圖為渦輪增壓動力系統(tǒng)在滑翔機上進行升限驗證試驗。

在高空也能“煥發(fā)活力”

隨著用途不斷拓展，無人機越飛越高，自然吸氣的活塞式發(fā)動機逐漸顯得力不從心。開車去過高原的人都有體會，不僅人有高原反應，發(fā)動機同樣如此，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)動機的實際進氣量明顯減少，從而導致功率嚴重降低。

為了讓活塞式發(fā)動機在高空“煥發(fā)活力”，渦輪增壓器應運而生。其原理是用活塞式發(fā)動機排出的廢氣驅動渦輪高速旋轉，帶動與渦輪同軸的壓氣機，使進入發(fā)動機的空氣受到壓縮，密度提高，從而提高發(fā)動機的實際進氣量。

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

渦輪增壓技術是活塞式發(fā)動機發(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)動機功率，還能進一步降低燃油消耗，讓搭載活塞式發(fā)動機的無人機飛得更遠。有的無人機甚至為發(fā)動機搭載了多臺渦輪增壓器，其連續(xù)增壓，能使無人機飛到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)動機根本無法企及，但渦輪增壓技術卻能幫助無人機在這里自由翱翔。

說到高增壓比渦輪增壓器，不能不提它的“親密搭檔”——中冷器。為進一步發(fā)揮活塞式發(fā)動機的潛力，研究人員在高增壓比渦輪增壓器基礎上，設計了中冷器，其本質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，這種設計能使進入發(fā)動機的空氣壓力和密度進一步增大，從而讓發(fā)動機功率進一步提高。高增壓比渦輪增壓技術和中冷技術的聯(lián)合使用，不僅提高了發(fā)動機功率，還能降低發(fā)動機熱負荷，減少污染物的排放，使活塞式發(fā)動機的潛力發(fā)揮到極致，更好地為無人機保駕護航。

帶著多項絕技完成首秀

據(jù)31所渦輪增壓活塞式發(fā)動機項目副總師甘斌林介紹，研究團隊在8年前就瞄準國內無人機動力系統(tǒng)技術需求，開始了以突破關鍵技術實現(xiàn)產(chǎn)品研制的艱苦攻關。通過高空長航時無人機用單級高增壓動力系統(tǒng)的研究，以及國內相關配套工作，首次掌握了單級高增壓動力系統(tǒng)設計技術，實現(xiàn)了我國渦輪增壓動力系統(tǒng)研制水平的突破性進展。

隨著相關關鍵技術的逐一突破，研制團隊幾乎踏遍了祖國的邊疆海域，搭載該動力系統(tǒng)的有人/無人飛行器在海拔4000多米的青藏高原、環(huán)境高溫濕熱復雜多變的南海海域、極限低溫的漠北草原等地進行了多次試飛，先后完成3000余小時發(fā)動機部件及整機地面試驗，100余架次、累積600多小時的飛行試驗。

渦輪增壓技術帶給無人機的不僅是簡單的“推背感”。別看這套動力系統(tǒng)體積不大，體內卻凝結著眾多最新設計理念：高增壓比的渦輪增壓器能夠幫助無人機提高飛行高度；高效率的中冷器大大提升發(fā)動機功率；先進的自適應控制策略，則保證了發(fā)動機運行的穩(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性能；首次解決了高空小迎風面條件下中冷器換熱效率低的技術難題，實現(xiàn)發(fā)動機高增壓系統(tǒng)超緊湊結構設計；首次提出該項自適應控制策略，解決了全空域低速系統(tǒng)穩(wěn)定工作的難題……與進口的同類發(fā)動機相比，該系統(tǒng)單級增壓比提升了2.5倍，功率保持高度從4公里提高到10公里以上。

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

目前，長航時無人機已在大氣監(jiān)測、海洋監(jiān)察和地質勘測等領域發(fā)揮著越來越重要的作用，隨著相關動力技術不斷成熟，必將幫助其在天地間開展更多探索。