无人机装上涡轮增压：不仅是简单的“推背感”

▲图为涡轮增压动力系统在滑翔机上进行升限验证试验

　　从第二次世界大战后期开始，涡轮发动机诞生。这种发动机利用燃油燃烧的高温燃气驱动涡轮做旋转运动，既可以用涡轮旋转产生的动力驱动螺旋桨，也可以用排出的高速气流直接推动飞机前进。涡轮发动机使航空事业进入了喷气时代，大部分军用飞机都从活塞式发动机换装了涡轮发动机，飞行速度突破数倍音速。

　　尽管如此，作为老古董的活塞式发动机并没有退出历史舞台。涡轮发动机虽然速度快，却是真正的“油老虎”。与之相比，燃油消耗率低为活塞式发动机带来了无可比拟的优势，决定着它能拥有更长的续航时间。这一绝活，使得活塞式发动机依然活跃，速度不需要太快但需要一定经济性的飞机，例如通航飞机，依然大量使用活塞式发动机为动力。近年来，随着无人机的发展和应用，成本低廉、燃油消耗低的活塞式发动机已成为无人机的主要动力形式。特别是对于执行特殊任务的长航时无人机，几乎全部采用活塞式发动机为动力。据统计，以涡轮喷气发动机为动力的无人机，续航时间一般为数小时;而相同油量下以活塞发动机为动力的无人机，可以持续飞行数十小时。

　　在高空也能“焕发活力”

　　随着用途不断拓展，无人机越飞越高，自然吸气的活塞式发动机逐渐显得力不从心。开车去过高原的人都有体会，不仅人有高原反应，发动机同样如此，最明显的表现就是“没劲儿”。其原因就是，高海拔区域空气稀薄，发动机的实际进气量明显减少，从而导致功率严重降低。

　　为了让活塞式发动机在高空“焕发活力”，涡轮增压器应运而生。其原理是用活塞式发动机排出的废气驱动涡轮高速旋转，带动与涡轮同轴的压气机，使进入发动机的空气受到压缩，密度提高，从而提高发动机的实际进气量。

　　对于普通车用活塞式发动机而言，涡轮增压器为驾驶员带来了“推背感”和更多驾驶乐趣，同时能适应海拔数千米高原地区的驾驶需要，其增压比一般较低。但对高空无人机而言，所需的不仅是“推背感”，更要让无人机即使飞在数万米高空，也依然能保持强劲动力。因此，航空用涡轮增压器必须实现高增压比甚至是超高增压比。

　　涡轮增压技术是活塞式发动机发展史上具有里程碑意义的重大创新，不仅能大幅度提高发动机功率，还能进一步降低燃油消耗，让搭载活塞式发动机的无人机飞得更远。有的无人机甚至为发动机搭载了多台涡轮增压器，其连续增压，能使无人机飞到20公里的临近空间。这一高度的空气密度仅为地面的十分之一，普通活塞式发动机根本无法企及，但涡轮增压技术却能帮助无人机在这里自由翱翔。

　　说到高增压比涡轮增压器，不能不提它的“亲密搭档”——中冷器。为进一步发挥活塞式发动机的潜力，研究人员在高增压比涡轮增压器基础上，设计了中冷器，其本质是一种高效率换热器。中冷器安装在高增压比涡轮增压器之后，目的是给增压后的高压高密度空气降温。由于热胀冷缩，这种设计能使进入发动机的空气压力和密度进一步增大，从而让发动机功率进一步提高。高增压比涡轮增压技术和中冷技术的联合使用，不仅提高了发动机功率，还能降低发动机热负荷，减少污染物的排放，使活塞式发动机的潜力发挥到极致，更好地为无人机保驾护航。

　　带着多项绝技完成首秀

　　据31所涡轮增压活塞式发动机项目副总师甘斌林介绍，研究团队在8年前就瞄准国内无人机动力系统技术需求，开始了以突破关键技术实现产品研制的艰苦攻关。通过高空长航时无人机用单级高增压动力系统的研究，以及国内相关配套工作，首次掌握了单级高增压动力系统设计技术，实现了我国涡轮增压动力系统研制水平的突破性进展。

　　随着相关关键技术的逐一突破，研制团队几乎踏遍了祖国的边疆海域，搭载该动力系统的有人/无人飞行器在海拔4000多米的青藏高原、环境高温湿热复杂多变的南海海域、极限低温的漠北草原等地进行了多次试飞，先后完成3000余小时发动机部件及整机地面试验，100余架次、累积600多小时的飞行试验。

　　涡轮增压技术带给无人机的不仅是简单的“推背感”。别看这套动力系统体积不大，体内却凝结着众多最新设计理念:高增压比的涡轮增压器能够帮助无人机提高飞行高度;高效率的中冷器大大提升发动机功率;先进的自适应控制策略，则保证了发动机运行的稳定可靠。该系统首次解决了高空小尺寸条件下跨声速压气机效率低、稳定工作范围窄的难题，显著提高跨声速离心压气机性能;首次解决了高空小迎风面条件下中冷器换热效率低的技术难题，实现发动机高增压系统超紧凑结构设计;首次提出该项自适应控制策略，解决了全空域低速系统稳定工作的难题……与进口的同类发动机相比，该系统单级增压比提升了2.5倍，功率保持高度从4公里提高到10公里以上。

　　带着多项绝技，该系统顺利完成了首秀。此次参与神舟十一号飞船返回搜寻任务的无人机，在飞船返回前数小时就已升空，迅速攀升至指定高度后，采取定高飞行方式到达预定区域，在空中盘旋待命。返回舱降落后，该无人机迅速飞向目标着陆点，第一时间传回了画面。

　　目前，长航时无人机已在大气监测、海洋监察和地质勘测等领域发挥着越来越重要的作用，随着相关动力技术不断成熟，必将帮助其在天地间开展更多探索。

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