我国无人机用发动机走入“双核”时代
打造防震减灾与边海防巡逻神兵利器

　　　　　　　　　　　　　　　　作者：齐渡谦

2014年8月3日，云南省鲁甸县发生6.5级地震，造成数百人伤亡，一百多万人受灾，灾区的一举一动都牵动着党中央与全国人民的心。但因为山体滑坡，道路损毁，救援人员与救灾物资无法第一时间运抵灾区，同时受制于现役无人机飞行高度与航程有限，只能依靠卫星拍照灾区图像，无法实现实时监控灾情与报警，这些都为防震减灾工作带来一定影响，国家对于一款能实现高空长航时小型飞行动力设备的需求日益强烈。
北京动力机械研究所作为国内航天动力系统主要研究承制单位，经过大量的市场调研，察觉到国内高空长航时无人机动力缺口后，随即在2008年启动了航空用涡轮增压活塞发动机的技术研究与储备工作。并从2011年开始，经过三年多的技术攻关，突破并掌握了单级高压比涡轮增压器的设计、高空涡轮增压控制技术、高效中冷技术、高空模拟试验方法等多项关键技术，顺利完成国内首型高空长航时无人机用涡轮增压活塞发动机的研制、生产，它的出现将能有效满足我国防震减灾与边海防巡逻任务需求。

　　自主“双核”动力 当然更加强劲
“活塞发动机是航空领域最早应用的一种飞行器动力，二次世界大战以后，随着亚音速无人机技术的飞速发展与应用，航空活塞发动机以技术成熟度高和经济性能好等优势，成为无人机领域的主要动力形式。而采用涡轮增压技术的活塞发动机，本质上是一种由活塞燃烧室和涡轮压缩系统组成的涡轮—活塞‘双核心’组合发动机，它结合了两型发动机的技术优势，是利用排气能量驱动增压系统，提高进气压力，补偿空气密度的降低，不消耗有效功率的一种技术。”该所技术负责人介绍道。
自上世纪八十年代开始，以美国为首的发达国家就着手研发用于无人机的涡轮增压活塞发动机，并广泛运用于军事领域，在执行情报、侦察、指挥控制、通信、部队防护、心理战、全天候打击等复合任务中显示出其巨大优势。
日本也计划针对争议岛屿研发一种高空超长航时无人机，以实现对争议岛屿的全天候持久监控。
相对国外发达国家，我国这方面发动机的制造和应用技术均起步较晚，但随着我国综合国力的提高与科学技术的进步，无人机用活塞发动机技术与应用正处于迅猛发展时期。北京动力机械研究所在该领域处于国内领先水平，目前已完成了一款高空长航时无人机用涡轮增压活塞发动机的研制定型工作。
“这种拥有‘双核心’的无人机用涡轮增压活塞发动机作为国内首款定型的同类发动机，动力十分强劲，可满足我国对小型通航动力与中高空长航时无人机的动力需求，其中的高压比增压器、宽空域增压控制系统等核心机均拥有我国自主知识产权，获得了多项国家专利！性能达到国际先进水平！”

　　轻巧灵活高载重 防震减灾显身手
云南鲁甸地震发生后，中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平高度重视，立即作出重要指示，要求当前把救人放在第一位，努力减少人员伤亡，妥善做好群众安置工作。而做好这些工作的第一要务就是能用最快速度将救援物资与人员送到受灾重灾区去。但因为地震引发的泥石流等次生灾害，道路受阻，桥梁损毁，人员物资无法快速到位，武警战士们在震后初期采用肩背物资的方式难以满足受灾地区的救援工作。并且受灾地区多处于西南山区，海拨较高，采取低空空投物资的方式，也存在着乱流阻碍与空气稀薄造成动力缺失等风险，同时成本巨大。
“采用涡轮增压活塞发动机的飞行平台的一大好处就是其良好的灵活性、工作可靠性和经济性，同时维护保养简单，起飞条件多样，可在短时间内多次往返灾区，独有涡轮增压技术，使其非常适合在高海拨空气稀薄地区使用，同时它还具有现役无人机平台所没有的高载重量，可携带救灾物资执行空投任务。”北京动力机械研究所技术负责人谈到该型发动机在防震减灾领域作用时说道。“在人员输送方面，它也能发挥一定作用，通过搭载一种有人旋翼飞机，可以成为螺旋桨动力来源，携带3-5人短距离滑跑起飞，将救援人员运抵灾区。”

