油電混合電推進(jìn)的中小型無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)應(yīng)用研究

無(wú)人機(jī)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀隨著目標(biāo)、跟蹤、干擾、攻擊、跟蹤、交叉和加油等類型無(wú)人機(jī)在現(xiàn)代武器裝備中的地位日益提高，針對(duì)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的車輛、氣布局、飛機(jī)控制、數(shù)據(jù)鏈路、人工智能、車載武器等相關(guān)技術(shù)有所增加。1無(wú)人機(jī)氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的選擇現(xiàn)有的微小型、中型和大型無(wú)人機(jī)分別采用不同級(jí)別發(fā)動(dòng)機(jī),如圖1和圖2所示。一般來(lái)說(shuō),微小型無(wú)人機(jī)多為航模級(jí)無(wú)刷電機(jī)(T-Motor、EMAX等)、活塞發(fā)動(dòng)機(jī)(3W、DA等)和微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)(JetCat、AMT等),中型無(wú)人機(jī)則配備功率較高的活塞/轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)(Rotax、Limbach等)、渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)(PW、PT6等)和渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)(Microturbo等),而大型無(wú)人機(jī)一般為有人作戰(zhàn)飛機(jī)使用的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)(Rolls-Royce、AE3007等)在無(wú)人機(jī)氣動(dòng)布局及總體設(shè)計(jì)中,發(fā)動(dòng)機(jī)作為先決條件,直接決定和限制無(wú)人機(jī)外形、使用環(huán)境和綜合性能指標(biāo)。因此,基于現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)方案下的無(wú)人機(jī)氣動(dòng)外形大多相似,功能指標(biāo)基本相近,如現(xiàn)有小型垂直起降無(wú)人機(jī)(Panther、CW-30等)多采用鋰電-無(wú)刷電機(jī)動(dòng)力的垂直起降和燃油-活塞發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的水平飛行,而小型高速靶機(jī)(BQM-167A、S-200W等)則多為高油耗渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的彈翼布局,飛行時(shí)間一般不超過(guò)1h,供靶時(shí)間不超過(guò)30min。如圖3和圖4所示。2推進(jìn)混合動(dòng)力的新技術(shù)應(yīng)用油電混合動(dòng)力,即燃油發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率部分或全部帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電,然后通過(guò)產(chǎn)生的電能給電機(jī)推進(jìn)裝置提供能量。隨著油電混合動(dòng)力研究的不斷成熟,基于油電混合動(dòng)力的無(wú)人機(jī)能將發(fā)動(dòng)機(jī)和推進(jìn)裝置進(jìn)行隔離,使得能源管理解耦,這對(duì)飛行器氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)、飛行控制策略等關(guān)鍵環(huán)節(jié)約束簡(jiǎn)化顯著,極大地發(fā)掘飛行器非常規(guī)設(shè)計(jì)與應(yīng)用的潛在優(yōu)勢(shì)。在油電混合動(dòng)力相關(guān)技術(shù)方面,歐美航空大國(guó)早已開(kāi)始大量研究工作,如CLEEN、ERA、VTOLX-Plane、SCEPTOR、潔凈天空、航跡2050等項(xiàng)目計(jì)劃。