歐繼洲，陳 軍，李浩成

(湖南云箭集團有限公司， 長沙 410100)

巡飛彈既能執(zhí)行偵察監(jiān)視任務，又具備自主攻擊的能力，它集無人機與彈藥優(yōu)點于一身，是一種目前國內(nèi)外爭相研制的新型武器系統(tǒng)。微小型動力技術作為巡飛彈的關鍵技術之一，決定了巡飛彈的巡飛時間、航程、飛行速度等關鍵性能指標。理想的巡飛彈動力系統(tǒng)應包括小型化、低噪音、低成本、高效率、高空性能好、推力調(diào)整范圍廣等特點。

當前沒有哪種動力形式能夠涵蓋上述所有優(yōu)點[1]，實際項目中可以從巡飛彈具體作戰(zhàn)使用的角度出發(fā)選擇適合總體性能要求的動力裝置進行配裝，如表1。目前國內(nèi)外巡飛彈項目中常用的動力裝置主要包括噴氣動力系統(tǒng)、活塞發(fā)動機動力系統(tǒng)、電動機系統(tǒng)三大類，以及變推力固體火箭發(fā)動機等。目前噴氣動力系統(tǒng)應用最為廣泛，活塞發(fā)動機技術成熟度高，應用時間最早，電動機動力系統(tǒng)成本最低，適用范圍較窄。未來還有可能采用渦輪噴氣-火箭組合發(fā)動機(ATR)、凝膠推進劑推進系統(tǒng)等在戰(zhàn)術導彈中應用的先進推進技術。

表1 幾種動力裝置在國外巡飛彈上的配裝

1 噴氣動力系統(tǒng)

一般將推力量級在1 000 N及以下的噴氣發(fā)動機稱為微型噴氣發(fā)動機(MTE)。巡飛彈用的微型噴氣發(fā)動機工作原理和大型航空發(fā)動機相同，同時又有自身獨特的設計和制造技術[2-3]，根據(jù)發(fā)動機組成及工作原理，將噴氣發(fā)動機做如圖1所示分類。

圖1 噴氣動力系統(tǒng)分類

1.1 脈沖噴氣發(fā)動機

脈沖噴氣發(fā)動機主要由進氣道、進氣閥門、含有火花塞和噴油嘴的燃燒室以及尾噴管組成，其外形如圖2所示。發(fā)動機工作時，氣流進入燃燒室(或者將壓縮空氣打入燃燒室)，火花塞點火噴油燃燒，高溫燃氣急劇膨脹后從尾管快速噴出，由此產(chǎn)生的壓力差使得空氣再次打開單向閥門進入燃燒室，然后噴油點火燃燒，開始第二個循環(huán)。

圖2 脈沖噴氣發(fā)動機外形

單向進氣閥門通風孔面積是設計的關鍵，因為它關系到進入發(fā)動機的油與空氣比，通過無閥片的構造可以使工作壽命增加，穩(wěn)定性提高。對噴管進行特殊設計能夠優(yōu)化發(fā)動機性能。法國研制的脈沖噴氣發(fā)動機“Ecrevisse”沒有閥門，采用自動吸氣和點火技術，能夠在靜止狀態(tài)下啟動。俄羅斯ENICS研究中心為裝備自己的無人機和靶機設計的脈沖發(fā)動機在噴管外形上將噴管兩頭對彎成“U”子母形狀來增強發(fā)動機性能，其中R90巡飛子彈藥上配備的脈沖噴氣發(fā)動機M44D凈重僅1.1 kg，最大推力50 N，耗油率0.718 9 kg/(N·h)，持續(xù)工作時間可達300 min[4]。

脈沖噴氣發(fā)動機構造簡單、結構緊湊、造價便宜，每小時800 km的最大速度極限已足夠在巡飛彈上使用，它的最大缺點是空氣動力性噪聲太大，隱身性能弱。對于經(jīng)濟性需求高，最高飛行速度和飛行高度又有一定要求的自主攻擊型巡飛彈來說，脈沖噴氣發(fā)動機是合適的選擇。隨著對噪聲控制工藝技術的日趨成熟和完善，相信未來脈沖噴氣發(fā)動機在巡飛彈中將會得到更廣泛的應用。

