目前,代表国内最高端的攻击型无人机分别为中航工业的翼龙2型无人机和航天科技集团的彩虹5无人机,这两款无人机在气动设计、传感器种类和武器载荷的选择上具有较强的相似性,但在动力系统,特别是发动机的选择上,却有很大的不同。根据公开资料,翼龙2无人机的发动机选择的是涡桨发动机,而彩虹5无人机选择的是航空重油发动机。那么,这两款发动机有什么不同,对无人机的性能又有什么影响呢?
翼龙2的公开亮相是在去年的珠海航展上,该型无人机的动力系统为国产涡桨发动机,功率为600马力。
涡桨发动机由螺旋桨和燃气发生器组成,螺旋桨由涡轮带动。由于螺旋桨的直径较大,转速要远比涡轮低,只有大约1000转/分,为使涡轮和螺旋桨都工作在正常的范围内,需要在它们之间安装一个减速器,将涡轮转速降至十分之一左右后,才可驱动螺旋桨。这种减速器的负荷重,结构复杂,制造成本高,它的重量一般相当于压气机和涡轮的总重,作为发动机整体的一个部件,减速器在设计、制造和试验中占有相当重要的地位。
涡桨发动机的螺旋桨后的空气流就相当于涡轮风扇发动机的外涵道,由于螺旋桨的直径比发动机大很多,气流量也远大于内涵道,因此这种发动机实际上相当于一台超大涵道比的涡轮风扇发动机。
彩虹5无人机同样首次亮相于去年的珠海航展,但根据石文总师的介绍,该无人机已采用了国产航空重油发动机,功率约为300马力。
无人机选择发动机与任务模式和任务载荷有很大关系,不完全是技术因素。
虽然活塞机的功率曾经做到2500kW,但推进效率已经很低。发动机领域专家、中国燃气涡轮研究院总设计师黄维娜认为,未来无人机动力系统的发展趋势是低速无人机配置功率不大于100千瓦的活塞发动机,旋翼无人机配装功率不大于500千瓦的涡轴发动机,中低速无人机配装功率不大于600千瓦的涡桨发动机,中高端无人机使用涡喷/涡扇发动机,高超声速无人机配置涡轮冲压组合发动机,以使动力与平台实现更好的匹配。
因此,不同的航空发动机有不同的技术性能和经济指标。涡喷机的高空高速性能好;涡扇比涡喷省油,大涵道比涡扇就更省油;涡桨呢,比涡扇还省油30%-40%,全寿命成本可降低一半;而活塞机比涡轮机还要省油——如果活塞机用重油,彩虹-5用重油机,航时比载重效率比美军MQ-9“死神”无人机几乎多一倍。发动机的价格也是同样,一台ROTAX914的国内代理价才27万人民币,一台AL31F2000万人民币,一台F135要超过一亿人民币。
除了功率和经济性,还有一个原因,就是高度。活塞机做好了,长航时问题不大,但是高空性能还是很难上去。就是二级涡轮增压,到10000米以上也比较吃力了,NASA研制的三级增压才到24000米。而涡轮机的高空性能是活塞机比不了的。捕食者A的ROTAX914活塞机二级增压升限也就8000米左右;“死神”无人机用霍尼韦尔TP331-10T涡桨机升限16700米很轻松;捕食者C用普惠PW545B涡轮机,升限18000米+。彩虹-5从涡桨-9换重油活塞机,原来用涡桨-9能够达到14000米以上实用升限的彩虹-5,换活塞机巡航高度只有3000-5000米,实用升限7600米,高空机就改中空机了。
不只是高度,采用不同的动力,速度也会有很大差异。如安装活塞发动机的捕食者A最大时速217公里,涡桨机的“死神”无人机增大到482公里,涡扇机的掠食者无人机是740公里。我国早期的靶-5Ⅰ(“长空”-1)型无人靶机,用WP-6型涡喷发动机,时速达到850~900公里。安装涡轮发动机的无人机机在空气稀薄的高空能大流量进气,流量大,推力大,载荷就大,速度也大,而安装活塞发动机的无人机超过800公里是非常困难的。
速度快,对无人机来说有利有弊。高速对于尽快抵达目标空域自然有利,对于可能丢失的侦查目标或者对于要进行打击的移动目标,快察快打是无人机的刚需。但是如果需要在复杂战场环境仔细搜索和发现目标,或者对目标进行长时间连续监视,那么飞得太快反而可能是缺点。
航空重油发动机,在巡航时间、航程、成本、维护性这些客户最关注的需求得到了满足,那么动力改型就是合适的选择,这是一方面。另一方面,石文总师说对于国内用户,彩虹-5国内版任务载荷900-1000公斤,比出口版的480公斤高了近一倍。如果任务载荷持续增加,再用重油活塞机不用涡轮机,就会非常吃力了。
因此,从发动机类型的区别看,这两种无人机其实并无孰优孰劣的问题。如果说美国采用900马力涡桨发动机的MQ-9“死神”是典型美国肌肉皮卡,那么功率小一些的“翼龙2”就是轻型越野车,而功率更小的“彩虹5”则是更朴实的小货车了。