目前,美國(guó)正在開(kāi)發(fā)緊湊型、高功率密度、兆瓦級(jí)的電動(dòng)機(jī),同時(shí)電機(jī)效率達(dá)到99%、功重比達(dá)到13kW/kg。此外,NASA資助建設(shè)的電推進(jìn)飛機(jī)試驗(yàn)臺(tái)(NEAT),為帶機(jī)尾附面層消除的單通道渦輪電推進(jìn)概念機(jī)(STARC-ABL)提供2.6MW大型電力系統(tǒng)測(cè)試設(shè)備,該試驗(yàn)臺(tái)擁有大功率常規(guī)和超導(dǎo)電驅(qū)動(dòng)測(cè)試所需的功率、冷卻和低溫設(shè)施。與此同時(shí),各大航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造商均在開(kāi)發(fā)基于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的混合電推進(jìn)技術(shù),如GE公司通過(guò)改造F110發(fā)動(dòng)機(jī),并分別從高壓渦輪和低壓渦輪提取250kW和750kW功率,共計(jì)1MW功率用于混合電推進(jìn)技術(shù)驗(yàn)證工作。2.1壓力和速度優(yōu)勢(shì)對(duì)于可重復(fù)入水跨介質(zhì)無(wú)人機(jī)、小型亞聲速長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)、高效垂直起降無(wú)人機(jī)和中小型高原型短距起降無(wú)人機(jī)等非常規(guī)無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)而言,基于油電混合動(dòng)力的無(wú)人機(jī)布局/動(dòng)力/控制一體化設(shè)計(jì)具有一定參考價(jià)值。1)分布式推進(jìn)無(wú)人機(jī)。采用分布式螺旋槳或分布式涵道風(fēng)扇等電推進(jìn)技術(shù)的中小型無(wú)人機(jī),其起降狀態(tài)的機(jī)翼高升力能實(shí)現(xiàn)高原環(huán)境下短距起降功能。如美X-57麥克斯韋驗(yàn)證機(jī)進(jìn)行分布式小直徑螺旋槳設(shè)計(jì)分析,該高升力螺旋槳能在低速起降狀態(tài)下高效運(yùn)轉(zhuǎn),同時(shí)在高速巡航狀態(tài)下槳葉能折疊且與短艙貼合,減小巡航阻力(見(jiàn)圖7)。同時(shí)2014年NASA先進(jìn)飛行器計(jì)劃資助的LEAPTech驗(yàn)證機(jī)項(xiàng)目,其著落狀態(tài)定?；鲾?shù)值模擬表明,機(jī)翼最大升力系數(shù)能達(dá)到5.2,即不需要安裝增升裝置,機(jī)翼前緣的分布式螺旋槳?jiǎng)恿湍軡M足無(wú)人機(jī)短距起降狀態(tài)的高升力需求(見(jiàn)圖5和圖6)2)垂直起降無(wú)人機(jī)。將電推進(jìn)動(dòng)力分別布置在機(jī)翼和尾翼/鴨翼上,翼面通過(guò)機(jī)構(gòu)偏轉(zhuǎn)可實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)垂直起降。如DARPA在2013年發(fā)起的垂直起降驗(yàn)證機(jī)(VTOLX-Plane),致力于開(kāi)發(fā)一款速度快、懸停效率高、巡航經(jīng)濟(jì)性好以及任務(wù)載荷質(zhì)量大的新型垂直起降飛行器,其中極光公司的LightningStrike方案采用機(jī)翼和鴨翼布置電動(dòng)涵道風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的垂直起降,并進(jìn)行試驗(yàn)樣機(jī)的演示飛行。與此同時(shí),NASA正在研究機(jī)翼和尾翼采用電動(dòng)螺旋槳?jiǎng)恿Φ拇怪逼鸾凋?yàn)證機(jī)GL-103)邊界層消除無(wú)人機(jī)。通過(guò)尾部或機(jī)翼后緣布置的電推進(jìn)動(dòng)力,可對(duì)機(jī)身或機(jī)翼等部件后緣低能量的邊界層氣流進(jìn)行抽吸消除,減小飛行阻力,提高中小型無(wú)人機(jī)巡航時(shí)間。如帶后置附面層消除的單通道渦輪電推進(jìn)概念機(jī)(STARC-ABL),采用機(jī)身尾部電動(dòng)涵道風(fēng)扇動(dòng)力,全機(jī)阻力減小,可節(jié)省約10%燃油消耗(見(jiàn)圖9)。