1.2 渦輪噴氣發(fā)動機

渦輪噴氣發(fā)動機(以下簡稱渦噴發(fā)動機)由進氣道，空氣壓縮機、燃燒室、渦輪機和噴口組成。高速運轉(zhuǎn)的空壓機壓縮從進氣道進入的空氣，產(chǎn)生高壓致密的空氣送入燃燒室，燃燒室噴油燃燒產(chǎn)生高溫燃氣向后沖擊渦輪機，渦輪機又帶動前面的空壓機運轉(zhuǎn)，燃氣流從噴口噴出產(chǎn)生推力。微型渦噴發(fā)動機基本組成和工作原理與一般航空用渦噴發(fā)動機類似，同時又具備一些獨特的構造與技術特點，主要包括[5-10]：

1) 廣泛采用環(huán)形回流燃燒室，以保證在較短的軸向尺寸下獲得較大的燃燒特性；同時借助于高速運轉(zhuǎn)，供油多采用離心甩油盤方式；

2) 為了滿足小直徑壓氣機高增壓比、大空氣流量和高效的氣動特性，微型渦輪噴氣發(fā)動機普遍采用離心(或軸流加離心)壓氣機；

3) 在高轉(zhuǎn)速軸承等要求轉(zhuǎn)速高和配合精度高的部件中，采用陶瓷基復合材料使部件更耐磨，強度更高，對潤滑劑要求更低，省去的潤滑裝置可使發(fā)動機結構更為緊湊；同時陶瓷軸承的應用可有效克服彈箭發(fā)射瞬間的高過載可能導致發(fā)動機損壞的缺點；

4) 考慮到巡飛彈的特殊使用要求，多數(shù)采用低成本、短壽命設計，力求尺寸小，質(zhì)量輕，零件數(shù)目少，因而在啟動方式、潤滑系統(tǒng)燃燒室及供油系統(tǒng)的設計上有所創(chuàng)新，比如美國Williams公司研制的WR24-7微型發(fā)動機采用氣吹啟動，捷克PBS公司研制的TJ100系列發(fā)動機(如圖3所示)采用電動油泵對發(fā)動機進行供油與潤滑，取消了單獨的潤滑裝置。

圖3 TJ100渦輪噴氣發(fā)動機

在20世紀60年代初期，美、法、英等國家就開展了微型渦噴發(fā)動機的研究，隨著加工工藝和材料、高速陶瓷軸承等相關技術的突破，一批先進的微型渦噴發(fā)動機不斷呈現(xiàn)，比較具有代表性的如美國哈密爾頓標準公司的TJ30/50/90系列，法國的Micro Turbo公司的TRI60系列。渦噴發(fā)動機雖然低速下飛行耗油量較大、效率較低，但是出眾的高速性能和高穩(wěn)定性，使得它成為飛行速度和高度要求高，巡飛時間不長、成本控制要求不嚴苛的功能全面的中大型巡飛彈項目的主要動力裝置，如美國的盧卡斯巡飛彈、拉姆(LAM)巡飛彈，以色列的黛利拉巡飛彈[11]等均是采用渦噴發(fā)動機作為主要動力系統(tǒng)。表2展示了國外幾種微型渦噴發(fā)動機的性能參數(shù)，可以看到國外應用到巡飛彈上的微型渦噴發(fā)動機的推重比幾乎都等于3～5。

美國巡邏攻擊導彈LAM同時采用了渦噴發(fā)動機和固體火箭助推器作為推進裝置，后者的加裝是為了提高巡飛彈初始爬升速度以達到迅速飛抵目標區(qū)域上空的目的，借助固體火箭助推升空的還包括英國的火力陰影巡飛彈等。

