目前,代表国内最高端的攻击型无人机分别为中航工业的翼龙2型无人机和航天科技集团的彩虹5无人机,这两款无人机在气动设计、传感器种类和武器载荷的选择上具有较强的相似性,但在动力系统,特别是发动机的选择上,却有很大的不同。根据公开资料,翼龙2无人机的发动机选择的是涡桨发动机,而彩虹5无人机选择的是航空重油发动机。那么,这两款发动机有什么不同,对无人机的性能又有什么影响呢?
翼龙2无人机翼龙2的公开亮相是在去年的珠海航展上,该型无人机的动力系统为国产涡桨发动机,功率为600马力。
国产某型涡桨发动机涡桨发动机由螺旋桨和燃气发生器组成,螺旋桨由涡轮带动。由于螺旋桨的直径较大,转速要远比涡轮低,只有大约1000转/分,为使涡轮和螺旋桨都工作在正常的范围内,需要在它们之间安装一个减速器,将涡轮转速降至十分之一左右后,才可驱动螺旋桨。这种减速器的负荷重,结构复杂,制造成本高,它的重量一般相当于压气机和涡轮的总重,作为发动机整体的一个部件,减速器在设计、制造和试验中占有相当重要的地位。
涡桨发动机的螺旋桨后的空气流就相当于涡轮风扇发动机的外涵道,由于螺旋桨的直径比发动机大很多,气流量也远大于内涵道,因此这种发动机实际上相当于一台超大涵道比的涡轮风扇发动机。
彩虹5无人机彩虹5无人机同样首次亮相于去年的珠海航展,但根据石文总师的介绍,该无人机已采用了国产航空重油发动机,功率约为300马力。
航空重油发动机无人机选择发动机与任务模式和任务载荷有很大关系,不完全是技术因素。
虽然活塞机的功率曾经做到2500kW,但推进效率已经很低。发动机领域专家、中国燃气涡轮研究院总设计师黄维娜认为,未来无人机动力系统的发展趋势是低速无人机配置功率不大于100千瓦的活塞发动机,旋翼无人机配装功率不大于500千瓦的涡轴发动机,中低速无人机配装功率不大于600千瓦的涡桨发动机,中高端无人机使用涡喷/涡扇发动机,高超声速无人机配置涡轮冲压组合发动机,以使动力与平台实现更好的匹配。
因此,不同的航空发动机有不同的技术性能和经济指标。涡喷机的高空高速性能好;涡扇比涡喷省油,大涵道比涡扇就更省油;涡桨呢,比涡扇还省油30%-40%,全寿命成本可降低一半;而活塞机比涡轮机还要省油——如果活塞机用重油,彩虹-5用重油机,航时比载重效率比美军MQ-9“死神”无人机几乎多一倍。发动机的价格也是同样,一台ROTAX914的国内代理价才27万人民币,一台AL31F2000万人民币,一台F135要超过一亿人民币。
除了功率和经济性,还有一个原因,就是高度。活塞机做好了,长航时问题不大,但是高空性能还是很难上去。就是二级涡轮增压,到10000米以上也比较吃力了,NASA研制的三级增压才到24000米。而涡轮机的高空性能是活塞机比不了的。捕食者A的ROTAX914活塞机二级增压升限也就8000米左右;“死神”无人机用霍尼韦尔TP331-10T涡桨机升限16700米很轻松;捕食者C用普惠PW545B涡轮机,升限18000米+。彩虹-5从涡桨-9换重油活塞机,原来用涡桨-9能够达到14000米以上实用升限的彩虹-5,换活塞机巡航高度只有3000-5000米,实用升限7600米,高空机就改中空机了。
MQ-9“死神”无人机不只是高度,采用不同的动力,速度也会有很大差异。如安装活塞发动机的捕食者A最大时速217公里,涡桨机的“死神”无人机增大到482公里,涡扇机的掠食者无人机是740公里。我国早期的靶-5Ⅰ(“长空”-1)型无人靶机,用WP-6型涡喷发动机,时速达到850~900公里。安装涡轮发动机的无人机机在空气稀薄的高空能大流量进气,流量大,推力大,载荷就大,速度也大,而安装活塞发动机的无人机超过800公里是非常困难的。
速度快,对无人机来说有利有弊。高速对于尽快抵达目标空域自然有利,对于可能丢失的侦查目标或者对于要进行打击的移动目标,快察快打是无人机的刚需。但是如果需要在复杂战场环境仔细搜索和发现目标,或者对目标进行长时间连续监视,那么飞得太快反而可能是缺点。
航空重油发动机,在巡航时间、航程、成本、维护性这些客户最关注的需求得到了满足,那么动力改型就是合适的选择,这是一方面。另一方面,石文总师说对于国内用户,彩虹-5国内版任务载荷900-1000公斤,比出口版的480公斤高了近一倍。如果任务载荷持续增加,再用重油活塞机不用涡轮机,就会非常吃力了。
因此,从发动机类型的区别看,这两种无人机其实并无孰优孰劣的问题。如果说美国采用900马力涡桨发动机的MQ-9“死神”是典型美国肌肉皮卡,那么功率小一些的“翼龙2”就是轻型越野车,而功率更小的“彩虹5”则是更朴实的小货车了。
“掠食者”无人机
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