无人机有了强劲的“中国心” 动力和平台更匹配

2016年11月08日08:11  来源:经济日报
 

在第十一届中国航展亮相的CH-5中空长航时无人机系统。新华社记者 梁 旭摄

△ 在第十一届中国航展上展出的易瓦特EWZ110油动变矩多旋翼无人机。 本报记者 周明阳摄

由俄罗斯联合发动机制造集团(UEC)生产的涡扇发动机模型。 本报记者 周明阳摄

在日前结束的第十一届中国航展上,无人机是一大看点。《经济日报》记者在展会现场看到,展品以专业级无人机及相关构件为主,包括工业级和军工级无人机。目前国内消费级无人机已达到世界领先水平,但专业级无人机却尚未取得更高成就,动力系统是制约其发展的重要因素。

飞机能够飞起来离不开螺旋桨推进,螺旋桨要想产生推力必须依靠动力系统带动。动力技术是无人机技术的关键。美国在《无人机系统路线图(2005—2030)》指出:“推进技术和处理器技术是无人机的两大关键技术。”作为无人机系统发展的基石,无人机动力系统的发展直接决定了无人机能够飞多远、飞多久。

民用无人机:

化“电动”为“油动”

不同类型的无人机平台对动力装置的需求有所不同,动力装置决定着无人机的飞行时间和载荷重量,反过来又制约了无人机的作业能力。目前,无人机的动力系统分为电动机和发动机两大类,即“电动”和“油动”。

电动机,又称电动马达、电机,一般应用在微型无人机上,现在市场上大部分商用无人机安装的都是电机。这种动力装置优点是结构简单、重量轻、使用方便,适合作为低空、低速、微型无人机的动力。“油动”的发动机一般应用于无人直升机等军工级飞机。目前无人机广泛采用的发动机包括往复式和旋转式活塞发动机,以及包括涡喷、涡扇、涡桨和涡轴在内的燃气涡轮发动机。采用电动马达的小型无人机载重约为3至5公斤,续航时间为15至20分钟;而使用汽油发动机作动力系统,载重一般可达15公斤以上,续航时间可达2小时。

专业级无人机在电力、安防、农业、森林防火、警用等不同细分领域的应用正在稳步增长。相比消费级无人机,应用于行业当中的无人机对载重负荷能力和续航能力的要求更高。市面上所售的大部分电动多旋翼由于锂电池的局限性,在带动5公斤重物轻载巡航的情况下,飞行时间最多不超过40分钟。长航时大载重多旋翼无人机缺乏,成为国内无人机市场的“盲点”。

一些国内厂商探索将电动多旋翼和油动直升机的优点结合起来,以达到增加飞机续航时间、增强飞机飞行稳定性、提升飞机综合性能的目的。易瓦特科技股份公司是国内领先的民用无人机系统制造商,其研发的固定翼无人机、多旋翼无人机和大载荷无人直升机等产品已广泛用于新闻影视、物流配送、农林植保等10多个领域。航展期间,易瓦特发布了新品无人机——EWZ110油动变矩多旋翼。这款多旋翼无人机最大有效载荷20公斤,最大起飞重量40公斤,最大续航时长120分钟,突破了现今大部分商用电动无人机动力系统的限制,从各方面显著提升了无人机的性能。

易瓦特科技股份公司总裁赵国成介绍,这款多旋翼无人机的高效和续航更久的动力系统,源自针对油动变矩多旋翼自主研发的强制风冷航空活塞发动机。汽油的能量密度为11.8kWh/KG、锂电池的能量密度为0.25kWh/KG,在使用同样重量的汽油和锂电池的情况下,使用汽油的发动机能显著提升飞机的续航时间。此外,这款无人机的机身结构主要采用航空铝合金及碳纤维材料,在保持机身结构强度的前提下,大大减轻机身重量。

对于专业级无人机来说,动力系统的稳定性能指标尤为重要,因为无人机中的电机或发动机一般会带来较强烈的振动,一旦减震控制不好,会在飞行过程中产生很大的加速度,引起角度变化,导致无人机飞行不平稳,尤其是燃油发动机的振动比电动马达还要大很多。为了克服这个问题,易瓦特自主研发出了双输出轴双缸强制风冷的动力系统,两缸体水平对置放置,使两缸体内曲柄活塞机构运转产生的振动互相抵消,减轻了发动机的振动及噪声,其振动值仅是普通航空活塞的十分之一,飞机的稳定性得到显著提升。

军用无人机:

动力和平台更匹配

善攻者攻于九天之上。无人作战飞机以其“零伤亡”“非接触”“无流血”和超机动、大过载等特有优势,成为未来空战的主力。本次航展上,中高空长航时无人机、无人作战飞机等高端机型成为展出的重要内容。此类机型主要用于执行战略和战役侦察任务,可搜集目标区完整的情报信息,还可执行多种打击任务,是无人机中最高端的种类。航展上,采用重油燃料活塞发动机的“彩虹—5”(CH—5)中空长航时无人机实机首次现身航展现场。该机挂载有16枚导弹,最长能持续飞行60个小时。

目前,国外高端无人机动力的发展趋势是以涡扇发动机为主。涡扇发动机耗油率相对较低,质量和推力等级能与无人机较好匹配,十分适用于中高空长航时无人机和无人作战飞机。本次航展上,美国、俄罗斯等国也带来了本国的涡扇发动机参展。我国也加强了对发动机的布局和研发。今年8月新成立、承载着打造强劲“中国心”使命的中国航空发动机集团首次参展,我国自行研制、具有自主知识产权的高性能、大推力加力涡扇发动机“太行”和“玉龙”“金沙”等均以实物展出,展现了我国在发动机研发上的先进成果。

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。

(责编:邱越、闫嘉琪)