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設備與工具神舟十一號“回家”，無人機首次介入搜救任務。我國自主研發(fā)的首款高空渦輪增壓活塞發(fā)動機，為無人機首次參與載人飛船返回空中搜救提供了全新的強勁動力，總體技術達到國際先進水平。
神舟十一號載人飛船返回時，直播畫面中出現(xiàn)了與以往不同的一幕——通過無人機上的“上帝視角”，人們更全方位地觀察到了返回搜救過程。沒錯，在此次搜尋過程中，無人機率先抵達搜尋區(qū)域，傳回了目標畫面。
記者從中國航天科工三院31所了解到，該所自主研發(fā)的國內首款高空渦輪增壓活塞發(fā)動機，為無人機首次參與載人飛船返回空中搜救提供了全新的強勁動力。其填補了我國高空長航時無人機渦輪增壓動力系統(tǒng)的空白，總體技術達到國際先進水平。
“老古董”依然活躍在航空舞臺
目前，用做航空動力的主要是活塞式發(fā)動機和渦輪發(fā)動機兩大類型。
活塞式發(fā)動機的工作原理是，利用活塞的往復式運動產生動力，驅動螺旋槳旋轉，從而使飛機前進。該發(fā)動機制造成本較低，推動了航空事業(yè)的快速發(fā)展。從1903年萊特兄弟發(fā)明世界上第一架飛機開始，直至第二次世界大戰(zhàn)結束，幾乎所有的飛機都采用活塞式發(fā)動機。但由于這種發(fā)動機自身原理帶來的局限性，飛機的飛行速度始終無法突破音速，最大時速一直沒超過800公里。
從第二次世界大戰(zhàn)后期開始，渦輪發(fā)動機誕生。這種發(fā)動機利用燃油燃燒的高溫燃氣驅動渦輪做旋轉運動，既可以用渦輪旋轉產生的動力驅動螺旋槳，也可以用排出的高速氣流直接推動飛機前進。渦輪發(fā)動機使航空事業(yè)進入了噴氣時代，大部分軍用飛機都從活塞式發(fā)動機換裝了渦輪發(fā)動機，飛行速度突破數(shù)倍音速。
盡管如此，作為老古董的活塞式發(fā)動機并沒有退出歷史舞臺。渦輪發(fā)動機雖然速度快，卻是真正的“油老虎”。與之相比，燃油消耗率低為活塞式發(fā)動機帶來了無可比擬的優(yōu)勢，決定著它能擁有更長的續(xù)航時間。這一絕活，使得活塞式發(fā)動機依然活躍，速度不需要太快但需要一定經濟性的飛機，例如通航飛機，依然大量使用活塞式發(fā)動機為動力。近年來，隨著無人機的發(fā)展和應用，成本低廉、燃油消耗低的活塞式發(fā)動機已成為無人機的主要動力形式。特別是對于執(zhí)行特殊任務的長航時無人機，幾乎全部采用活塞式發(fā)動機為動力。據(jù)統(tǒng)計，以渦輪噴氣發(fā)動機為動力的無人機，續(xù)航時間一般為數(shù)小時；而相同油量下以活塞發(fā)動機為動力的無人機，可以持續(xù)飛行數(shù)十小時。
在高空也能“煥發(fā)活力”
隨著用途不斷拓展，無人機越飛越高，自然吸氣的活塞式發(fā)動機逐漸顯得力不從心。開車去過高原的人都有體會，不僅人有高原反應，發(fā)動機同樣如此，最明顯的表現(xiàn)就是“沒勁兒”。其原因就是，高海拔區(qū)域空氣稀薄，發(fā)動機的實際進氣量明顯減少，從而導致功率嚴重降低。
為了讓活塞式發(fā)動機在高空“煥發(fā)活力”，渦輪增壓器應運而生。其原理是用活塞式發(fā)動機排出的廢氣驅動渦輪高速旋轉，帶動與渦輪同軸的壓氣機，使進入發(fā)動機的空氣受到壓縮，密度提高，從而提高發(fā)動機的實際進氣量。
對于普通車用活塞式發(fā)動機而言，渦輪增壓器為駕駛員帶來了“推背感”和更多駕駛樂趣，同時能適應海拔數(shù)千米高原地區(qū)的駕駛需要，其增壓比一般較低。但對高空無人機而言，所需的不僅是“推背感”，更要讓無人機即使飛在數(shù)萬米高空，也依然能保持強勁動力。因此，航空用渦輪增壓器必須實現(xiàn)高增壓比甚至是超高增壓比。
