圖為渦輪增壓動(dòng)力系統(tǒng)在滑翔機(jī)上進(jìn)行升限驗(yàn)證試驗(yàn)。

在高空也能“煥發(fā)活力”

隨著用途不斷拓展，無人機(jī)越飛越高，自然吸氣的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)逐漸顯得力不從心。開車去過高原的人都有體會(huì)，不僅人有高原反應(yīng)，發(fā)動(dòng)機(jī)同樣如此，最明顯的表現(xiàn)就是“沒勁兒”。其原因就是，高海拔區(qū)域空氣稀薄，發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際進(jìn)氣量明顯減少，從而導(dǎo)致功率嚴(yán)重降低。

為了讓活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)在高空“煥發(fā)活力”，渦輪增壓器應(yīng)運(yùn)而生。其原理是用活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣驅(qū)動(dòng)渦輪高速旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)與渦輪同軸的壓氣機(jī)，使進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣受到壓縮，密度提高，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際進(jìn)氣量。

對(duì)于普通車用活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)而言，渦輪增壓器為駕駛員帶來了“推背感”和更多駕駛樂趣，同時(shí)能適應(yīng)海拔數(shù)千米高原地區(qū)的駕駛需要，其增壓比一般較低。但對(duì)高空無人機(jī)而言，所需的不僅是“推背感”，更要讓無人機(jī)即使飛在數(shù)萬米高空，也依然能保持強(qiáng)勁動(dòng)力。因此，航空用渦輪增壓器必須實(shí)現(xiàn)高增壓比甚至是超高增壓比。

渦輪增壓技術(shù)是活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展史上具有里程碑意義的重大創(chuàng)新，不僅能大幅度提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率，還能進(jìn)一步降低燃油消耗，讓搭載活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的無人機(jī)飛得更遠(yuǎn)。有的無人機(jī)甚至為發(fā)動(dòng)機(jī)搭載了多臺(tái)渦輪增壓器，其連續(xù)增壓，能使無人機(jī)飛到20公里的臨近空間。這一高度的空氣密度僅為地面的十分之一，普通活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)根本無法企及，但渦輪增壓技術(shù)卻能幫助無人機(jī)在這里自由翱翔。

說到高增壓比渦輪增壓器，不能不提它的“親密搭檔”——中冷器。為進(jìn)一步發(fā)揮活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的潛力，研究人員在高增壓比渦輪增壓器基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了中冷器，其本質(zhì)是一種高效率換熱器。中冷器安裝在高增壓比渦輪增壓器之后，目的是給增壓后的高壓高密度空氣降溫。由于熱脹冷縮，這種設(shè)計(jì)能使進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣壓力和密度進(jìn)一步增大，從而讓發(fā)動(dòng)機(jī)功率進(jìn)一步提高。高增壓比渦輪增壓技術(shù)和中冷技術(shù)的聯(lián)合使用，不僅提高了發(fā)動(dòng)機(jī)功率，還能降低發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷，減少污染物的排放，使活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的潛力發(fā)揮到極致，更好地為無人機(jī)保駕護(hù)航。

帶著多項(xiàng)絕技完成首秀

據(jù)31所渦輪增壓活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目副總師甘斌林介紹，研究團(tuán)隊(duì)在8年前就瞄準(zhǔn)國內(nèi)無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)需求，開始了以突破關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品研制的艱苦攻關(guān)。通過高空長航時(shí)無人機(jī)用單級(jí)高增壓動(dòng)力系統(tǒng)的研究，以及國內(nèi)相關(guān)配套工作，首次掌握了單級(jí)高增壓動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了我國渦輪增壓動(dòng)力系統(tǒng)研制水平的突破性進(jìn)展。

隨著相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的逐一突破，研制團(tuán)隊(duì)幾乎踏遍了祖國的邊疆海域，搭載該動(dòng)力系統(tǒng)的有人/無人飛行器在海拔4000多米的青藏高原、環(huán)境高溫濕熱復(fù)雜多變的南海海域、極限低溫的漠北草原等地進(jìn)行了多次試飛，先后完成3000余小時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)部件及整機(jī)地面試驗(yàn)，100余架次、累積600多小時(shí)的飛行試驗(yàn)。

渦輪增壓技術(shù)帶給無人機(jī)的不僅是簡單的“推背感”。別看這套動(dòng)力系統(tǒng)體積不大，體內(nèi)卻凝結(jié)著眾多最新設(shè)計(jì)理念：高增壓比的渦輪增壓器能夠幫助無人機(jī)提高飛行高度；高效率的中冷器大大提升發(fā)動(dòng)機(jī)功率；先進(jìn)的自適應(yīng)控制策略，則保證了發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定可靠。該系統(tǒng)首次解決了高空小尺寸條件下跨聲速壓氣機(jī)效率低、穩(wěn)定工作范圍窄的難題，顯著提高跨聲速離心壓氣機(jī)性能；首次解決了高空小迎風(fēng)面條件下中冷器換熱效率低的技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)高增壓系統(tǒng)超緊湊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；首次提出該項(xiàng)自適應(yīng)控制策略，解決了全空域低速系統(tǒng)穩(wěn)定工作的難題……與進(jìn)口的同類發(fā)動(dòng)機(jī)相比，該系統(tǒng)單級(jí)增壓比提升了2.5倍，功率保持高度從4公里提高到10公里以上。

帶著多項(xiàng)絕技，該系統(tǒng)順利完成了首秀。此次參與神舟十一號(hào)飛船返回搜尋任務(wù)的無人機(jī)，在飛船返回前數(shù)小時(shí)就已升空，迅速攀升至指定高度后，采取定高飛行方式到達(dá)預(yù)定區(qū)域，在空中盤旋待命。返回艙降落后，該無人機(jī)迅速飛向目標(biāo)著陸點(diǎn)，第一時(shí)間傳回了畫面。

目前，長航時(shí)無人機(jī)已在大氣監(jiān)測(cè)、海洋監(jiān)察和地質(zhì)勘測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用，隨著相關(guān)動(dòng)力技術(shù)不斷成熟，必將幫助其在天地間開展更多探索。