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“翔鹤”可变循环动力高空长航时无人机

http://www.sina.com.cn  2008年10月08日 16:55  新浪航空
效果副本。
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三面图副本。
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  1 绪论

  高空长航时无人机(HALE)主要执行侦察和对地攻击任务,巡航高度15~20 公里,航时大于24 小时,典型的如美国的RQ-4 全球鹰。由于飞行高度高,续航时间长,借助其携带的高分辨率侦察设备, 一次任务侦察相当于20 架次中空长航时无人机侦察任务的区域面积,具有极高的作战效能,是各军事大国大力发展的航空武器,也可用作开展大气环境探测、海洋环境监测的有效平台。然而由于高空长航时无人机在同温层滞留的时间长,燃烧大量的燃油,对大气的污染要远胜于对流层内飞行的飞行器,如何减少航空油料消耗和对大气的污染,保护头顶上的蓝色天空是每个航空设计人员的责任。

  现有的高空长航时无人机多以小涵道比涡扇发动机为动力,燃油消耗率较高,难以承担长时间的侦察巡航的任务;相比热机而言,电动机具有功重比高、结构简单、输出功率恒定等优点,基于高空长航时无人机的特点,在此提出一种基于混合动力的长航时无人机方案-“翔鹤”,可以有效减少燃油的消耗量,延长留空时间,减少排放,降低使用成本,且技术风险较低,具有较高的可实现性。

  

  2 方案介绍

  2.1 总体布局

  “翔鹤”无人机采用鸭式布局。大展弦比机翼,上反2°,前缘后掠15°;鸭翼下反3°,前缘前掠5°;垂尾外倾15°;沿航向左右各布置一根支撑管梁,连接鸭翼、机翼和垂尾,管梁前端各布置一台电动机,驱动可变距螺旋桨;机身尾部布置一台小涵道比的涡扇发动机(如Williams FJ44-3)。

  “翔鹤”采用鸭式布局,具有较高的气动效率,鸭翼在纵向配平的同时,也能提供一部分力,有利于实现短距起降和长时间巡航;双尾撑结构能够对机翼和鸭翼卸载,减小机翼根部载荷,同时提供了 机身中部用于装载的燃油,机翼、鸭翼和尾翼也提供了大量的机载燃油空间。较大的前机身空间用于布置卫星通信设备和各种机载设备。

  2.2 技术特点

  “翔鹤”采用了可变循环动力技术,最大程度上减小了对燃油的消耗,携带同等重量燃油起飞,留空时间比完全采用同样涡扇动力的无人机多2~3 倍,可完成对更广大区域的监视飞行或对因自然灾害(如地震)导致通信中断的地区提供不间断的通信中继。

  “翔鹤”无人机的主动力是两台功率220kw 的无刷电动机,由布置在尾撑内的1100V 电池组提供电源,小涵道比涡扇发动机提供起飞用推力,到达巡航高度以后,由电动机驱动螺旋桨提供巡航动力。

  由于长航时无人机以最大升阻比巡航状态下的推力约为起飞推力的1/4~1/3,对推力的需求减小,而低速巡航状态热效率不高的涡扇发动机此时就可驱动1 台与转轴相连的500kw 发电机,转变成一台用于发电的燃气轮机,热效率能够提高1~2 倍,完成对电池的充电和对

  

  全机用电设备的供电,尾部排气也可产生一部分推力。同时,遍布机翼、垂尾、鸭翼上的太阳能电池板也可提供部分机载设备用电。

  全机动力模式的切换由EMU(电源管理模块)完成,发电机输出的电能经EMU 整流后对动力电池组充电,太阳能电池在高空飞行时可提供7kw 的电能,供机载设备和有效载荷使用;夜幕降临时,由蓄电池提供设备用电。

  2.3 性能计算

  该机选取H=15km,V=450 作为巡航设计点,满载起飞重量10000kg,燃油重量7000kg。飞行过程分为起飞(a)、爬升(b)、巡航(c)、下滑(d)和着陆(e)。

  

  图典型飞行方案

  a) 起飞阶段为尽快达到离地速度,以全油门滑跑加速,电动机在蓄电池的电量支持下,也全状态工作直到起飞段结束(离地高度100m),此时涡扇发动机和电动机组合能提供大约1500kg 推力。

  b) 爬升阶段涡扇发动机提供推力的同时,驱动发电机提高热效率,燃油消耗率能达到0.4/h,以平均升阻比k=25 爬升到H=15km 需1.5 小时,耗油240kg。

  c) 到达巡航高度后,以最大功率因子巡航,此时升阻比能达40,平飞需推力250kg。涡扇发动机转入慢车状态工作,驱动发电机为电动机提供巡航电能,螺旋桨按照巡航高度设计,效率可达85%,电动机输出功率为240kw,除以涡扇发动机之前的功率因子(约0.8),涡扇发动机需输出 300kw 的轴功率,由于热效提高,耗油量约为0.2/h,巡航100小时耗油6500kg。

  d) 下滑段充分利用其优越的滑翔性能,电动机停转,螺旋桨顺桨以减小阻力,涡扇发动机怠速或停车(白天依靠太阳能电池供电完成基本的设备用电)。

  e) 到达进场窗口后,启动电动机完成四边航线飞行,着陆后电机反转减速,缩短滑跑距离。

  由于提高了燃烧的热效率,可大大延长飞行器的留空时间,正常载油情况下,以450km/h 的巡航速度可留空100 小时,航程可达45000km,而执行相同任务的同级别无人机(如全球鹰)只能续航42小时,转场航程也才23000km。

  3 总结

  组合循环动力技术的研究为解决高空长航时大量消耗燃油、留空时间较短等问题提供了一种比较现实的解决途径,基于此项技术设计的“翔鹤”无人机在延长了留空时间同时,减少温室气体的排放,使人类在实现自己发展目标的同时,兼顾了环境保护的要求。我们坚信,总有一天,必将会出现零排放的飞行器,还我们一个蓝色的天空。

  

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