未來渦噴發(fā)動機還應在以下幾項關鍵技術中尋求突破以使得在巡飛彈武器系統(tǒng)上得到更廣泛的運用：

1) 精準的電子控制系統(tǒng)設計技術。受巡飛彈成本和體積限制，微型渦噴發(fā)動機不可能采用傳統(tǒng)發(fā)動機主軸減速帶動油泵的供油方式。微型渦噴發(fā)動機耗油量小，高轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)速對供油量波動敏感，必須要求電子控制器實現(xiàn)小流量的精準控制，這樣才能保證發(fā)動機穩(wěn)定工作。

2) 關鍵部件的設計和匹配?？諌簷C、回流燃燒室、渦輪等都是影響發(fā)動機性能的高效能核心部件，特別燃燒室體積小，容熱強度大，需要反復調(diào)試并與空壓機和渦輪機完成最佳匹配，才能達到性能優(yōu)化的目的。

3) 發(fā)動機與巡飛彈一體化設計技術。

由于巡飛彈使用的特殊要求，應考慮發(fā)動機與巡飛彈的性能匹配、進排氣系統(tǒng)結構與安裝損失、約束特性等。對于一次性使用的攻擊型巡飛彈和以偵察監(jiān)視為主要功能的巡飛彈，對發(fā)動機的要求又有所不同。

表2 國外幾種微型渦噴發(fā)動機性能參數(shù)

1.3 渦輪風扇發(fā)動機

渦輪風扇發(fā)動機(以下簡稱渦扇發(fā)動機)是由渦輪噴氣發(fā)動機發(fā)展而來。如圖4所示，不同的是首級壓縮機的頁面面積非常大，同時被用作空氣螺旋槳(扇)，并且在發(fā)動機后方增加了驅(qū)動風扇的低壓渦輪；低壓渦輪消耗一部分主引擎的燃氣排氣動能，將部分吸入的空氣通過噴射引擎的外圍(外涵道)向后推，另一部分空氣如渦噴發(fā)動機一樣被送入噴射引擎通道(內(nèi)涵道)。流速快的氣體在排出時動能損失較大，渦扇發(fā)動機通過增加低速的排氣流量，降低了平均排氣速度，這樣就平衡了因為提高渦輪葉片以及在同一根軸上的壓氣機的轉(zhuǎn)速而帶來的過大排氣速度，解決了熱效率和推進效率的平衡問題。

圖4 渦扇發(fā)動機內(nèi)部一般構造

美國的彈用渦扇發(fā)動機技術較為先進，代表性的如威廉姆斯公司研制的F107-WR、F121-WR等系列渦扇發(fā)動機，其中F107-WR-100推力可達2 721 N，耗油率僅0.061 9 kg/(N·h)，其改進型號F107-WR-104大量采用先進陶瓷基復合材料，強度更高，磨損更小，使用壽命更長；F121-WR-100發(fā)動機體積與推力最小，價格最低[12]，適合裝配到巡飛彈上。俄羅斯也具備彈用渦扇發(fā)動機獨立設計與制造能力，有MS-400等型號[13]。

渦扇發(fā)動機推進效率高，噪音低，燃油消耗率低，缺點是發(fā)動機結構復雜，成本較高。同渦噴發(fā)動機一樣，渦扇發(fā)動機也適裝于成本預算高、功能較全面的中大型巡飛彈上?；谒鼉?yōu)秀的燃油經(jīng)濟性，相比渦噴發(fā)動機它更加適合配裝于高空長時間前線壓制和情報搜集的巡飛彈。國外渦扇發(fā)動機在導彈和無人機上的應用已商業(yè)化，巡飛彈用渦扇發(fā)動機可基于這些發(fā)動機的原有技術和自身實際使用做結構簡化和性能改進以滿足低成本和小型化的要求。比如多采用陶瓷軸承使結構更為緊湊，通過壓氣機和渦輪的精鑄和無余量快速成型加工技術，提高發(fā)動機推重比并降低成本[14-15]。美國在研的“鋼雨+”巡飛彈項目即采用渦扇發(fā)動機作為動力系統(tǒng)。

