在第十一屆中國航展亮相的CH-5中空長航時無人機(jī)系統(tǒng)。新華社記者 梁 旭攝
△ 在第十一屆中國航展上展出的易瓦特EWZ110油動變矩多旋翼無人機(jī)。 本報記者 周明陽攝
由俄羅斯聯(lián)合發(fā)動機(jī)制造集團(tuán)(UEC)生產(chǎn)的渦扇發(fā)動機(jī)模型。 本報記者 周明陽攝
在日前結(jié)束的第十一屆中國航展上，無人機(jī)是一大看點。《經(jīng)濟(jì)日報》記者在展會現(xiàn)場看到，展品以專業(yè)級無人機(jī)及相關(guān)構(gòu)件為主，包括工業(yè)級和軍工級無人機(jī)。目前國內(nèi)消費級無人機(jī)已達(dá)到世界領(lǐng)先水平，但專業(yè)級無人機(jī)卻尚未取得更高成就，動力系統(tǒng)是制約其發(fā)展的重要因素。
飛機(jī)能夠飛起來離不開螺旋槳推進(jìn)，螺旋槳要想產(chǎn)生推力必須依靠動力系統(tǒng)帶動。動力技術(shù)是無人機(jī)技術(shù)的關(guān)鍵。美國在《無人機(jī)系統(tǒng)路線圖(2005—2030)》指出：“推進(jìn)技術(shù)和處理器技術(shù)是無人機(jī)的兩大關(guān)鍵技術(shù)。”作為無人機(jī)系統(tǒng)發(fā)展的基石，無人機(jī)動力系統(tǒng)的發(fā)展直接決定了無人機(jī)能夠飛多遠(yuǎn)、飛多久。
民用無人機(jī)：
化“電動”為“油動”
不同類型的無人機(jī)平臺對動力裝置的需求有所不同，動力裝置決定著無人機(jī)的飛行時間和載荷重量，反過來又制約了無人機(jī)的作業(yè)能力。目前，無人機(jī)的動力系統(tǒng)分為電動機(jī)和發(fā)動機(jī)兩大類，即“電動”和“油動”。
電動機(jī)，又稱電動馬達(dá)、電機(jī)，一般應(yīng)用在微型無人機(jī)上，現(xiàn)在市場上大部分商用無人機(jī)安裝的都是電機(jī)。這種動力裝置優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、使用方便，適合作為低空、低速、微型無人機(jī)的動力。“油動”的發(fā)動機(jī)一般應(yīng)用于無人直升機(jī)等軍工級飛機(jī)。目前無人機(jī)廣泛采用的發(fā)動機(jī)包括往復(fù)式和旋轉(zhuǎn)式活塞發(fā)動機(jī)，以及包括渦噴、渦扇、渦槳和渦軸在內(nèi)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)。采用電動馬達(dá)的小型無人機(jī)載重約為3至5公斤，續(xù)航時間為15至20分鐘;而使用汽油發(fā)動機(jī)作動力系統(tǒng)，載重一般可達(dá)15公斤以上，續(xù)航時間可達(dá)2小時。
專業(yè)級無人機(jī)在電力、安防、農(nóng)業(yè)、森林防火、警用等不同細(xì)分領(lǐng)域的應(yīng)用正在穩(wěn)步增長。相比消費級無人機(jī)，應(yīng)用于行業(yè)當(dāng)中的無人機(jī)對載重負(fù)荷能力和續(xù)航能力的要求更高。市面上所售的大部分電動多旋翼由于鋰電池的局限性，在帶動5公斤重物輕載巡航的情況下，飛行時間最多不超過40分鐘。長航時大載重多旋翼無人機(jī)缺乏，成為國內(nèi)無人機(jī)市場的“盲點”。
一些國內(nèi)廠商探索將電動多旋翼和油動直升機(jī)的優(yōu)點結(jié)合起來，以達(dá)到增加飛機(jī)續(xù)航時間、增強(qiáng)飛機(jī)飛行穩(wěn)定性、提升飛機(jī)綜合性能的目的。易瓦特科技股份公司是國內(nèi)領(lǐng)先的民用無人機(jī)系統(tǒng)制造商，其研發(fā)的固定翼無人機(jī)、多旋翼無人機(jī)和大載荷無人直升機(jī)等產(chǎn)品已廣泛用于新聞影視、物流配送、農(nóng)林植保等10多個領(lǐng)域。航展期間，易瓦特發(fā)布了新品無人機(jī)——EWZ110油動變矩多旋翼。這款多旋翼無人機(jī)最大有效載荷20公斤，最大起飛重量40公斤，最大續(xù)航時長120分鐘，突破了現(xiàn)今大部分商用電動無人機(jī)動力系統(tǒng)的限制，從各方面顯著提升了無人機(jī)的性能。
