高高空、长航时无人机航拍动力技术简介

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1、未来高高空长航时无人机航拍动力市场前景广大 　　 90年代以来，世界范围内掀起了无人机的发展热潮，据统计，到2001年4月为止，共有32个国家大约生产了150多种无人机，有80多种无人机在55个国家使用，它们主要执行军用侦察任务。今后，随着无人机市场的不断发展，无人机动力的需求数量也将迅速增加。据预测，今后20年，世界范围将需要无人机发动机50000~90000台，总价值50~100亿美元，其中用于高高空、长航时（HALE）无人机的发动机将达到500台，总价值13亿美元。因此，今后高高空、长航时无人机动力市场将有广阔的发展前景。 　　 2、国外高高空长航时无人机动力的重要发展途径--采用现成的小型大涵道比民用涡扇发动机 　　由于高高空、长航时无人机与民用运输机对发动机的要求有许多相同之处，例如它们都要求发动机重量轻、油耗低、成本低、工作寿命长、维护性好、可靠性高等。因此，采用现成的民用大涵道比运输机发动机作为高高空、长航时无人机动力不仅满足了高高空长航时无人机对发动机的性能要求，而且可降低研制风险、节省研制时间、减少研制成本和采购成本。美国诺斯罗普·格鲁门公司已实际投入使用的"全球鹰"高高空、长航时无人机动力采用的就是罗·罗公司的支线客机发动机AE3007；另外，美国NASA、德国MTU公司以及P&W公司从1998年开始研究将P&W公司的中小型公务机用发动机PW 545用于高高空、长航时无人机动力。在第一阶段100多小时的试验中，模拟飞行高度范围50000~70000 ft（15240~21336m）和M数范围0.5~0.8的飞行条件。结果证明，发动机可以在最高达70000 ft（21336m）的高空稳定工作，而且发动机的推力和耗油率都比预计的要好。目前，正在进行的第二阶段工作，是研究机动和低可观测进气道带来的进气畸变影响，并研究低压涡轮的流动特性。如果研究顺利，装备这种发动机的高高空、长航时无人机也将很快出现在我们面前。总之，采用已有的民用大涵道比涡扇发动机已成为国外高高空、长航时无人机动力的重要发展途径。 　　无疑，利用已有民用涡扇发动机改进发展的高高空、长航时无人机动力在技术上有很多共同点。只是高高空无人机动力的发展要针对其特殊的工作条件进行一些改进。 　 3、高高空长航时无人机航拍动力的特有技术 　　尽管高高空无人机动力大量继承了大涵道比民用涡扇发动机的先进技术，但由于高高空无人机航拍的工作条件与普通民用运输机的不同，它们一般是在60000ft（18km）以上的高空条件下飞行，而且无人机航拍高空巡航时速度较低，空气密度小，加之发动机的尺寸较小，导致发动机部件内流动雷诺数很低，因此发展高高空无人机的动力需考虑以下特殊技术问题： 　　（1）风扇/压气机的喘振问题：在低雷诺数工作条件下，由于发动机风扇/压气机的稳定工作边界缩小，容易发生喘振问题。因此，发展高高空、长航时无人机动力应特别考虑风扇/压气机的喘振问题。国外研究认为，增大高压涡轮导向叶片面积和发动机外涵面积可减少高高空喘振现象的发生； 　　（2）高/低压涡轮效率降低：在低雷诺数工作条件下，由于高/低压涡轮表面的附面层容易分离，会导致涡轮效率的降低(美国无人机"全球鹰"的发动机AE3007H在高高空巡航时较起飞时效率降低几个百分点)；同时，如果对边界条件（包括燃烧室出口分布、涡轮叶尖间隙和空气系统的改变）不了解，要准确估计涡轮效率随飞行高度的变化更困难。这些边界条件和雷诺数的降低都将大大影响涡轮级气动性能的预测。因此，要防止涡轮效率降低，必须弄清高高空条件下涡轮内部的详细流动机理； 　　（3）设计满足高高空工作条件的发动机数字电子控制系统：美国P&W 公司在研究将PW 545用于高高空、长航时无人机动力时，发动机控制系统的设计有如下考虑，将Wf/P3驱动指令改为Wf指令，将数字电子控制瞬态图、N2高度限制器、N2转速限制器、加速限制器、减速限制器、BOV运行图、N2低速高度补偿、功率状态表、发动机增益和动态补偿图扩展到65000ft（19812m）高度，将大气压力扩展到0.8psi，修改内部检查和故障检测方法，研究最小流量控制方法，取消P3计算机和比例单位限制逻辑等； 　　（4）高高空条件下的燃烧系统技术：为保证高空低压低温条件下的稳定燃烧、提高燃烧效率、可靠的空中起动和高空再点火性能，燃油喷嘴、燃油总管、流量分配阀、控制系统、热交换器和燃油泵以及燃烧室火焰筒、压气机扩压器等部件的设计都应考虑低雷诺数的影响。其中包括高空低压低温条件下保持燃烧稳定并具有较高燃烧效率的供油方案以及主燃区结构设计；保证高空再点火及空中起动要求的喷嘴设计（或修改）方案，喷嘴设计要满足高空再点火对喷雾性能的要求（如喷雾锥角与点火器的匹配等）；在高空不利条件下提高燃油雾化质量的措施，保证在高空巡航条件下有足够的燃烧效率； 　　（5）避免高高空条件下发生润滑泵的气穴现象：在高高空条件下，由于周围大气的压力降低，发动机内部压力也很低，特别是由于低雷诺数的影响，使轴承腔和滑油箱的压力关系发生变化，这时空气容易进入滑油泵，发生气穴现象，因此应确定高高空条件下滑油泵的压力损失关系，采取措施防止滑油泵气穴现象的发生； 　　（6）加强发动机滑油系统的封严：在高高空工作条件下，由于轴承密封压力降低，滑油有可能从轴承腔中泄漏出来进入空气系统、燃气通道或用户放气腔等处，因此在高高空条件下应改进发动机空气系统，加强润滑系统的封严，提高轴承腔等处的密封效率； 　　（7）转子动力学问题的研究：由于稳定性问题带来的非同步振动会产生转子的交变应力，导致高周疲劳问题的发生，同时增大机体的噪声和振动。这一问题一般采用在转子轴承和刚性转子轴向推力轴承上安装挤压油膜阻尼器进行控制，在高高空情况下，挤压油膜阻尼器的效率将有所损失。因此，高高空条件下转子动力学问题也是研究的一个内容。