2 活塞發(fā)動機動力系統(tǒng)

活塞發(fā)動機是利用多個氣缸內(nèi)活塞做功將壓力轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)動能的發(fā)動機。燃料-空氣混合物注入氣缸內(nèi)被火花塞點燃，熱燃氣膨脹推動氣缸內(nèi)的活塞運動，多個活塞在各自氣缸內(nèi)的往復直線運動通過曲軸和連桿轉(zhuǎn)換成主軸的圓軸運動，從而為飛行器提供軸功率。完成一次做功活塞在氣缸內(nèi)要依次經(jīng)過進氣、壓縮、燃燒膨脹和排氣四個沖程。

沒有多個氣缸結構的汪克爾轉(zhuǎn)子發(fā)動機是一種較先進的旋轉(zhuǎn)式活塞發(fā)動機，如圖5所示它是利用一個三角錐狀轉(zhuǎn)子的三個面將橢圓空間分成三個獨立的燃燒室。在轉(zhuǎn)子的運動過程中，這三個燃燒室的容積不停地變動。在橢圓形缸體內(nèi)相繼完成活塞發(fā)動機做功所需要的四個過程，每個過程都是在缸體中的不同位置進行。汪克爾轉(zhuǎn)子發(fā)動機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的圓形運動比往復式活塞的水平直線運動更為平順，振動噪音更低；同時簡化的結構使體積縮小、質(zhì)量減輕。另外軸向運轉(zhuǎn)特性使它不需要精密的曲軸平衡就能達到較高的運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，其轉(zhuǎn)速比往復式引擎上升更快。但是相比往復式活塞發(fā)動機，它也有對點火時機要求高、火花塞位置要求精密、從引擎本體提升馬力能力有限等不足。

圖5 汪克爾轉(zhuǎn)子發(fā)動機結構

盡管活塞發(fā)動機推重比小，高空性能一般，但是成本低，技術成熟度高，燃油經(jīng)濟性非常好[16]，通過螺旋槳將軸功率轉(zhuǎn)化為推進力可一起組成無人機及巡飛彈的動力裝置，尤其對于成本相對低廉、巡飛時間和飛行速度有一定要求、飛行高度低于5 km的中低空巡飛彈有較強的適應性。例如，德國的泰帆巡飛彈也是活塞發(fā)動機驅(qū)動螺旋槳提供飛行動力，航程可達500 km。

英國MBDA公司的火力陰影 “Fire Shadow” 巡飛彈動力裝置采用汪克爾轉(zhuǎn)子發(fā)動機加兩頁后置的定距推力螺旋槳，并使用了電子燃油噴射[17]。

火力陰影巡飛彈的功能是長時間停留在戰(zhàn)場區(qū)域充分搜索高價值目標，接到打擊任務即刻執(zhí)行，因而它采用汪克爾轉(zhuǎn)子式發(fā)動機作為動力裝置，雖然飛行速度只達到150～300 km/h，遠低于需要盡快飛到戰(zhàn)場打擊目標的攻擊巡飛彈的速度，但是巡飛監(jiān)視時間卻可以達到10 h。

火力陰影巡飛彈升空瞬間如圖6所示。

圖6 火力陰影巡飛彈升空瞬間

3 電動機動力系統(tǒng)

螺旋槳(或者涵道)在電動機的驅(qū)動下高速旋轉(zhuǎn)，消耗軸功率做功提供推拉力，它作為動力裝置最早應用于航模系統(tǒng)。隨著微電子控制技術和新型電子電力器件的發(fā)展，實現(xiàn)了無刷電機的無位置傳感器單向調(diào)速控制，相比有刷電機的傳統(tǒng)換向方式速度更快，效率更高。低成本、高磁能積材料的出現(xiàn)又使得無刷電機的體積更小、成本更低。