另外,2012年NASA基礎(chǔ)航空項(xiàng)目資助的D8雙氣泡布局方案,采用尾部三臺(tái)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī),對(duì)寬機(jī)身尾部邊界層進(jìn)行抽吸,風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果表明邊界層消除效應(yīng)可使該布局降低15%的燃油消耗(見(jiàn)圖10)。4)電動(dòng)涵道亞聲速無(wú)人機(jī)。置于機(jī)身尾部的電動(dòng)涵道風(fēng)扇由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電提供能量,將活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的低耗油率和涵道風(fēng)扇的高速性相結(jié)合,達(dá)到亞聲速長(zhǎng)航時(shí)巡航的目的。目前國(guó)內(nèi)外電動(dòng)涵道亞聲速無(wú)人機(jī)的相關(guān)研究較少,開(kāi)展該類研究需精細(xì)考慮活塞發(fā)動(dòng)機(jī)可用功率與涵道風(fēng)扇需用功率的匹配,而涵道風(fēng)扇需用功率直接由無(wú)人機(jī)氣動(dòng)布局決定,同時(shí)還需兼顧電機(jī)能源轉(zhuǎn)化效率和涵道風(fēng)扇直徑葉片數(shù)等參數(shù),是典型的氣動(dòng)/涵道風(fēng)扇/動(dòng)力一體化設(shè)計(jì)問(wèn)題。5)可重復(fù)入水跨介質(zhì)無(wú)人機(jī)。采用電推進(jìn)動(dòng)力避免燃油發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)水密問(wèn)題的敏感性,同時(shí)無(wú)人機(jī)在水面和空中通過(guò)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電,為鋰電池充電或電推進(jìn)供電;在水下和出入水過(guò)程中則采用鋰電池為電推進(jìn)供電。為了保證無(wú)人機(jī)順利出水,可利用水面滑跑或可增壓高壓氣罐噴水等輔助手段起飛。如2016年,英國(guó)帝國(guó)理工大學(xué)空中機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室成功試飛AquaMAV跨介質(zhì)無(wú)人試驗(yàn)機(jī),完成空中入水、水下出水及空中飛行測(cè)試(見(jiàn)圖11)。該無(wú)人試驗(yàn)機(jī)在空中入水過(guò)程中,其機(jī)翼可以收起折疊成一條細(xì)線,減小入水沖擊載荷。對(duì)于微小型飛行器完成出水過(guò)程,目前還缺乏一種完成微小型飛行器出水的高效動(dòng)力。因此,該無(wú)人機(jī)采用存儲(chǔ)在機(jī)身內(nèi)的二氧化碳高壓氣罐提供短暫推力,使無(wú)人機(jī)“跳出”水面,同時(shí)機(jī)翼展開(kāi)且螺旋槳工作,快速過(guò)渡到飛行狀態(tài)(見(jiàn)圖12)。該無(wú)人機(jī)將應(yīng)用到石油泄露等緊急情況的水域采樣或海洋環(huán)境的氣候變化記錄。2.2gl-10垂直起落架驗(yàn)證機(jī)基于油電混合動(dòng)力的中小型無(wú)人機(jī),其氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)更為靈活,特別是分布式螺旋槳或分布式涵道風(fēng)扇,在飛行控制策略上更加豐富,如垂直起降、推力矢量、主動(dòng)流動(dòng)控制、跨介質(zhì)多模態(tài)控制等非常規(guī)控制策略。同時(shí)基于Pixhawk等開(kāi)源飛控在垂直起降方面,如GL-10垂直起降驗(yàn)證機(jī)在機(jī)翼和尾翼采用電動(dòng)螺旋槳?jiǎng)恿?起降過(guò)程中可傾轉(zhuǎn)機(jī)翼和尾翼處于垂直位置,控制方式與多旋翼基本相近,且懸停過(guò)程中機(jī)翼螺旋槳提供80%拉力,尾翼螺旋槳提供20%拉力;在平飛過(guò)程中則采用固定翼控制方式,通過(guò)傳統(tǒng)氣動(dòng)舵面進(jìn)行操控。在跨介質(zhì)多模態(tài)控制方面,國(guó)內(nèi)外早已開(kāi)展大量相關(guān)研究工作,如鸕鶿無(wú)人機(jī)、XFC潛射無(wú)人機(jī)、軍種通用彈簧折刀無(wú)人機(jī)、AquaMAV跨介質(zhì)無(wú)人機(jī)、飛泳者(Flimmer)項(xiàng)目、埃利烏斯(Aelius)無(wú)人機(jī)等。