重慶理工大學(xué)研發(fā)的無人機 受訪者供圖
過去十幾年間，國內(nèi)在無人機設(shè)計和研發(fā)方面進行了深入的探索和研究，并取得了令人矚目的成果，但是國內(nèi)的無人機動力裝置研發(fā)水平均遠遜于國外。動力裝置是制約無人機發(fā)展的重要因素，無人機研發(fā)首先遭遇到的是發(fā)動機技術(shù)的瓶頸。
日前，重慶理工大學(xué)車輛工程學(xué)院動力研究所發(fā)布消息稱，他們正向研發(fā)的一項工業(yè)級無人機發(fā)動機，打破了國內(nèi)在無人機用小型活塞式發(fā)動機領(lǐng)域的瓶頸，彌補了自主知識產(chǎn)權(quán)空白，將率先搶占國內(nèi)自主研發(fā)的無人機發(fā)動機市場。該發(fā)動機能夠使整機搭載100kg負荷，具有功重比大、壽命長、續(xù)航里程長等優(yōu)勢。不久之后，將在九龍坡區(qū)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
尷尬
我國無人機發(fā)動機多進口
我國目前多款無人機均采用奧地利Rotax 914型活塞發(fā)動機，這種發(fā)動機是世界上多種高空長航時無人機的主要動力系統(tǒng)，然而一旦對方限制出口，國內(nèi)無人機就將陷入缺乏動力設(shè)備的艱難境地。
由于國外發(fā)達國家對于無人機的研發(fā)開始較早，因此取得了較為先進的技術(shù)成果，在無人機用小型活塞式發(fā)動機研發(fā)領(lǐng)域也取得了長足的發(fā)展和進步。如2013年，歐洲研制成功一款為輕型單發(fā)直升機設(shè)計的V8活塞發(fā)動機，該發(fā)動機具有良好的功重比和優(yōu)秀的經(jīng)濟性及動力性能，驗證了在輕型直升機上配裝活塞發(fā)動機的合理性。
“在無人直升機動力設(shè)備這一最重要的技術(shù)領(lǐng)域，我國直升機用發(fā)動機基本依賴于進口來滿足，尤其是起飛重量在200kg~300kg級的動力系統(tǒng)，國內(nèi)動力領(lǐng)域完全是一片空白。”重慶理工大學(xué)車輛工程學(xué)院動力研究所所長楊靖教授介紹，目前，無人直升機采用的動力裝置可分為三大類，活塞式發(fā)動機、渦軸發(fā)動機和電流動力系統(tǒng)。其中，活塞式發(fā)動機是無人直升機最重要的動力裝置構(gòu)成。由于無人直升機用發(fā)動機對功重比要求較高，其工作環(huán)境又極為苛刻，而我國無人直升機研制起步較晚，尤其在無人直升機用活塞式發(fā)動機這一領(lǐng)域的研發(fā)尚無成熟的產(chǎn)品。
突破
自主研發(fā)無人機發(fā)動機
“我們正向開發(fā)研制的發(fā)動機，將打破國內(nèi)在無人機用小型活塞式發(fā)動機領(lǐng)域的瓶頸和彌補無自主知識產(chǎn)權(quán)技術(shù)的空白，率先搶占國內(nèi)自主研發(fā)的無人機發(fā)動機市場。”楊靖告訴記者，針對目前市場上的小型工業(yè)級無人直升機動力短缺的現(xiàn)狀，團隊正向開發(fā)了2V86發(fā)動機，功率55kW、重量38kg。在發(fā)動機冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)及標定方法等方面，根據(jù)航空發(fā)動機的需求進行了多項創(chuàng)新并申請了發(fā)明專利，使其在小型活塞式航空發(fā)動機中，具有功重比大、壽命長、續(xù)航里程長等優(yōu)勢。
這些技術(shù)瓶頸都是如何攻破的？
首先，通過降低發(fā)動機的體積和質(zhì)量，有效提高了發(fā)動機的功重比，即發(fā)動機的功率和重量之比。“活塞式發(fā)動機相較于渦軸發(fā)動機的主要劣勢就在于功重比不夠大，本項目針對起飛重量200Kg~300Kg、飛行高度在3000m以內(nèi)的無人直升機進行動力設(shè)備設(shè)計，有效提高功重比以充分發(fā)揮活塞式發(fā)動機制造成本低、壽命長、熱效率高、油耗率低、續(xù)航里程長等特點。”楊靖解釋，活塞式發(fā)動機的功重比提高具有較高的難度，一般在1左右，本項目研發(fā)額定功率55kW的無人直升機專用發(fā)動機，其重量控制在38Kg以內(nèi)，功重比1.4，增壓后功率可達80kW，功重比則接近2，這在活塞式發(fā)動機里都是十分先進的指標。