電動機作為動力系統(tǒng)應用到具體飛行系統(tǒng)中，它的能量來源通常是鋰離子電池組、鋰-聚合物電池組、鋰-硫電池，以及目前快速發(fā)展的新型燃料電池等。受新能源汽車產(chǎn)業(yè)驅(qū)動，鋰電池技術取得飛躍式發(fā)展。我國在鋰聚合物能源電池工程技術攻克、關鍵材料和關鍵部件的研制方面處于世界前沿水平，中科院大連化學物理研究所團隊解決了多硫化鋰的“飛梭效應”和金屬鋰“界面不穩(wěn)定”的關鍵問題，研制出的高功率鋰硫電池組的比能量高達350 Wh/kg。新型燃料電池的比能量比鋰電池組還要高，是當前的研究熱點[18]。

這類動力裝置的優(yōu)點是作為動力源的鋰電池能量-質(zhì)量比高、電機轉(zhuǎn)速范圍廣、不使用時電量損失較慢，特別是包括電池、螺旋槳、涵道在內(nèi)的所有部件成本都非常低。雖然目前該類動力裝置輸出功率水平有限，并且對氣動條件要求高，不利于高空飛行[19-20]，但是在低空低速飛行、射程近、成本低廉、一次性使用的輕小型自主攻擊巡飛彈上可以得到廣泛應用，如美國的彈簧刀巡飛彈[21]、戰(zhàn)斗鷹巡飛彈都是采用電動機作為動力系統(tǒng)。近年來美國海軍研制出了氫燃料電池、太陽能電池提供動力來源的巡飛彈原型機“混合虎”；美國空軍研究實驗室推進分部開始了為主宰者彈藥研制混合固體氧化物燃料電池組作為動力裝置的研究[22]。圖7所示為使用電動機的英國“老虎”巡飛彈。

值得一提的是，我國于今年在某戰(zhàn)區(qū)的一次軍事對抗演習中也首次采用了以氫燃料電池為能源的無人機提供通訊中繼。

綜合分析以上幾類動力形式的組成和工作原理，結合它們的工作特性及在巡飛彈和小型無人機上的應用，可以得到如表3所示的動力裝置的性能和適用場景。

圖7 使用電動機的英國“老虎”巡飛彈

動力裝置特性主要適應任務功能電動機動力系統(tǒng)電機轉(zhuǎn)速范圍廣,不使用時能量損失較小,成本低,噪音較小,可重復使用;比能量不斷提高。轉(zhuǎn)速小,瞬時輸出功率有限,受大氣密度影響大。成本控制嚴格,低速、小區(qū)域范圍內(nèi)的察打活塞發(fā)動機動力系統(tǒng)技術更成熟;改進的汪克爾轉(zhuǎn)子發(fā)動機質(zhì)量更輕,噪音更小,燃油經(jīng)濟性好。推重比小,壽命短,高空性能相對較差。低速(不高于100 m/s)大區(qū)域范圍內(nèi)的超長時間察打渦輪噴氣動力系統(tǒng)推力可調(diào),可零速啟動,速度和高度使用范圍廣,高速性能優(yōu)異。燃油經(jīng)濟性較低,成本較高,在小型化方面需要更大突破。末端攻速要求高、大區(qū)域、高海拔的察打;打擊時敏目標能力強脈沖噴氣動力系統(tǒng)成本低,重量輕,可原地啟動。振動劇烈,噪聲大,飛行高度有限,壽命較低。對隱身能力要求低,較短時間內(nèi)較大區(qū)域的察打

4 巡飛彈用動力裝置的發(fā)展趨勢

根據(jù)國內(nèi)外巡飛彈的研制情況，結合目前微小型發(fā)動機技術的進展，巡飛彈用動力裝置將朝著以下幾個方向發(fā)展。

1) 對現(xiàn)有渦輪發(fā)動機的性能改進。目前巡飛彈用動力裝置仍以低成本設計為原則，立足于現(xiàn)有燃油發(fā)動機的成熟技術，通過優(yōu)化設計和采用先進工藝簡化結構、減輕質(zhì)量，通過使用陶瓷軸承等先進工藝材料和效率更高的部件降低油耗、提高性能。此外從國外巡飛彈項目的發(fā)展趨勢看，彈用渦輪發(fā)動機尤其應該重視有關電動油泵、混油或油霧潤滑、全權數(shù)字電子控制系統(tǒng)(full authority digital electronic control)、微型傳感器、高溫高速陶瓷軸承、高轉(zhuǎn)速微型啟動發(fā)電機等前沿技術的研究[23-26]。

