無人機裝上渦輪增壓，不僅是簡單的“推背感”

　　圖為中國航天科工三院31所研發的渦輪增壓動力系統在旋翼機上進行高原起降驗証試驗。該系統能夠實現高原條件下快速起飛並打破國內旋翼機飛行高度紀錄。（圖片來源：科技日報）

　　圖為渦輪增壓動力系統在滑翔機上進行升限驗証試驗。（圖片來源：科技日報）

　　神舟十一號“回家”，無人機首次介入搜救任務。我國自主研發的首款高空渦輪增壓活塞發動機，為無人機首次參與載人飛船返回空中搜救提供了全新的強勁動力，總體技術達到國際先進水平。

　　神舟十一號載人飛船返回時，直播畫面中出現了與以往不同的一幕——通過無人機上的“上帝視角”，人們更全方位地觀察到了返回搜救過程。沒錯，在此次搜尋過程中，無人機率先抵達搜尋區域，傳回了目標畫面。

　　記者從中國航天科工三院31所了解到，該所自主研發的國內首款高空渦輪增壓活塞發動機，為無人機首次參與載人飛船返回空中搜救提供了全新的強勁動力。其填補了我國高空長航時無人機渦輪增壓動力系統的空白，總體技術達到國際先進水平。

　　“老古董”依然活躍在航空舞台

　　目前，用做航空動力的主要是活塞式發動機和渦輪發動機兩大類型。

　　活塞式發動機的工作原理是，利用活塞的往復式運動產生動力，驅動螺旋槳旋轉，從而使飛機前進。該發動機制造成本較低，推動了航空事業的快速發展。從1903年萊特兄弟發明世界上第一架飛機開始，直至第二次世界大戰結束，幾乎所有的飛機都採用活塞式發動機。但由於這種發動機自身原理帶來的局限性，飛機的飛行速度始終無法突破音速，最大時速一直沒超過800公裡。

　　從第二次世界大戰后期開始，渦輪發動機誕生。這種發動機利用燃油燃燒的高溫燃氣驅動渦輪做旋轉運動，既可以用渦輪旋轉產生的動力驅動螺旋槳，也可以用排出的高速氣流直接推動飛機前進。渦輪發動機使航空事業進入了噴氣時代，大部分軍用飛機都從活塞式發動機換裝了渦輪發動機，飛行速度突破數倍音速。

　　盡管如此，作為老古董的活塞式發動機並沒有退出歷史舞台。渦輪發動機雖然速度快，卻是真正的“油老虎”。與之相比，燃油消耗率低為活塞式發動機帶來了無可比擬的優勢，決定著它能擁有更長的續航時間。這一絕活，使得活塞式發動機依然活躍，速度不需要太快但需要一定經濟性的飛機，例如通航飛機，依然大量使用活塞式發動機為動力。近年來，隨著無人機的發展和應用，成本低廉、燃油消耗低的活塞式發動機已成為無人機的主要動力形式。特別是對於執行特殊任務的長航時無人機，幾乎全部採用活塞式發動機為動力。據統計，以渦輪噴氣發動機為動力的無人機，續航時間一般為數小時﹔而相同油量下以活塞發動機為動力的無人機，可以持續飛行數十小時。

　　在高空也能“煥發活力”

　　隨著用途不斷拓展，無人機越飛越高，自然吸氣的活塞式發動機逐漸顯得力不從心。開車去過高原的人都有體會，不僅人有高原反應，發動機同樣如此，最明顯的表現就是“沒勁兒”。其原因就是，高海拔區域空氣稀薄，發動機的實際進氣量明顯減少，從而導致功率嚴重降低。

　　為了讓活塞式發動機在高空“煥發活力”，渦輪增壓器應運而生。其原理是用活塞式發動機排出的廢氣驅動渦輪高速旋轉，帶動與渦輪同軸的壓氣機，使進入發動機的空氣受到壓縮，密度提高，從而提高發動機的實際進氣量。

