油电混合电推进的中小型无人机作战应用研究

油电混合电推进的中小型无人机作战应用研究

无人机技术发展现状随着目标、跟踪、干扰、攻击、跟踪、交叉和加油等类型无人机在现代武器装备中的地位日益提高，针对无人机系统的车辆、气布局、飞机控制、数据链路、人工智能、车载武器等相关技术有所增加。1无人机气动发动机的选择现有的微小型、中型和大型无人机分别采用不同级别发动机,如图1和图2所示。一般来说,微小型无人机多为航模级无刷电机(T-Motor、EMAX等)、活塞发动机(3W、DA等)和微型涡喷发动机(JetCat、AMT等),中型无人机则配备功率较高的活塞/转子发动机(Rotax、Limbach等)、涡桨发动机(PW、PT6等)和涡喷发动机(Microturbo等),而大型无人机一般为有人作战飞机使用的涡扇发动机(Rolls-Royce、AE3007等)在无人机气动布局及总体设计中,发动机作为先决条件,直接决定和限制无人机外形、使用环境和综合性能指标。因此,基于现有发动机方案下的无人机气动外形大多相似,功能指标基本相近,如现有小型垂直起降无人机(Panther、CW-30等)多采用锂电-无刷电机动力的垂直起降和燃油-活塞发动机动力的水平飞行,而小型高速靶机(BQM-167A、S-200W等)则多为高油耗涡喷发动机的弹翼布局,飞行时间一般不超过1h,供靶时间不超过30min。如图3和图4所示。2推进混合动力的新技术应用油电混合动力,即燃油发动机输出功率部分或全部带动发电机发电,然后通过产生的电能给电机推进装置提供能量。随着油电混合动力研究的不断成熟,基于油电混合动力的无人机能将发动机和推进装置进行隔离,使得能源管理解耦,这对飞行器气动布局设计、飞行控制策略等关键环节约束简化显著,极大地发掘飞行器非常规设计与应用的潜在优势。在油电混合动力相关技术方面,欧美航空大国早已开始大量研究工作,如CLEEN、ERA、VTOLX-Plane、SCEPTOR、洁净天空、航迹2050等项目计划。目前,美国正在开发紧凑型、高功率密度、兆瓦级的电动机,同时电机效率达到99%、功重比达到13kW/kg。此外,NASA资助建设的电推进飞机试验台(NEAT),为带机尾附面层消除的单通道涡轮电推进概念机(STARC-ABL)提供2.6MW大型电力系统测试设备,该试验台拥有大功率常规和超导电驱动测试所需的功率、冷却和低温设施。与此同时,各大航空发动机制造商均在开发基于燃气涡轮发动机的混合电推进技术,如GE公司通过改造F110发动机,并分别从高压涡轮和低压涡轮提取250kW和750kW功率,共计1MW功率用于混合电推进技术验证工作。2.1压力和速度优势对于可重复入水跨介质无人机、小型亚声速长航时无人机、高效垂直起降无人机和中小型高原型短距起降无人机等非常规无人机设计而言,基于油电混合动力的无人机布局/动力/控制一体化设计具有一定参考价值。1)分布式推进无人机。采用分布式螺旋桨或分布式涵道风扇等电推进技术的中小型无人机,其起降状态的机翼高升力能实现高原环境下短距起降功能。如美X-57麦克斯韦验证机进行分布式小直径螺旋桨设计分析,该高升力螺旋桨能在低速起降状态下高效运转,同时在高速巡航状态下桨叶能折叠且与短舱贴合,减小巡航阻力(见图7)。同时2014年NASA先进飞行器计划资助的LEAPTech验证机项目,其着落状态定常滑流数值模拟表明,机翼最大升力系数能达到5.2,即不需要安装增升装置,机翼前缘的分布式螺旋桨动力就能满足无人机短距起降状态的高升力需求(见图5和图6)2)垂直起降无人机。将电推进动力分别布置在机翼和尾翼/鸭翼上,翼面通过机构偏转可实现无人机垂直起降。如DARPA在2013年发起的垂直起降验证机(VTOLX-Plane),致力于开发一款速度快、悬停效率高、巡航经济性好以及任务载荷质量大的新型垂直起降飞行器,其中极光公司的LightningStrike方案采用机翼和鸭翼布置电动涵道风扇实现无人机的垂直起降,并进行试验样机的演示飞行。与此同时,NASA正在研究机翼和尾翼采用电动螺旋桨动力的垂直起降验证机GL-103)边界层消除无人机。通过尾部或机翼后缘布置的电推进动力,可对机身或机翼等部件后缘低能量的边界层气流进行抽吸消除,减小飞行阻力,提高中小型无人机巡航时间。如带后置附面层消除的单通道涡轮电推进概念机(STARC-ABL),采用机身尾部电动涵道风扇动力,全机阻力减小,可节省约10%燃油消耗(见图9)。另外,2012年NASA基础航空项目资助的D8双气泡布局方案,采用尾部三台大涵道比涡扇发动机,对宽机身尾部边界层进行抽吸,风洞试验结果表明边界层消除效应可使该布局降低15%的燃油消耗(见图10)。4)电动涵道亚声速无人机。置于机身尾部的电动涵道风扇由活塞发动机发电提供能量,将活塞发动机的低耗油率和涵道风扇的高速性相结合,达到亚声速长航时巡航的目的。