2) 增加使用電動機作為動力裝置。隨著電池技術的日新月異、低耗高效精密電機技術的快速發(fā)展、電動機動力系統(tǒng)在巡飛彈中將得到更廣泛應用。采用如鋰空氣電池、新型燃料電池等能量比密度更大的電池作為電動機的能源，提高電動機動力系統(tǒng)的續(xù)航時間，對于燃料電池功率密度不大的問題可以通過采用混合動力裝置解決。在需要突然提高動力系統(tǒng)輸出功率時，利用高效電池組提供額外功率。根據(jù)國家科技部和“中國制造2025”對動力電池的發(fā)展展望，2020年前將實現(xiàn)單體能量密度超過300 Wh/kg固態(tài)電池的研發(fā)生產(chǎn)；中國制造2025、日本RISING項目等甚至將準固態(tài)空氣鋰電池的能量密度規(guī)劃到500 Wh/kg?？梢灶A見，借助電池技術的發(fā)展，未來采用電動機作為動力裝置的巡飛彈將會更加普遍。

3) 發(fā)展空中燃油加注技術。利用衛(wèi)星導航技術和特定的傳感器技術，使主機與空中加油機之間的距離最佳，并將燃油加注管插入加油機軟管尾部的錐形裝置。利用這種燃油加注技術，巡飛彈群可延長留空時間，無需額外發(fā)射更多巡飛彈就可以完成區(qū)域控制的作戰(zhàn)任務。

巡飛彈空中燃油加注的示意圖如圖8。

圖8 巡飛彈空中燃油加注

4) 采用其他先進推進技術。這些基于戰(zhàn)術導彈用的可控推力推進系統(tǒng)主要包括渦輪噴氣-火箭發(fā)動機、凝膠推進劑推進系統(tǒng)以及采用先進能量管理技術的固體火箭發(fā)動機系統(tǒng)等[27-29]。

渦輪噴氣-火箭發(fā)動機相比與傳統(tǒng)渦輪發(fā)動機是渦輪獨立驅(qū)動，不需要單獨的助推器，便于低速飛行。

凝膠推進劑推進系統(tǒng)的最大優(yōu)點就是結構堅固可靠，生存力強，推力可控。凝膠推進劑兼具固體和液體推進劑的優(yōu)點。關于它的研究得到了歐美各軍事強國的重視，目前德國已率先成功完成凝膠推進系統(tǒng)飛行器驗證試驗。

采用先進能量管理技術的固體火箭發(fā)動機包括固體雙脈沖發(fā)動機、固體變推力發(fā)動機、固體姿軌控發(fā)動機三種代表型式，在巡飛彈上應用較為成熟的是變推力固體火箭發(fā)動機，美陸軍網(wǎng)火系統(tǒng)精確攻擊導彈PAM即采用的喉栓式變推力發(fā)動機技術[30]。

5 結論

動力裝置作為巡飛彈的關鍵系統(tǒng)之一，決定了巡飛彈航時/航程、飛行高度和飛行速度等重要性能指標。不同形式的動力裝置滿足不同性能指標的能力各有高低，用戶應根據(jù)作戰(zhàn)定位的實際需求對巡飛彈性能指標的具體要求做出權衡和取舍，從而選配出最合適的動力裝置。

從國外的諸多巡飛彈項目觀察可以發(fā)現(xiàn)，為了達到使用需求通常會采用混合動力裝置來彌補采用單一動力形式帶來的某些不足，為了迎合作戰(zhàn)需要，采用混合動力裝置也是巡飛彈動力系統(tǒng)的一個發(fā)展方向。