風扇/壓氣機的喘振問題：在低雷諾數工作條件下，由于發(fā)動機風扇/壓氣機的穩(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、長航時無人機動力應特別考慮風扇/壓氣機的喘振問題。國外研究認為，增大高壓渦輪導向葉片面積和發(fā)動機外涵面積可減少高高空喘振現象的發(fā)生；
（2）高/低壓渦輪效率降低：在低雷諾數工作條件下，由于高/低壓渦輪表面的附面層容易分離，會導致渦輪效率的降低(美國無人機"全球鷹"的發(fā)動機AE3007H在高高空巡航時較起飛時效率降低幾個百分點)；同時，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，要準確估計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的降低都將大大影響渦輪級氣動性能的預測。因此，要防止渦輪效率降低，必須弄清高高空條件下渦輪內部的詳細流動機理；
（3）設計滿足高高空工作條件的發(fā)動機數字電子控制系統(tǒng)：美國P&W 公司在研究將PW 545用于高高空、長航時無人機動力時，發(fā)動機控制系統(tǒng)的設計有如下考慮，將Wf/P3驅動指令改為Wf指令，將數字電子控制瞬態(tài)圖、N2高度限制器、N2轉速限制器、加速限制器、減速限制器、BOV運行圖、N2低速高度補償、功率狀態(tài)表、發(fā)動機增益和動態(tài)補償圖擴展到65000ft（19812m）高度，將大氣壓力擴展到0.8psi，修改內部檢查和故障檢測方法，研究最小流量控制方法，取消P3計算機和比例單位限制邏輯等；
?。?）高高空條件下的燃燒系統(tǒng)技術：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、壓氣機擴壓器等部件的設計都應考慮低雷諾數的影響。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)結構設計；保證高空再點火及空中起動要求的噴嘴設計（或修改）方案，噴嘴設計要滿足高空再點火對噴霧性能的要求（如噴霧錐角與點火器的匹配等）；在高空不利條件下提高燃油霧化質量的措施，保證在高空巡航條件下有足夠的燃燒效率；
?。?）避免高高空條件下發(fā)生潤滑泵的氣穴現象：在高高空條件下，由于周圍大氣的壓力降低，發(fā)動機內部壓力也很低，特別是由于低雷諾數的影響，使軸承腔和滑油箱的壓力關系發(fā)生變化，這時空氣容易進入滑油泵，發(fā)生氣穴現象，因此應確定高高空條件下滑油泵的壓力損失關系，采取措施防止滑油泵氣穴現象的發(fā)生；
（6）加強發(fā)動機滑油系統(tǒng)的封嚴：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入空氣系統(tǒng)、燃氣通道或用戶放氣腔等處，因此在高高空條件下應改進發(fā)動機空氣系統(tǒng)，加強潤滑系統(tǒng)的封嚴，提高軸承腔等處的密封效率；
（7）轉子動力學問題的研究：由于穩(wěn)定性問題帶來的非同步振動會產生轉子的交變應力，導致高周疲勞問題的發(fā)生，同時增大機體的噪聲和振動。這一問題一般采用在轉子軸承和剛性轉子軸向推力軸承上安裝擠壓油膜阻尼器進行控制，在高高空情況下，擠壓油膜阻尼器的效率將有所損失。因此，高高空條件下轉子動力學問題也是研究的一個內容。
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