中高端无人机及其装置的研究

中高端无人机及其装置的研究

影像捕获和追踪2012年，2012年热点电影《间谍4》为猎人无人机设定了一个前台：远程控制、精确定位、清晰图像复制、红色图像捕捉、运输、调查和打击。他有“在千里之外杀死敌人”的冲动但最终，他被主人公的“眼睛”杀死，并在森林中被摧毁。捕食者无人机的动力是由一个涡轮增压-活塞发动机提供,最大飞行速度不大于240km/h,巡航时速约126km/h,最大飞行高度约8km。如果能够飞得更高、飞得更快,捕食者无人机的生存能力也许更强。1高端无人机6-34防护美国是世界上发展无人机型号、种类最多的国家,制定了明确的无人机发展路线图。美国军用无人机按飞行高度和航程进行分类(见图1),其中,高端无人机以美国高空长航时无人机全球鹰、隐身无人作战飞机X-45为代表,作为高空、高速、长航时、大载荷高端无人机平台,空中作战节奏快、机动性强、作战范围广,侦察、监视、火力打击多功能一体化;中端无人机以美国中空长航时无人机捕食者系列为代表,具有中空、低速、长航时特点,也具备侦察、监视和打击能力。2发动机的选用和适用情况根据对飞行速度、飞行高度、起降方式、续航时间、航程和经济性指标等的不同要求,发展了适合执行相应不同任务的无人机动力装置。其中,往复活塞式发动机主要用于低速、中低空无人机;涡喷发动机主要用于高空、高速无人机;涡轴发动机主要用于短距/垂直起降无人直升机;涡扇发动机主要用于高空高速长航时无人机和未来无人作战飞机。表1列出了各型发动机的无人机适用情况。目前,国际上中高端无人机的动力装置主要采用涡轮增压-活塞组合发动机和涡扇发动机。这两种发动机各有利弊,相对于涡扇发动机,涡轮增压-活塞组合发动机耗油率更低,相同的起飞质量和任务航程条件下的载荷能力更大,研制成本和维护成本更低;但带涡轮增压的活塞发动机经过数十小时就需要定期维护,经过数百小时就需要大修;而涡扇发动机经过数百小时使用后才需要维护,经过数千小时后才需要大修,而且飞行速度更快,飞行空域更宽,更适合高端长航时无人机的使用需求。3先进的无人智能产品美国的中高端无人机发展最早、水平最高、研发计划最多。美国空军MQ-9A捕食者B(也叫收割者)战术无人机由美国通用原子航空系统公司研制,可在15240m高空持续飞行超过24h。其发动机为涡桨发动机TPE331-10T,飞行速度相对于捕食者提高一倍,是美国空军第一型具备攻击能力的无人机。RQ-170哨兵是美国洛马公司的新型侦察无人机,2009年12月美国空军公开表示,在阿富汗坎大哈的美军基地部署了RQ-170哨兵(Sentinel)无人机,动力为两台威廉姆斯国际公司的FJ44-3E涡扇发动机,单台推力1334daN,最大起飞质量4t。RQ-170哨兵采用无尾飞翼式布局,颜色为中度灰色,说明其大部分时间只在中高空使用。美国诺格公司的全球鹰(GlobalHawk)无人侦察机作为一种先进的战略侦察平台早已为大家所熟悉,其动力装置为一台4200daN推力的装有全数字式全权限电子控制系统的AE3007H型涡扇发动机,质量746kg,推重比5.75。该发动机是艾利逊公司(罗罗公司的子公司)以民用AE3007发动机为基础,根据高空长航时的工作特点,改进设计了发动机的FA-DEC、辅助回油泵和电子放气控制阀,以比较低研制成本发展的一种高空长航时无人机动力装置。全球鹰的巡航速度635km/h,升限20km,最大续航时间大于36h。美国波音无人机系统公司研制的X-45A,其主要任务是用来验证无人作战飞机(UCAV)的技术可行性,能更快、更高效的应付21世纪的全球突发性事件。X-45无人作战飞机具有低探测、维护方便、执行任务费效比高等诸多优点。X-45A也采用了无尾翼设计,动力为一台霍尼维尔F124-GA-100不加力涡扇发动机,推力为2800daN,其进气口置于飞机的上方。X-45A机身内部有两个武器弹舱,翼展约为15.24m,任务起飞质量5529kg,典型任务高度11580m。自从美国的捕食者中空长航时无人机在波黑和伊拉克战场获得成功应用之后,中高端无人机所独具的全天候、大纵深侦察监视作战能力引起了许多国家的关注。以法国达索航空公司为主研制的欧盟隐身无人战斗机神经元验证机,除了能完成侦察、监视、通信中续和电子干扰等任务外,也具备直接作战能力,被誉为有效的多功能无人战斗机。它的动力装置采用1台罗罗公司的MK951型涡扇发动机,推力为2900daN,机长10m,翼展约12m,采用大三角机身,备有两个隐身的内置式武器舱,最大飞行高度13.3km,最大起飞质量5.5t,续航能力24h,飞行速度约为Ma=0.8。俄罗斯近年来认识到了在中高端无人机方面与美国的差距,正在全力追赶。俄方认为,苏霍伊设计局研制的BAS-62新型战略无人侦察机的性能在许多方面已超过美国的全球鹰无人侦察机,其起飞质量达8t,续航时间超过24h。表2是对目前国际上先进中高端无人机及其动力装置的统计。由表中可见,高端无人机具有高空、高速、长航时、大载荷的特点,其动力装置均采用涡扇发动机;中端无人机捕食者方案初期也采用过涡扇发动机作为动力,后因为成本问题,换用涡桨发动机,同时也降低了其使用高度和飞行速度。4中高端无人机设备的关键中高端无人机的飞行高度、飞行速度、飞行载荷、续航时间都取决于其动力装置。为了满足无人机的应用需求,动力装置必须解决以下关键技术。4.1发动机的运行能力中高端无人机长的续航时间需要发动机长时间工作能力来保证,发动机的长时间工作能力与其耗油率、零部件寿命、滑油消耗率等因素息息相关。采用耗油率较低的活塞发动机或涡扇发动机提供动力可以延长相同油量下无人机的续航时间。发动机长时间的工作,发动机热端零部件长期处于高的热负荷、高的气动负荷、高的离心负荷环境中,对其寿命极其不利,如何从结构、气动、冷却的设计方面提高零部件的耐受高负荷的能力,同时还应保证发动机结构简单、低成本,为中高端无人机动力装置的设计提高了难度。滑油消耗率也是制约发动机长时间工作能力的一项关键因素。发动机在高空环境下长时间工作,润滑系统的可靠密封非常重要。4.2地面和高空压力对于活塞发动机,需要加强涡轮增压,提高高空环境下活塞发动机的进气压力,从而提高其使用升限。对于涡扇发动机,高空低压环境下,发动机进气流量降低,风扇/压气机进气攻角增大,其稳定工作裕度显著降低,甚至可能发生喘振。中高端无人机在宽的空域范围内工作,对发动机燃烧室的点火和熄火边界、燃烧稳定性是较大的挑战。在高空低雷诺数条件下,附面层厚度增加,流动损失增大,叶轮机的工作效率也会显著降低。因此,要提高涡扇发动机的使用升限,就需要解决高空条件下风扇/压气机的稳定工作问题、燃烧室稳定燃烧的问题、涡轮效率降低问题、控制系统长时间可靠控制问题等。5影响