　　對於普通車用活塞式發動機而言，渦輪增壓器為駕駛員帶來了“推背感”和更多駕駛樂趣，同時能適應海拔數千米高原地區的駕駛需要，其增壓比一般較低。但對高空無人機而言，所需的不僅是“推背感”，更要讓無人機即使飛在數萬米高空，也依然能保持強勁動力。因此，航空用渦輪增壓器必須實現高增壓比甚至是超高增壓比。

　　渦輪增壓技術是活塞式發動機發展史上具有裡程碑意義的重大創新，不僅能大幅度提高發動機功率，還能進一步降低燃油消耗，讓搭載活塞式發動機的無人機飛得更遠。有的無人機甚至為發動機搭載了多台渦輪增壓器，其連續增壓，能使無人機飛到20公裡的臨近空間。這一高度的空氣密度僅為地面的十分之一，普通活塞式發動機根本無法企及，但渦輪增壓技術卻能幫助無人機在這裡自由翱翔。

　　說到高增壓比渦輪增壓器，不能不提它的“親密搭檔”——中冷器。為進一步發揮活塞式發動機的潛力，研究人員在高增壓比渦輪增壓器基礎上，設計了中冷器，其本質是一種高效率換熱器。中冷器安裝在高增壓比渦輪增壓器之后，目的是給增壓后的高壓高密度空氣降溫。由於熱脹冷縮，這種設計能使進入發動機的空氣壓力和密度進一步增大，從而讓發動機功率進一步提高。高增壓比渦輪增壓技術和中冷技術的聯合使用，不僅提高了發動機功率，還能降低發動機熱負荷，減少污染物的排放，使活塞式發動機的潛力發揮到極致，更好地為無人機保駕護航。

　　帶著多項絕技完成首秀

　　據31所渦輪增壓活塞式發動機項目副總師甘斌林介紹，研究團隊在8年前就瞄准國內無人機動力系統技術需求，開始了以突破關鍵技術實現產品研制的艱苦攻關。通過高空長航時無人機用單級高增壓動力系統的研究，以及國內相關配套工作，首次掌握了單級高增壓動力系統設計技術，實現了我國渦輪增壓動力系統研制水平的突破性進展。

　　隨著相關關鍵技術的逐一突破，研制團隊幾乎踏遍了祖國的邊疆海域，搭載該動力系統的有人/無人飛行器在海拔4000多米的青藏高原、環境高溫濕熱復雜多變的南海海域、極限低溫的漠北草原等地進行了多次試飛，先后完成3000余小時發動機部件及整機地面試驗，100余架次、累積600多小時的飛行試驗。

　　渦輪增壓技術帶給無人機的不僅是簡單的“推背感”。別看這套動力系統體積不大，體內卻凝結著眾多最新設計理念：高增壓比的渦輪增壓器能夠幫助無人機提高飛行高度﹔高效率的中冷器大大提升發動機功率﹔先進的自適應控制策略，則保証了發動機運行的穩定可靠。該系統首次解決了高空小尺寸條件下跨聲速壓氣機效率低、穩定工作范圍窄的難題，顯著提高跨聲速離心壓氣機性能﹔首次解決了高空小迎風面條件下中冷器換熱效率低的技術難題，實現發動機高增壓系統超緊湊結構設計﹔首次提出該項自適應控制策略，解決了全空域低速系統穩定工作的難題……與進口的同類發動機相比，該系統單級增壓比提升了2.5倍，功率保持高度從4公裡提高到10公裡以上。

　　帶著多項絕技，該系統順利完成了首秀。此次參與神舟十一號飛船返回搜尋任務的無人機，在飛船返回前數小時就已升空，迅速攀升至指定高度后，採取定高飛行方式到達預定區域，在空中盤旋待命。返回艙降落后，該無人機迅速飛向目標著陸點，第一時間傳回了畫面。

　　目前，長航時無人機已在大氣監測、海洋監察和地質勘測等領域發揮著越來越重要的作用，隨著相關動力技術不斷成熟，必將幫助其在天地間開展更多探索。（記者 付毅飛）