目前国内外电动涵道亚声速无人机的相关研究较少,开展该类研究需精细考虑活塞发动机可用功率与涵道风扇需用功率的匹配,而涵道风扇需用功率直接由无人机气动布局决定,同时还需兼顾电机能源转化效率和涵道风扇直径叶片数等参数,是典型的气动/涵道风扇/动力一体化设计问题。5)可重复入水跨介质无人机。采用电推进动力避免燃油发动机对水密问题的敏感性,同时无人机在水面和空中通过燃油发动机发电,为锂电池充电或电推进供电;在水下和出入水过程中则采用锂电池为电推进供电。为了保证无人机顺利出水,可利用水面滑跑或可增压高压气罐喷水等辅助手段起飞。如2016年,英国帝国理工大学空中机器人实验室成功试飞AquaMAV跨介质无人试验机,完成空中入水、水下出水及空中飞行测试(见图11)。该无人试验机在空中入水过程中,其机翼可以收起折叠成一条细线,减小入水冲击载荷。对于微小型飞行器完成出水过程,目前还缺乏一种完成微小型飞行器出水的高效动力。因此,该无人机采用存储在机身内的二氧化碳高压气罐提供短暂推力,使无人机“跳出”水面,同时机翼展开且螺旋桨工作,快速过渡到飞行状态(见图12)。该无人机将应用到石油泄露等紧急情况的水域采样或海洋环境的气候变化记录。2.2gl-10垂直起落架验证机基于油电混合动力的中小型无人机,其气动布局设计更为灵活,特别是分布式螺旋桨或分布式涵道风扇,在飞行控制策略上更加丰富,如垂直起降、推力矢量、主动流动控制、跨介质多模态控制等非常规控制策略。同时基于Pixhawk等开源飞控在垂直起降方面,如GL-10垂直起降验证机在机翼和尾翼采用电动螺旋桨动力,起降过程中可倾转机翼和尾翼处于垂直位置,控制方式与多旋翼基本相近,且悬停过程中机翼螺旋桨提供80%拉力,尾翼螺旋桨提供20%拉力;在平飞过程中则采用固定翼控制方式,通过传统气动舵面进行操控。在跨介质多模态控制方面,国内外早已开展大量相关研究工作,如鸬鹚无人机、XFC潜射无人机、军种通用弹簧折刀无人机、AquaMAV跨介质无人机、飞泳者(Flimmer)项目、埃利乌斯(Aelius)无人机等。该类无人机成本较低、控制空间广且威胁复杂度高。同时,相对于单次入水/出水而言,可重复入水跨介质的控制策略更为复杂,既需要保证无人机空中、水下和出入水多个模态的稳定可控,又必须协调全机能源管理以及各类问题的容错能力和余度技术。3开环运行应用基于油电混合动力的中小型无人机在设计上更为灵活,由此衍生的可重复入水跨介质、小型亚声速长航时、高效垂直起降和中小型高原型短距起降等非常规无人机的作战应用更为独特,甚至出现“改变游戏规划”的作战应用效果3.1简易起落架高原型中小型无人机需求我国高原山地面积广泛,边境线狭长且环境恶劣,同时高原寒地机场少、铁路有限。为了解决高原山地环境下的军用物资运输、持续情报侦察/监视、快速应急反应等军事需求,研发具有短距/垂直起降或弹射/伞降的简易起降高原型中小型无人机需求迫切。基于油电混合动力的中型分布式螺旋桨运输无人机,其机翼在分布式螺旋桨滑流作用下具备高升力系数,可大大缩减高原起降距离,能在野战机场或简易跑道起飞着落。3.2海上情报侦察从自然地理条件上讲,我国是世界上主要的濒海大国,地处太平洋西岸,除渤海是内海外,黄海、东海和南海均处太平洋缘海,海上边界线漫长且被第一岛链包围,来自岛屿争端、军事挑衅和海外利益等海上威胁日趋严峻。为此,发展具有海上部署方便、隐蔽性强、成本低的中小型无人机,能快速进行海上情报收集、目标监视、中继通信或目标导引等多种作战任务。基于油电混合动力的可重复入水跨介质中小型无人机,能兼顾航空飞行器的高速性和水下航行器的隐蔽性,且起降简单,方便部署,可获取空中、水面和水下的敌我信息,并针对敌方防御体系弱点,综合利用空中和水下突防手段实施作战任务。3.3增强模拟训练,提高模拟效果随着火炮、防空导弹和空空导弹等先进装备的不断出现,对于各类航空武器的性能鉴定和战机飞行员及高炮、地空导弹、雷达操作人员的模拟训练要求增强,这促使模拟各种飞机和导弹的靶机不断更新换代,特别是在亚声速、超声速和高机动性等高性能靶机方面。基于油电混合动力的小型亚声速无人机,采用活塞发动机作为动力源,涵道风扇提供推力。该方案具有飞行速度快、耗油率低的特点,能满足高速靶机供靶速度和时间要求,同时相对采用微型涡喷方案的弹翼布局成本更低。3.4低成本高无人蜂群核心能力近年来,随着垂直起降、(下转第51页)长航时等各类无人机平台的日趋成熟,基于智能导航算法的蜂群技术、集群编队、自动避障等无人机人工智能应用爆发增长,由此出现各种持续空中干扰/监视/攻击等作战应用,特别是由地面无人车、水下无人潜航器、水面无人艇、空中无人机等组成的低成本无人蜂群体系。基于油电混合动力的各类低成本无人机,能组成空中长航时侦察、亚声速高速突防以及水下穿透性监视/中继/导引突防等平台,提高体系快速情报收集、高速突防等节点能力。4仿真无人机及有