易瓦特科技股份公司總裁趙國成介紹，這款多旋翼無人機(jī)的高效和續(xù)航更久的動力系統(tǒng)，源自針對油動變矩多旋翼自主研發(fā)的強(qiáng)制風(fēng)冷航空活塞發(fā)動機(jī)。汽油的能量密度為11.8kWh/KG、鋰電池的能量密度為0.25kWh/KG，在使用同樣重量的汽油和鋰電池的情況下，使用汽油的發(fā)動機(jī)能顯著提升飛機(jī)的續(xù)航時間。此外，這款無人機(jī)的機(jī)身結(jié)構(gòu)主要采用航空鋁合金及碳纖維材料，在保持機(jī)身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，大大減輕機(jī)身重量。
對于專業(yè)級無人機(jī)來說，動力系統(tǒng)的穩(wěn)定性能指標(biāo)尤為重要，因為無人機(jī)中的電機(jī)或發(fā)動機(jī)一般會帶來較強(qiáng)烈的振動，一旦減震控制不好，會在飛行過程中產(chǎn)生很大的加速度，引起角度變化，導(dǎo)致無人機(jī)飛行不平穩(wěn)，尤其是燃油發(fā)動機(jī)的振動比電動馬達(dá)還要大很多。為了克服這個問題，易瓦特自主研發(fā)出了雙輸出軸雙缸強(qiáng)制風(fēng)冷的動力系統(tǒng)，兩缸體水平對置放置,使兩缸體內(nèi)曲柄活塞機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動互相抵消,減輕了發(fā)動機(jī)的振動及噪聲，其振動值僅是普通航空活塞的十分之一，飛機(jī)的穩(wěn)定性得到顯著提升。
軍用無人機(jī)：
動力和平臺更匹配
善攻者攻于九天之上。無人作戰(zhàn)飛機(jī)以其“零傷亡”“非接觸”“無流血”和超機(jī)動、大過載等特有優(yōu)勢，成為未來空戰(zhàn)的主力。本次航展上，中高空長航時無人機(jī)、無人作戰(zhàn)飛機(jī)等高端機(jī)型成為展出的重要內(nèi)容。此類機(jī)型主要用于執(zhí)行戰(zhàn)略和戰(zhàn)役偵察任務(wù)，可搜集目標(biāo)區(qū)完整的情報信息，還可執(zhí)行多種打擊任務(wù)，是無人機(jī)中最高端的種類。航展上，采用重油燃料活塞發(fā)動機(jī)的“彩虹—5”(CH—5)中空長航時無人機(jī)實機(jī)首次現(xiàn)身航展現(xiàn)場。該機(jī)掛載有16枚導(dǎo)彈，最長能持續(xù)飛行60個小時。
目前，國外高端無人機(jī)動力的發(fā)展趨勢是以渦扇發(fā)動機(jī)為主。渦扇發(fā)動機(jī)耗油率相對較低，質(zhì)量和推力等級能與無人機(jī)較好匹配，十分適用于中高空長航時無人機(jī)和無人作戰(zhàn)飛機(jī)。本次航展上，美國、俄羅斯等國也帶來了本國的渦扇發(fā)動機(jī)參展。我國也加強(qiáng)了對發(fā)動機(jī)的布局和研發(fā)。今年8月新成立、承載著打造強(qiáng)勁“中國心”使命的中國航空發(fā)動機(jī)集團(tuán)首次參展，我國自行研制、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能、大推力加力渦扇發(fā)動機(jī)“太行”和“玉龍”“金沙”等均以實物展出，展現(xiàn)了我國在發(fā)動機(jī)研發(fā)上的先進(jìn)成果。
發(fā)動機(jī)領(lǐng)域?qū)＜摇⒅袊細(xì)鉁u輪研究院總設(shè)計師黃維娜認(rèn)為，未來無人機(jī)動力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是低速無人機(jī)配置功率不大于100千瓦的活塞發(fā)動機(jī)，旋翼無人機(jī)配裝功率不大于500千瓦的渦軸發(fā)動機(jī)，中低速無人機(jī)配裝功率不大于600千瓦的渦槳發(fā)動機(jī)，中高端無人機(jī)使用渦噴/渦扇發(fā)動機(jī)，高超聲速無人機(jī)配置渦輪沖壓組合發(fā)動機(jī)，以使動力與平臺實現(xiàn)更好的匹配。
