在2017年度國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會上，來自北京航空航天大學(xué)的“長鷹高原型遠(yuǎn)程無人偵察機(jī)系統(tǒng)”摘得國家科技進(jìn)步一等獎。與去年多個(gè)航展上亮相的“翼龍”等無人機(jī)一樣，“長鷹”也屬于高空長航時(shí)無人機(jī)(HALEUAV)。目前，HALEUAV一般指飛行高度大于18千米，巡航時(shí)間不小于24小時(shí)的無人機(jī)。由于這種無人機(jī)的飛行時(shí)間特別長，甚至一度被人稱為“大氣層人造衛(wèi)星”，它非常適用于高技術(shù)局部戰(zhàn)爭中的情報(bào)偵察和監(jiān)視任務(wù)，在我國的現(xiàn)代化發(fā)展進(jìn)程中具有重要戰(zhàn)略意義。
美國曾在《無人機(jī)系統(tǒng)路線圖(2005-2030)》中指出：“推進(jìn)技術(shù)和處理器技術(shù)是無人機(jī)的兩大關(guān)鍵技術(shù)”。無人機(jī)動力裝置的發(fā)展直接決定了無人機(jī)能夠飛多遠(yuǎn)、飛多久。
高空長航時(shí)無人機(jī)主要用于執(zhí)行偵察和傳感任務(wù)，甚至被要求具有察打一體化的能力，集偵察和打擊敵方目標(biāo)等能力于一體，如我國的“翼龍”無人機(jī)等。
這些任務(wù)都要求HALEUAV運(yùn)行、維護(hù)工作量少且可快速部署。因此，HALEUAV的動力裝置必須具有良好的可靠性，良好的燃油經(jīng)濟(jì)性，穩(wěn)定的高空工作能力和良好的爬升能力。發(fā)動機(jī)的重量要輕，壽命要長，運(yùn)行和維護(hù)成本要低。
偵察、傳感和打擊等多任務(wù)對無人機(jī)機(jī)載載荷提出了更高要求，要求無人機(jī)發(fā)動機(jī)需要提供更多的電力。
短航程飛機(jī)一般在6000米至9600米高度飛行，長航程飛機(jī)一般在8000米至12600米高度飛行，而高空長航時(shí)無人機(jī)的飛行高度更高。隨著高度的增加，空氣的密度和壓力都大大降低，當(dāng)高度達(dá)到24千米時(shí)，空氣的密度和壓力只有海平面的1/30左右。
渦輪發(fā)動機(jī)為了達(dá)到更高的增壓比就必須增加壓氣機(jī)的級數(shù)，活塞發(fā)動機(jī)也必須采用渦輪增壓器，這樣會大大增加無人機(jī)的重量，因此需要研究重量輕、效率高的壓縮系統(tǒng)。同時(shí)，增壓比增大使空氣的溫度比低空更高，空氣密度的降低使雷諾數(shù)減少，空氣的熱容量減小，嚴(yán)重影響了發(fā)動機(jī)的對流交換，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)散熱相對低空更加困難，對發(fā)動機(jī)的冷卻提出了更高要求。發(fā)動機(jī)分出更多的功率用于電力驅(qū)動，空氣密度大大降低進(jìn)一步增加了壓氣機(jī)喘振裕度的負(fù)擔(dān)，使高空工作的發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)穩(wěn)定性受到更大挑戰(zhàn)。
目前，高空長航時(shí)無人機(jī)動力類型包括渦扇發(fā)動機(jī)、渦槳發(fā)動機(jī)、帶渦輪增壓的渦輪-活塞組合發(fā)動機(jī)以及燃料電池和太陽能動力等。
MQ-9無人機(jī)（資料）
例如，美國的“全球鷹”等以偵察任務(wù)為主的先進(jìn)高空長航時(shí)無人機(jī)均選用渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)作為其動力裝置;“死神”MQ-9無人機(jī)則采用渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī);以色列“蒼鷺”無人機(jī)，采用渦輪增壓活塞發(fā)動機(jī)，已經(jīng)可以滿足高原無人機(jī)大多數(shù)使用要求。
如何使高空長航時(shí)無人機(jī)飛得更遠(yuǎn)、更久、更穩(wěn)，仍然是當(dāng)前和今后無人機(jī)動力裝置的重點(diǎn)研究方向。增材制造、先進(jìn)復(fù)合材料等技術(shù)的發(fā)展均為未來無人機(jī)發(fā)動機(jī)的發(fā)展提供了更多可能性。
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