該類無(wú)人機(jī)成本較低、控制空間廣且威脅復(fù)雜度高。同時(shí),相對(duì)于單次入水/出水而言,可重復(fù)入水跨介質(zhì)的控制策略更為復(fù)雜,既需要保證無(wú)人機(jī)空中、水下和出入水多個(gè)模態(tài)的穩(wěn)定可控,又必須協(xié)調(diào)全機(jī)能源管理以及各類問(wèn)題的容錯(cuò)能力和余度技術(shù)。3開(kāi)環(huán)運(yùn)行應(yīng)用基于油電混合動(dòng)力的中小型無(wú)人機(jī)在設(shè)計(jì)上更為靈活,由此衍生的可重復(fù)入水跨介質(zhì)、小型亞聲速長(zhǎng)航時(shí)、高效垂直起降和中小型高原型短距起降等非常規(guī)無(wú)人機(jī)的作戰(zhàn)應(yīng)用更為獨(dú)特,甚至出現(xiàn)“改變游戲規(guī)劃”的作戰(zhàn)應(yīng)用效果3.1簡(jiǎn)易起落架高原型中小型無(wú)人機(jī)需求我國(guó)高原山地面積廣泛,邊境線狹長(zhǎng)且環(huán)境惡劣,同時(shí)高原寒地機(jī)場(chǎng)少、鐵路有限。為了解決高原山地環(huán)境下的軍用物資運(yùn)輸、持續(xù)情報(bào)偵察/監(jiān)視、快速應(yīng)急反應(yīng)等軍事需求,研發(fā)具有短距/垂直起降或彈射/傘降的簡(jiǎn)易起降高原型中小型無(wú)人機(jī)需求迫切?；谟碗娀旌蟿?dòng)力的中型分布式螺旋槳運(yùn)輸無(wú)人機(jī),其機(jī)翼在分布式螺旋槳滑流作用下具備高升力系數(shù),可大大縮減高原起降距離,能在野戰(zhàn)機(jī)場(chǎng)或簡(jiǎn)易跑道起飛著落。3.2海上情報(bào)偵察從自然地理?xiàng)l件上講,我國(guó)是世界上主要的瀕海大國(guó),地處太平洋西岸,除渤海是內(nèi)海外,黃海、東海和南海均處太平洋緣海,海上邊界線漫長(zhǎng)且被第一島鏈包圍,來(lái)自島嶼爭(zhēng)端、軍事挑釁和海外利益等海上威脅日趨嚴(yán)峻。為此,發(fā)展具有海上部署方便、隱蔽性強(qiáng)、成本低的中小型無(wú)人機(jī),能快速進(jìn)行海上情報(bào)收集、目標(biāo)監(jiān)視、中繼通信或目標(biāo)導(dǎo)引等多種作戰(zhàn)任務(wù)?；谟碗娀旌蟿?dòng)力的可重復(fù)入水跨介質(zhì)中小型無(wú)人機(jī),能兼顧航空飛行器的高速性和水下航行器的隱蔽性,且起降簡(jiǎn)單,方便部署,可獲取空中、水面和水下的敵我信息,并針對(duì)敵方防御體系弱點(diǎn),綜合利用空中和水下突防手段實(shí)施作戰(zhàn)任務(wù)。3.3增強(qiáng)模擬訓(xùn)練,提高模擬效果隨著火炮、防空導(dǎo)彈和空空導(dǎo)彈等先進(jìn)裝備的不斷出現(xiàn),對(duì)于各類航空武器的性能鑒定和戰(zhàn)機(jī)飛行員及高炮、地空導(dǎo)彈、雷達(dá)操作人員的模擬訓(xùn)練要求增強(qiáng),這促使模擬各種飛機(jī)和導(dǎo)彈的靶機(jī)不斷更新?lián)Q代,特別是在亞聲速、超聲速和高機(jī)動(dòng)性等高性能靶機(jī)方面?；谟碗娀旌蟿?dòng)力的小型亞聲速無(wú)人機(jī),采用活塞發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源,涵道風(fēng)扇提供推力。該方案具有飛行速度快、耗油率低的特點(diǎn),能滿足高速靶機(jī)供靶速度和時(shí)間要求,同時(shí)相對(duì)采用微型渦噴方案的彈翼布局成本更低。3.4低成本高無(wú)人蜂群核心能力近年來(lái),隨著垂直起降、(下轉(zhuǎn)第51頁(yè))長(zhǎng)航時(shí)等各類無(wú)人機(jī)平臺(tái)的日趨成熟,基于智能導(dǎo)航算法的蜂群技術(shù)、集群編隊(duì)、自動(dòng)避障等無(wú)人機(jī)人工智能應(yīng)用爆發(fā)增長(zhǎng),由此出現(xiàn)各種持續(xù)空中干擾/監(jiān)視/攻擊等作戰(zhàn)應(yīng)用,特別是由地面無(wú)人車、水下無(wú)人潛航器、水面無(wú)人艇、空中無(wú)人機(jī)等組成的低成本無(wú)人蜂群體系?；谟碗娀旌蟿?dòng)力的各類低成本無(wú)人機(jī),能組成空中長(zhǎng)航時(shí)偵察、亞聲速高速突防以及水下穿透性監(jiān)視/中繼/導(dǎo)引突防等平臺(tái),提高體系快速情報(bào)收集、高速突防等節(jié)點(diǎn)能力。4仿真無(wú)人機(jī)及有