　　高升限加长航时 灾情动态实时监控
“本款涡轮增压活塞发动机在防震减灾方面的另一作用还体现在对于灾情动态的实时监控上。”该负责人继续谈道。
采用涡轮增压活塞发动机的无人机具备高升限和长航时的特点，一次加满油飞行时间可达到数十小时，能替代低轨道卫星和有人驾驶飞机执行持久的灾区图像收集和灾情监视任务。
“发生灾情后，灾区最怕的就是次生灾害与余震的发生，而它发生前一般都会出现前兆，但救灾人员和受灾群众忙于救灾，往往难以注意到，极易发生二次伤害，造成更大的人员财产损失。我从电视里看到，现在在灾区应用的无人机还属于电动四角平衡式的，需要救援人员带入灾区使用，它的升限低，视野窄，同时不能长时间工作，只能作为救援辅助工具使用。”
“但是如果有无人机平台搭载我所研制的涡轮增压活塞发动机，就可实现在灾区上空的不间断巡逻，能将中高空全景影像实时发挥指挥所，对及时发现即次生灾害，通知受灾群众与救援人员避险提供重要依据。但目前实现这些还存在一定难度，但我认为在不久的将来这些都能够实现。”

　　维护和平 边海防的中坚力量
“作为国内首型中高空无人机用涡轮增压活塞发动机，它在维护和平，执行边海防巡逻时也是一把好手，实力不容小觑。”
近年来，我国与邻国间在领土、领海的争端日趋严峻，面对幅员辽阔的陆域与海域，无人机成为了我军边海岸防卫的中坚力量。但我国幅员面积广大，对于领土、领海的监管不但需要“质”的保证，还需要“量”的保证。然而，现役的该种任务无人机因动力原因，无法实现高海拔、长时间的飞行，该型涡轮增压活塞发动机以其突出的高空性能，良好的经济性、可靠性的特点将成为海上巡查的首选动力。但是要成为一名出色的“边海防卫士”谈何容易？
首先我们要给它一颗强劲的肺！在高空空气稀薄，自然吸气式活塞发动机随着飞行高度增加，发动机会出现“高原反应”，功率不断衰减，最高飞行高度受到限制，战场生存能力弱，同时无法中高空执行任务。”
涡轮增压器设计是获得这颗“强劲肺”的关键，但由于高空条件下增压器稳定工作裕度低，设计难度大，国内单级高增压比涡轮增压活塞动力技术一直处于空白中。北京动力机械研究所通过近3年的科研工作，成功完成了具有尺寸小、压比大、效率高的优势的单级高压比增压器，填补国内此项技术空白。
但要想让发动机能在高空高效的工作，还必须能根据外界环境的变化自动调整工作状态，根据操控员的指令迅速做出反应，这就需要发动机有一颗灵活的“大脑”——增压控制系统。
常规的增压器控制手段单一，对于大空域范围和宽工作状态的发动机无法精确控制增压压力，实现高空高增压比的稳定控制。北京动力机械研究所技术人员通过理论分析、数字仿真，试验验证等一系列环节为其量身制定出一套高效的涡轮增压控制策略。经过多次飞行试验，针对飞行工况进行控制规律适应性调整优化，成功完成国内首个宽空域、全工况、高压比涡轮增压控制系统设计工作。
这些都为其成为一名出色的边海防巡逻卫士奠定了坚实的基础。

　　更快更高更远 打造神兵利器
“更快 更高 更远”一直是该所发动机设计的终极理念，是其“科技强军 航天报国”使命的体现。为更好地满足国家对于高空长航时小型飞行动力设备的需求，他们还将继续励精图治，在此型涡轮增压活塞发动机的基础进行不断升级强化，使其用途更广。
“多级增压技术是我们今后重点推进的技术重点，是其突破更高升限的核心技术。相关资料显示，当无人机飞行高度超过16000m后，能有效提高无人机的战场生存能力。同时，也更能满足工业、农业、林业、渔业以及医疗救护、气象探测、海洋监测、科学试验、空中摄影、航空旅游、文化体育、私人飞机、公务航空等多方面的航空活动和作业需求。”
电子燃油喷射技术因其能有效提高发动机燃烧质量，降低燃油消耗率，也将成为该所提高涡轮增压活塞发动机的续航能力一个升级重点，能有效扩大可侦查半径、增加侦查时间，增强对我国周边海域及岛屿的巡查力度，进一步提升我国海防实力。电子燃油喷射技术还能减少发动机污染物排放，使发动机满足国家相关节能减排规定，意义重大。
“相信通过我们的不断优化改进，本款涡轮增压活塞发动机必能成为今后防震减灾工作中的一件神兵利器。”该所技术负责人对其今后的应用前景充满信心。