淺析高長航時無人機動力
中國航空報訊：在2017年度國家科學技術獎勵大會上，來自北京航空航天大學的「長鷹高原型遠程無人偵察機系統」摘得國家科技進步一等獎。與去年多個航展上亮相的「翼龍」等無人機一樣，「長鷹」也屬於高空長航時無人機（HALEUAV）。目前，HALEUAV一般指飛行高度大於18千米，巡航時間不小於24小時的無人機。由於這種無人機的飛行時間特別長，甚至一度被人稱為「大氣層人造衛星」，它非常適用於高技術局部戰爭中的情報偵察和監視任務，在我國的現代化發展進程中具有重要戰略意義。
美國曾在《無人機系統路線圖（2005-2030）》中指出：「推進技術和處理器技術是無人機的兩大關鍵技術」。無人機動力裝置的發展直接決定了無人機能夠飛多遠、飛多久。
高空長航時無人機主要用於執行偵察和感測任務，甚至被要求具有察打一體化的能力，集偵察和打擊敵方目標等能力於一體，如我國的「翼龍」無人機等。
這些任務都要求HALEUAV運行、維護工作量少且可快速部署。因此，HALEUAV的動力裝置必須具有良好的可靠性，良好的燃油經濟性，穩定的高空工作能力和良好的爬升能力。發動機的重量要輕，壽命要長，運行和維護成本要低。
偵察、感測和打擊等多任務對無人機機載載荷提出了更高要求，要求無人機發動機需要提供更多的電力。
短航程飛機一般在6000米至9600米高度飛行，長航程飛機一般在8000米至12600米高度飛行，而高空長航時無人機的飛行高度更高。隨著高度的增加，空氣的密度和壓力都大大降低，當高度達到24千米時，空氣的密度和壓力只有海平面的1/30左右。
渦輪發動機為了達到更高的增壓比就必須增加壓氣機的級數，活塞發動機也必須採用渦輪增壓器，這樣會大大增加無人機的重量，因此需要研究重量輕、效率高的壓縮系統。同時，增壓比增大使空氣的溫度比低空更高，空氣密度的降低使雷諾數減少，空氣的熱容量減小，嚴重影響了發動機的對流交換，導致發動機散熱相對低空更加困難，對發動機的冷卻提出了更高要求。發動機分出更多的功率用於電力驅動，空氣密度大大降低進一步增加了壓氣機喘振裕度的負擔，使高空工作的發動機壓氣機穩定性受到更大挑戰。
目前，高空長航時無人機動力類型包括渦扇發動機、渦槳發動機、帶渦輪增壓的渦輪-活塞組合發動機以及燃料電池和太陽能動力等。
例如，美國的「全球鷹」等以偵察任務為主的先進高空長航時無人機均選用渦輪風扇發動機作為其動力裝置；「死神」MQ-9無人機則採用渦輪螺旋槳發動機；以色列「蒼鷺」無人機，採用渦輪增壓活塞發動機，已經可以滿足高原無人機大多數使用要求。
如何使高空長航時無人機飛得更遠、更久、更穩，仍然是當前和今後無人機動力裝置的重點研究方向。增材製造、先進複合材料等技術的發展均為未來無人機發動機的發展提供了更多可能性。 （陳韜）
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