微型涡轮发动机——无人机动力新选择

宋刚

中国航空工业发展研究中心, 北京市 朝阳区 100028

近年来，中小型无人机得到快速发展，并逐渐在军、民用航空领域扮演越来越重要的角色，无人机的飞行速度、高度、可靠性、燃油效率等方面的要求也逐渐提高，为小型无人机研制性能更为优越的推进系统，成为航空动力领域的热点话题。微型涡轮发动机因其体积小、重量轻、能量密度高、推重比大等优点，或将成为未来无人机动力的新选择。本文以美国无人机涡轮发动机公司最新研制的Monarch RP系列产品为切入点，简要介绍微型涡轮发动机的性能特点和未来面临的技术挑战。

2019年9月26日，美国无人机涡轮发动机公司(UAV Turbines Inc.以下简称UAVT)宣布，配装Monarch RP系列首款型号Monarch 5微型涡轮发动机的无人机在格里菲斯国际机场完成首飞。Monarch 5是一款回热式涡轮螺旋桨发动机，具有40hp(约30kW)的推进功率，与传统活塞式发动机相比，能提高无人机推进系统的推进性能和可靠性。

Monarch RP系列微型涡轮发动机的研发背景

根据FAA 的报告，随着无人机的需求和应用领域扩展到包括医疗支持、货物运送、搜索和救援以及运输领域，到2023年，商用无人机市场的规模预计将增加两倍。但是，当前的发动机不能提供执行上述任务所需的可靠性和安全性。

早在2015年4月，UAVT公司宣布启动用于无人机系统的下一代燃气涡轮发动机研发工作，该公司投资超过2000万美元，计划在24个月内制造可用于测试的发动机。UAVT研制的这款发动机，功率在30～150hp之间，相比于之前的发动机提高了可靠性、续航时间、升限，大幅降低了噪声，降低了燃油消耗，可使用重质燃油。目标用于第3类和第4类无人机(第三类无人机：小于1320lb(约600kg)，飞行高度小于18000ft(5486m)，速度小于250kn.(465km/h)；第四类无人机：大于1320lb，飞行高度大于18000ft)。

美国陆军开展的“未来战术无人飞行系统(FTUAS)”计划，目的是研制小型无人机作战平台，该无人机平台可以完成4572m高度的运输任务以及7620m高度支持战斗机的作战能力，同时，还需要具有与当前/未来有人飞机相当的飞行速度。

图1 配装Monarch 5微型涡轮发动机的无人机在格里菲斯国际机场完成首飞

图2 Monarch RP系列产品首款型号UTP50R

为解决FTUAS计划中小型无人作战平台的动力问题，美国陆军又设立了“可靠先进小型电力系统”(Reliable Advanced Small Power Systems，RASPS)技术演示项目。RASPS项目的总体目标是设计、制造和测试可达到技术成熟度等级6级(TRL6，即完整的发动机系统在相关环境中完成技术验证)的200hp级别的先进微小型发动机。要求包括重油运行、高可靠性、低燃油消耗、高推重比、高耐用性、低噪声、较低的生产和维护成本等。RASPS项目于2017年由美国陆军立项，研究周期不超过60个月(其中技术工作56个月，数据整理和最终报告编写4个月)。

2018年2月，UAVT公司宣布，已与美国陆军签订一份1900万美元的技术投资协议，与美国陆军共同开展“可靠先进小型电力系统”(Reliable Advanced Small Power Systems，RASPS)技术演示项目。UAVT公司的任务是为美国陆军研发可应用于无人机推进系统的高效、可靠、耐用的微小型涡轮螺旋桨发动机，该微型涡轮螺旋桨发动机即为UAVT公司的Monarch RP系列产品，其成熟产品或将用于美国陆军RQ-7“影子”(Shadow)无人侦察机。

2019年5月，UAVT公司披露项目研究进展，宣称Monarch RP系列第一个型号产品UTP50R将被集成到纳瓦马应用科学公司(Navmar Applied Sciences)的RQ-23“虎鲨”(Tiger Shark)无人机上进行测试。

2019年9月，40hp的Monarch 5微型涡轮发动机完成首次飞行试验。

微型涡轮发动机的特点

微型涡轮发动机是基于大、中型涡轮发电机所提出来的概念，相比于大、中型涡轮发动机的大功率、高能耗、大体积，微型涡轮发动机体积小、重量轻，便于安装，能够满足小型装备的动力需求，适用于当前迅速发展的小型无人机。

和大、中型涡轮发动机一样，微型涡轮发动机也分为微型涡喷、微型涡桨等类型，以微型涡喷发动机为例，一般将推力大于5000daN的发动机称为大型，500～5000daN为中型，50～500daN为小型，小于50daN的为微型。此次UAVT推出的Monarch系列为微型涡轮螺旋桨发动机。

UAVT公司表示，随着无人机任务需求的增加，一个可产生足够电力的可靠的重油推进系统成为关键因素。推进系统是具有关键使能技术的系统，将进一步扩展未来无人机性能，也是其他技术所依赖的基础。