渦輪增壓技術是活塞式發(fā)動機發(fā)展史上具有里程碑意義的重大創(chuàng)新，不僅能大幅度提高發(fā)動機功率，還能進一步降低燃油消耗，讓搭載活塞式發(fā)動機的無人機飛得更遠。有的無人機甚至為發(fā)動機搭載了多臺渦輪增壓器，其連續(xù)增壓，能使無人機飛到20公里的臨近空間。這一高度的空氣密度僅為地面的十分之一，普通活塞式發(fā)動機根本無法企及，但渦輪增壓技術卻能幫助無人機在這里自由翱翔。
說到高增壓比渦輪增壓器，不能不提它的“親密搭檔”——中冷器。為進一步發(fā)揮活塞式發(fā)動機的潛力，研究人員在高增壓比渦輪增壓器基礎上，設計了中冷器，其本質是一種高效率換熱器。中冷器安裝在高增壓比渦輪增壓器之后，目的是給增壓后的高壓高密度空氣降溫。由于熱脹冷縮，這種設計能使進入發(fā)動機的空氣壓力和密度進一步增大，從而讓發(fā)動機功率進一步提高。高增壓比渦輪增壓技術和中冷技術的聯(lián)合使用，不僅提高了發(fā)動機功率，還能降低發(fā)動機熱負荷，減少污染物的排放，使活塞式發(fā)動機的潛力發(fā)揮到極致，更好地為無人機保駕護航。
帶著多項絕技完成首秀
據(jù)31所渦輪增壓活塞式發(fā)動機項目副總師甘斌林介紹，研究團隊在8年前就瞄準國內無人機動力系統(tǒng)技術需求，開始了以突破關鍵技術實現(xiàn)產品研制的艱苦攻關。通過高空長航時無人機用單級高增壓動力系統(tǒng)的研究，以及國內相關配套工作，首次掌握了單級高增壓動力系統(tǒng)設計技術，實現(xiàn)了我國渦輪增壓動力系統(tǒng)研制水平的突破性進展。
隨著相關關鍵技術的逐一突破，研制團隊幾乎踏遍了祖國的邊疆海域，搭載該動力系統(tǒng)的有人/無人飛行器在海拔4000多米的青藏高原、環(huán)境高溫濕熱復雜多變的南海海域、極限低溫的漠北草原等地進行了多次試飛，先后完成3000余小時發(fā)動機部件及整機地面試驗，100余架次、累積600多小時的飛行試驗。
渦輪增壓技術帶給無人機的不僅是簡單的“推背感”。別看這套動力系統(tǒng)體積不大，體內卻凝結著眾多最新設計理念：高增壓比的渦輪增壓器能夠幫助無人機提高飛行高度；高效率的中冷器大大提升發(fā)動機功率；先進的自適應控制策略，則保證了發(fā)動機運行的穩(wěn)定可靠。該系統(tǒng)首次解決了高空小尺寸條件下跨聲速壓氣機效率低、穩(wěn)定工作范圍窄的難題，顯著提高跨聲速離心壓氣機性能；首次解決了高空小迎風面條件下中冷器換熱效率低的技術難題，實現(xiàn)發(fā)動機高增壓系統(tǒng)超緊湊結構設計；首次提出該項自適應控制策略，解決了全空域低速系統(tǒng)穩(wěn)定工作的難題……與進口的同類發(fā)動機相比，該系統(tǒng)單級增壓比提升了2.5倍，功率保持高度從4公里提高到10公里以上。
帶著多項絕技，該系統(tǒng)順利完成了首秀。此次參與神舟十一號飛船返回搜尋任務的無人機，在飛船返回前數(shù)小時就已升空，迅速攀升至指定高度后，采取定高飛行方式到達預定區(qū)域，在空中盤旋待命。返回艙降落后，該無人機迅速飛向目標著陸點，第一時間傳回了畫面。
目前，長航時無人機已在大氣監(jiān)測、海洋監(jiān)察和地質勘測等領域發(fā)揮著越來越重要的作用，隨著相關動力技術不斷成熟，必將幫助其在天地間開展更多探索。
2025-08-23 20:37
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