无人机装上涡轮增压:不仅是简单的“推背感”

未来世界网www.51wxjz.com神舟十一号“回家”,无人机首次介入搜救任务。我国自主研发的首款高空涡轮增压活塞发动机,为无人机首次参加载人飞船返回空中搜救提供了全新的强劲动力,总体技术达到国际先进水平。

无人机装上涡轮增压:不仅是简单的“推背感”

神舟十一号载人飞船返回时,直播画面中出现了与以往不同的一幕——通过无人机上的“上帝视角”,人们更全方位地观察到了返回搜救过程。没错,在此次搜寻过程中,无人机率先抵达搜寻区域,传回了目标画面。

无人机装上涡轮增压:不仅是简单的“推背感”
▲图为中国航天科工三院31所研发的涡轮增压动力系统在旋翼机上进行高原起降验证试验。该系统能够达到高原条件下快速起飞并打破国内旋翼机飞行高度纪录

记者从中国航天科工三院31所了解到,该所自主研发的国内首款高空涡轮增压活塞发动机,为无人机首次参加载人飞船返回空中搜救提供了全新的强劲动力。其填补了我国高空长航时无人机涡轮增压动力系统的空白,总体技术达到国际先进水平。

“老古董”依然活跃在航空舞台

目前,用做航空动力的主要是活塞式发动机和涡轮发动机两大类型。

活塞式发动机的工作原理是,利用活塞的往复式运动产生动力,驱动螺旋桨旋转,从而使飞机前进。该发动机制造成本较低,推动了航空事业的快速发展。从1903年莱特兄弟发明世界上第一架飞机开始,直至第二次世界大战结束,几乎所有的飞机都采取活塞式发动机。但由于这种发动机自身原理带来的局限性,飞机的飞行速度始终无法突破音速,最大时速一直没超过800公里。

无人机装上涡轮增压:不仅是简单的“推背感”
▲图为涡轮增压动力系统在滑翔机上进行升限验证试验

从第二次世界大战后期开始,涡轮发动机诞生。这种发动机利用燃油燃烧的高温燃气驱动涡轮做旋转运动,既可以用涡轮旋转产生的动力驱动螺旋桨,也可以用排出的高速气流直接推动飞机前进。涡轮发动机使航空事业进入了喷气时代,大部分军用飞机都从活塞式发动机换装了涡轮发动机,飞行速度突破数倍音速。

虽然如此,作为老古董的活塞式发动机并没有退出历史舞台。涡轮发动机虽然速度快,却是真正的“油老虎”。与之相比,燃油消耗率低为活塞式发动机带来了无可比拟的优势,决定着它能拥有更长的续航时间。这一绝活,使得活塞式发动机依然活跃,速度不需要太快但需要一定经济性的飞机,比如通航飞机,依然大量使用活塞式发动机为动力。近年来,随着无人机的发展和应用,成本低廉、燃油消耗低的活塞式发动机已成为无人机的主要动力形式。特别是对于执行特殊任务的长航时无人机,几乎全部采取活塞式发动机为动力。据统计,以涡轮喷气发动机为动力的无人机,续航时间一般为数小时;而相同油量下以活塞发动机为动力的无人机,可以持续飞行数十小时。

在高空也能“焕发活力”

随着用途不断拓展,无人机越飞越高,自然吸气的活塞式发动机逐渐显得力不从心。开车去过高原的人都有体会,不仅人有高原反应,发动机同样如此,最明显的表现就是“没劲儿”。其原因就是,高海拔区域空气稀薄,发动机的实际进气量明显减少,从而导致功率严重降低。

为了让活塞式发动机在高空“焕发活力”,涡轮增压器应运而生。其原理是用活塞式发动机排出的废气驱动涡轮高速旋转,带动与涡轮同轴的压气机,使进入发动机的空气受到压缩,密度提高,从而提高发动机的实际进气量。

对于普通车用活塞式发动机而言,涡轮增压器为驾驶员带来了“推背感”和更多驾驶乐趣,同时能适应海拔数千米高原地区的驾驶需要,其增压比一般较低。但对高空无人机而言,所需的不仅是“推背感”,更要让无人机即使飞在数万米高空,也依然能保持强劲动力。因此,航空用涡轮增压器必须达到高增压比甚至是超高增压比。

涡轮增压技术是活塞式发动机发展史上具有里程碑意义的重大创新,不仅能大幅度提高发动机功率,还能进一步降低燃油消耗,让搭载活塞式发动机的无人机飞得更远。有的无人机甚至为发动机搭载了多台涡轮增压器,其连续增压,能使无人机飞到20公里的临近空间。这一高度的空气密度仅为地面的十分之一,普通活塞式发动机根本无法企及,但涡轮增压技术却能帮助无人机在这里自由翱翔。

说到高增压比涡轮增压器,不能不提它的“亲密搭档”——中冷器。为进一步发挥活塞式发动机的潜力,研究人员在高增压比涡轮增压器基础上,设计了中冷器,其本质是一种高效率换热器。中冷器安装在高增压比涡轮增压器之后,目的是给增压后的高压高密度空气降温。由于热胀冷缩,这种设计能使进入发动机的空气压力和密度进一步增大,从而让发动机功率进一步提高。高增压比涡轮增压技术和中冷技术的联合使用,不仅提高了发动机功率,还能降低发动机热负荷,减少污染物的排放,使活塞式发动机的潜力发挥到极致,更好地为无人机保驾护航。

带着多项绝技完成首秀

据31所涡轮增压活塞式发动机项目副总师甘斌林介绍,研究团队在8年前就瞄准国内无人机动力系统技术需求,开始了以突破关键技术达到产品研制的艰苦攻关。通过高空长航时无人机用单级高增压动力系统的研究,以及国内相关配套工作,首次掌握了单级高增压动力系统设计技术,达到了我国涡轮增压动力系统研制水平的突破性进展。

随着相关关键技术的逐一突破,研制团队几乎踏遍了祖国的边疆海域,搭载该动力系统的有人/无人飞行器在海拔4000多米的青藏高原、环境高温湿热复杂多变的南海海域、极限低温的漠北草原等地进行了多次试飞,先后完成3000余小时发动机部件及整机地面试验,100余架次、累积600多小时的飞行试验。

涡轮增压技术带给无人机的不仅是简单的“推背感”。别看这套动力系统体积不大,体内却凝结着众多最新设计理念:高增压比的涡轮增压器能够帮助无人机提高飞行高度;高效率的中冷器大大提升发动机功率;先进的自适应控制策略,则保证了发动机运行的稳定可靠。该系统首次解决了高空小尺寸条件下跨声速压气机效率低、稳定工作范围窄的难题,显著提高跨声速离心压气机性能;首次解决了高空小迎风面条件下中冷器换热效率低的技术难题,达到发动机高增压系统超紧凑结构设计;首次提出该项自适应控制策略,解决了全空域低速系统稳定工作的难题……与进口的同类发动机相比,该系统单级增压比提升了2.5倍,功率保持高度从4公里提高到10公里以上。

带着多项绝技,该系统顺利完成了首秀。此次参加神舟十一号飞船返回搜寻任务的无人机,在飞船返回前数小时就已升空,迅速攀升至指定高度后,采取定高飞行方式到达预定区域,在空中盘旋待命。返回舱降落后,该无人机迅速飞向目标着陆点,第一时间传回了画面。

目前,长航时无人机已在大气监测、海洋监察和地质勘测等领域发挥着越来越重要的作用,随着相关动力技术不断成熟,必将帮助其在天地间开展更多发现。

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