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設(shè)備與工具神舟十一號“回家”，無人機(jī)首次介入搜救任務(wù)。我國自主研發(fā)的首款高空渦輪增壓活塞發(fā)動機(jī)，為無人機(jī)首次參與載人飛船返回空中搜救提供了全新的強(qiáng)勁動力，總體技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平。
圖為中國航天科工三院31所研發(fā)的渦輪增壓動力系統(tǒng)在旋翼機(jī)上進(jìn)行高原起降驗(yàn)證試驗(yàn)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高原條件下快速起飛并打破國內(nèi)旋翼機(jī)飛行高度紀(jì)錄。
神舟十一號載人飛船返回時(shí)，直播畫面中出現(xiàn)了與以往不同的一幕——通過無人機(jī)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(cuò)，在此次搜尋過程中，無人機(jī)率先抵達(dá)搜尋區(qū)域，傳回了目標(biāo)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(nèi)首款高空渦輪增壓活塞發(fā)動機(jī)，為無人機(jī)首次參與載人飛船返回空中搜救提供了全新的強(qiáng)勁動力。其填補(bǔ)了我國高空長航時(shí)無人機(jī)渦輪增壓動力系統(tǒng)的空白，總體技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)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(jī)和渦輪發(fā)動機(jī)兩大類型。
活塞式發(fā)動機(jī)的工作原理是，利用活塞的往復(fù)式運(yùn)動產(chǎn)生動力，驅(qū)動螺旋槳旋轉(zhuǎn)，從而使飛機(jī)前進(jìn)。該發(fā)動機(jī)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(jī)開始，直至第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束，幾乎所有的飛機(jī)都采用活塞式發(fā)動機(jī)。但由于這種發(fā)動機(jī)自身原理帶來的局限性，飛機(jī)的飛行速度始終無法突破音速，最大時(shí)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(jī)誕生。這種發(fā)動機(jī)利用燃油燃燒的高溫燃?xì)怛?qū)動渦輪做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，既可以用渦輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的動力驅(qū)動螺旋槳，也可以用排出的高速氣流直接推動飛機(jī)前進(jìn)。渦輪發(fā)動機(jī)使航空事業(yè)進(jìn)入了噴氣時(shí)代，大部分軍用飛機(jī)都從活塞式發(fā)動機(jī)換裝了渦輪發(fā)動機(jī)，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(jī)并沒有退出歷史舞臺。渦輪發(fā)動機(jī)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(jī)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(shí)間。這一絕活，使得活塞式發(fā)動機(jī)依然活躍，速度不需要太快但需要一定經(jīng)濟(jì)性的飛機(jī)，例如通航飛機(jī)，依然大量使用活塞式發(fā)動機(jī)為動力。近年來，隨著無人機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用，成本低廉、燃油消耗低的活塞式發(fā)動機(jī)已成為無人機(jī)的主要?jiǎng)恿π问健Ｌ貏e是對于執(zhí)行特殊任務(wù)的長航時(shí)無人機(jī)，幾乎全部采用活塞式發(fā)動機(jī)為動力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，以渦輪噴氣發(fā)動機(jī)為動力的無人機(jī)，續(xù)航時(shí)間一般為數(shù)小時(shí)；而相同油量下以活塞發(fā)動機(jī)為動力的無人機(jī)，可以持續(xù)飛行數(shù)十小時(shí)。
圖為渦輪增壓動力系統(tǒng)在滑翔機(jī)上進(jìn)行升限驗(yàn)證試驗(yàn)。
在高空也能“煥發(fā)活力”
隨著用途不斷拓展，無人機(jī)越飛越高，自然吸氣的活塞式發(fā)動機(jī)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(yīng)，發(fā)動機(jī)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(jī)的實(shí)際進(jìn)氣量明顯減少，從而導(dǎo)致功率嚴(yán)重降低。
為了讓活塞式發(fā)動機(jī)在高空“煥發(fā)活力”，渦輪增壓器應(yīng)運(yùn)而生。其原理是用活塞式發(fā)動機(jī)排出的廢氣驅(qū)動渦輪高速旋轉(zhuǎn)，帶動與渦輪同軸的壓氣機(jī)，使進(jìn)入發(fā)動機(jī)的空氣受到壓縮，密度提高，從而提高發(fā)動機(jī)的實(shí)際進(jìn)氣量。