Monarch涡轮螺旋桨技术旨在为中型商用和军用无人飞行器提供可靠、高效、安全的推进系统，其关键的新功能包括使用重质燃料的能力、大修间隔时间延长至1,000～2,000h、可变螺距螺旋桨、低噪音、低振动水平等。目前，Monarch系列产品已准备好为行业提供卓越的性能和易用性以取代目前可靠性不强且需要大量维护的往复式发动机(活塞式发动机)。

作为Monarch系列产品的第一个型号，UTP50R推进系统配装有同流换热器、高速齿轮箱、变距螺旋桨及全权数字发动机控制(FADEC)。虽然UTP50R距离目标的200hp尚有一定的距离，但其仍在一定程度上验证了涡轮推进技术在微小型发动机上的应用优势。

与活塞式发动机相比，UTP50R微型涡轮发动机具有如下优势：

高可靠性，大幅提高平均大修时间间隔

活塞发动机在外场使用时可靠性很低，平均大修时间间隔(MTBO)低于100h。微型涡轮发动机MTBO可达数千小时。UAVT的目标是使发动机的大修时间间隔提高到2000h以上，比现在为战术型无人机提供动力的内燃机增加十倍。

推进性能好

UTP50R的核心机通过变速箱驱动可变螺距螺旋桨，从而实现更高的爬升率和速度。

动力强劲

燃气涡轮发动机的循环过程比活塞式发动机简单，没有复杂的配气机构、正时机构，对燃油没有种类的限制，除柴油和汽油以外，可以将氢气、CNG/LPG、酒精、煤油以及可再生燃油等作为燃料。UAVT推出的Monarch系列微型涡轮发动机将主要使用重质燃油，适合军用，动力是目前所用电动机的2～3倍。

具有更低的燃油消耗和废气排放

微型燃气涡轮发动机中的换热器可将排气产生的热量用于给将要进入燃烧室的压缩空气加热，在提升进气温度来降低燃油消耗的同时，可以配合稀薄燃烧等技术降低排放物中氮氧化物、一氧化碳与碳氢化合物等有害气体，从而有利于满足日渐苛刻的排放标准。

微型涡轮发动机面临的挑战

尽管微型涡轮发动机具有诱人的性能优势,但是由于小尺寸流动机械的气动损失过大、内部传热、燃烧时间过短、零件的加工制造等问题，想要发挥出其理想的性能，依然面临着多种技术难题。

流动损失

高效高速叶轮机是微型涡轮发动机的心脏。由于雷诺数比常规叶轮机小几个数量级，而且因制造技术的限制，叶片不能做成三维形状，所以微型叶轮机不是常规叶轮机的缩小型。目前的微机电制造技术只能制造出类似挤压出来的平面几何形状，无法采用端壁和叶片造型来控制扩压和减少边界层分离。同时，无法制造出大型发动机在引导气流拐弯时的导流叶片，从压气机出来的气流经过火焰稳定器时会产生大的压力损失和堵塞。

内部传热

由于发动机尺寸非常小，因此容易传给压气机大量热量，产生热短路。

燃烧问题

微型涡轮发动机的燃烧室功能要求与大型发动机类似，但微型发动机的燃料在燃烧室的停留时间较短。为保证燃料充分雾化、蒸发、混合和产生化学反应，燃料在常规发动机燃烧室的停留时间为5～10ms，而在微型涡轮发动机内只有约0.1ms。目前考虑的解决办法是将燃烧室做得尽可能大，研究中的微型涡轮发动机燃烧室的体积与发动机体积之比是大型发动机的约40倍，从而使燃料的停留时间达到0.5～1.0ms。此外，还考虑在压气机出口喷入燃料，使其在进入燃烧室之前与空气混合。

制造工艺

在制造方面，微型涡轮发动机的关键工序是制造转子轴承。轴颈从周围的轴承材料在适当的位置上蚀刻出来，形成的间隙就是空气轴承。这项制造工艺的困难之处是如何保持精准的蚀刻间隙。此外，发动机部件的连接也是难点之一，可采用如下微机电技术：一是深反应离子蚀刻，即通过一系列浅蚀刻实现深蚀刻，在两次蚀刻之间加一层防护涂层；二是晶片级的扩散连接，即在层与层之间以硅的固有强度连接在一起。

结束语

早在20世纪40～50年代，美国和法国就已经启动了微小型涡轮发动机的研究，主要用于装备无人侦察、攻击飞行器，包括机载弹药、巡飞弹药、小型无人机等。随着加工工艺和材料、高速陶瓷轴承等相关技术的不断进步，多种型号的产品不断问世，目前美国精密自动化公司研制的微型涡喷发动机AT1700的推重比已经达到10.5。此次UAVT公司研制的 Monarch RP系列微型涡轮发动机，已经在可靠性方面取得了长足的进步，未来，微型涡轮发动机仍需要在进一步提高推重比、提高轴承使用寿命、降低燃油消耗、降低发动机噪声等方面开展更多的探索和研究工作。鉴于微型涡轮发动机的优越性能，或将成为未来无人机推进系统的新选择。 ■