“由于直升機的工作環(huán)境較地面工作環(huán)境嚴峻、惡劣得多，如果直接將傳統(tǒng)活塞式發(fā)動機裝載在直升機上，則勢必會極大地影響發(fā)動機的壽命和無人機的操控穩(wěn)定性等，發(fā)動機甚至會直接發(fā)生過熱、拉缸和失火等故障，直升機就會由于失去推進力而喪失速度與高度，造成嚴重的事故。”楊靖稱，因此，通過正向開發(fā)對發(fā)動機結(jié)構(gòu)進行相應(yīng)調(diào)整和完善，有效提高發(fā)動機搭載直升機工作時的可靠性和穩(wěn)定性，充分保障無人直升機工作的安全性和壽命。
對于普通任務(wù)載荷的無人直升機起飛重量大多在200~300kg，較輕的起飛重量不僅對發(fā)動機自身的重量有所限制，同時也制約著其燃油攜帶質(zhì)量，而無人直升機進行軍事偵察、交通監(jiān)控、航空攝影等任務(wù)時，均要求長航時長里程，所以發(fā)動機燃油經(jīng)濟性指標顯得尤為重要。該項目研發(fā)的發(fā)動機創(chuàng)新性地將車用發(fā)動機的雙火花塞、四氣門、高壓縮比、虛擬增壓等高效燃燒系統(tǒng)運用到無人直升機用發(fā)動機的研發(fā)上，從而大大提高發(fā)動機的經(jīng)濟性，提高無人直升機的續(xù)航里程。
項目為有效提高發(fā)動機的動力性和工作可靠性，還開發(fā)了新型高效燃燒系統(tǒng)，在有效控制熱負荷的同時提高了發(fā)動機升功率。“針對國內(nèi)的機械制造和材料工藝水平，設(shè)計了新型合理的結(jié)構(gòu)來彌補對零部件加工精度和材料工藝的嚴苛要求。”楊靖解釋，通過集成現(xiàn)代內(nèi)燃機先進技術(shù)，在不盲目提升關(guān)鍵零部件要求的前提下確保整機可靠性和耐久性壽命，全面實現(xiàn)發(fā)動機生產(chǎn)的國產(chǎn)化，在降低發(fā)動機成本的同時，形成整機系列化發(fā)展并與企業(yè)聯(lián)合實現(xiàn)產(chǎn)品市場化。
應(yīng)用
小型航空發(fā)動機將產(chǎn)業(yè)化
記者在重慶理工大學(xué)車輛工程學(xué)院實驗室看見了應(yīng)用2V86發(fā)動機的無人直升機，這也是該研發(fā)團隊開發(fā)的，在機身設(shè)計和色彩渲染等細節(jié)方面，發(fā)揮了該學(xué)院工業(yè)設(shè)計專業(yè)特長，使機身在制作簡單、具有隱身功能的前提下，同時具有現(xiàn)代感，不僅流體阻力小而且端莊大氣。整機可以搭載100kg的任務(wù)載荷，無論醫(yī)療急救或農(nóng)林植保等民用領(lǐng)域都能夠很好地勝任。
“雖然發(fā)動機研究和發(fā)展工作的特點是技術(shù)難度大、耗資多、周期長，但其對飛機的性能以及飛機研制的成敗和進度有著決定性的影響。”楊靖表示，這款發(fā)動機將通過其優(yōu)秀的功率重量比、工作可靠性和穩(wěn)定性、良好的節(jié)油性等特點為國內(nèi)無人直升機提供可靠的動力，打破國產(chǎn)無人直升機動力裝備基本依靠進口的窘迫現(xiàn)況，為國產(chǎn)無人直升機提供一顆強勁的“中國心”。
這款正向研制的發(fā)動機將打破國內(nèi)在無人機用小型活塞式發(fā)動機領(lǐng)域的瓶頸和彌補無自主知識產(chǎn)權(quán)技術(shù)的空白，率先搶占國內(nèi)自主研發(fā)的無人機發(fā)動機市場。目前已與北京比揚航空有限公司簽訂了配套搭載合作意向，與西安翔安測控設(shè)備有限責任公司簽訂了動力/飛控一體化合作協(xié)議書。
此外，這款無人機發(fā)動機的產(chǎn)業(yè)化也指日可待。重慶理工大學(xué)計劃通過產(chǎn)學(xué)研合作的方式，在九龍坡區(qū)成立航空發(fā)動機生產(chǎn)企業(yè)，專門生產(chǎn)自主研發(fā)的系列化小型航空發(fā)動機。
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