對于普通車用活塞式發(fā)動機(jī)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(shí)能適應(yīng)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(jī)而言，所需的不僅是“推背感”，更要讓無人機(jī)即使飛在數(shù)萬米高空，也依然能保持強(qiáng)勁動力。因此，航空用渦輪增壓器必須實(shí)現(xiàn)高增壓比甚至是超高增壓比。
渦輪增壓技術(shù)是活塞式發(fā)動機(jī)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(jī)功率，還能進(jìn)一步降低燃油消耗，讓搭載活塞式發(fā)動機(jī)的無人機(jī)飛得更遠(yuǎn)。有的無人機(jī)甚至為發(fā)動機(jī)搭載了多臺渦輪增壓器，其連續(xù)增壓，能使無人機(jī)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(jī)根本無法企及，但渦輪增壓技術(shù)卻能幫助無人機(jī)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(jìn)一步發(fā)揮活塞式發(fā)動機(jī)的潛力，研究人員在高增壓比渦輪增壓器基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了中冷器，其本質(zhì)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(shè)計(jì)能使進(jìn)入發(fā)動機(jī)的空氣壓力和密度進(jìn)一步增大，從而讓發(fā)動機(jī)功率進(jìn)一步提高。高增壓比渦輪增壓技術(shù)和中冷技術(shù)的聯(lián)合使用，不僅提高了發(fā)動機(jī)功率，還能降低發(fā)動機(jī)熱負(fù)荷，減少污染物的排放，使活塞式發(fā)動機(jī)的潛力發(fā)揮到極致，更好地為無人機(jī)保駕護(hù)航。
帶著多項(xiàng)絕技完成首秀
據(jù)31所渦輪增壓活塞式發(fā)動機(jī)項(xiàng)目副總師甘斌林介紹，研究團(tuán)隊(duì)在8年前就瞄準(zhǔn)國內(nèi)無人機(jī)動力系統(tǒng)技術(shù)需求，開始了以突破關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品研制的艱苦攻關(guān)。通過高空長航時(shí)無人機(jī)用單級高增壓動力系統(tǒng)的研究，以及國內(nèi)相關(guān)配套工作，首次掌握了單級高增壓動力系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了我國渦輪增壓動力系統(tǒng)研制水平的突破性進(jìn)展。
隨著相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的逐一突破，研制團(tuán)隊(duì)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(fù)雜多變的南海海域、極限低溫的漠北草原等地進(jìn)行了多次試飛，先后完成3000余小時(shí)發(fā)動機(jī)部件及整機(jī)地面試驗(yàn)，100余架次、累積600多小時(shí)的飛行試驗(yàn)。
渦輪增壓技術(shù)帶給無人機(jī)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(nèi)卻凝結(jié)著眾多最新設(shè)計(jì)理念：高增壓比的渦輪增壓器能夠幫助無人機(jī)提高飛行高度；高效率的中冷器大大提升發(fā)動機(jī)功率；先進(jìn)的自適應(yīng)控制策略，則保證了發(fā)動機(jī)運(yùn)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(jī)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(jī)性能；首次解決了高空小迎風(fēng)面條件下中冷器換熱效率低的技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)高增壓系統(tǒng)超緊湊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；首次提出該項(xiàng)自適應(yīng)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(jìn)口的同類發(fā)動機(jī)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(xiàng)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(wù)的無人機(jī)，在飛船返回前數(shù)小時(shí)就已升空，迅速攀升至指定高度后，采取定高飛行方式到達(dá)預(yù)定區(qū)域，在空中盤旋待命。返回艙降落后，該無人機(jī)迅速飛向目標(biāo)著陸點(diǎn)，第一時(shí)間傳回了畫面。
目前，長航時(shí)無人機(jī)已在大氣監(jiān)測、海洋監(jiān)察和地質(zhì)勘測等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用，隨著相關(guān)動力技術(shù)不斷成熟，必將幫助其在天地間開展更多探索。
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