国外微型涡喷发动机应用现状及未来发展趋势

机工

国外微型涡喷发动机应用现状及未来发展趋势
谭汉清
作者系海军驻中国航天科工集团三院军代表室高级工程师
飞航导弹 2013年第3期

摘要：对微型涡喷发动机的定义进行了简单介绍，然后对国外微型涡轮发动机的研制及应用现状进行了追踪分析。对目前国外主要微型涡喷发动机进行了介绍，并在此基础上分析了微型涡喷发动机未来的发展趋势，该发动机的迅速发展将对未来先进小型飞行器的发展做出重要贡献。

关键词：微型涡轮发动机 无人机 应用现状 发展趋势

引言
　　现代战争的形式主要表现为局部冲突，其特点是规模可控，直接摧毁敌方高价值目标。为了减少己方人员伤亡，并且尽量避免误伤平民，损失战争的道义，掌握先进技术的大国在战争中大量使用巡航导弹、无人攻击机、侦察机、精确制导炸弹等先进武器。如美国在海湾战争空袭的头几天，巡航导弹与飞机的使用量之比是1:6; 在科索沃战争中为1:2; 而在阿富汗战争中的第一天，这一比例为1:0.8，表明巡航导弹的使用量已经超过了飞机的使用量［1］。这些精确制导武器能够准确获得敌方高价值军事目标的信息并实施精确打击，且具有远距离突防能力。
　　为了使武器隐身性能更好，成本更低，适用范围更广，飞行器将向小型化发展。微型涡喷发动机作为小型巡航导弹和无人机可选动力装置之一，倍受各国关注。一般把推力量级为100～2000daN的涡轮喷气发动机称为小型发动机，而将推力量级在100daN及以下的涡轮喷气发动机称为微型涡轮喷气发动机( MicroTurbojet Engine，MTE)［2］。在20 世纪90年代早期，美国国防高级研究计划局(DARPA)就已经提出了小型发动机高级计划(SENGAP)。DARPA要求一种超低成本的、102mm直径的吸气式发动机，能在H=0、Ma=0.8条件下提供22daN净推力［3］。低成本、高性能、小尺寸、轻质量、易于维护与存贮等优点，使微型涡喷发动机具有更强的竞争力。

1 国外微型涡喷发动机发展现状
　　早在20世纪40年代，美国就开始了弹用动力系统的研究，如天狮星、斗牛士、鲨蛇等战略导弹均以航空涡喷发动机作为巡航动力装置。此外，法国透博梅卡公司于1954年也开展了弹用涡喷发动机的研究，而法国微型涡轮发动机( Microturbo) 公司则从1960年开始进行微小型涡喷发动机的研究，并于1972年为新一代靶机和战术导弹研制出了
低成本发动机TR160。
　　随着加工工艺和材料、高速陶瓷轴承等相关技术的发展，以及许多关键技术难题的解决，一批先进的微型涡轮喷气发动机不断呈现，目前推重比已经超过10，如美国精密自动化公司研制的AT1700推重比达10.5。目前，国际上技术指标处于前沿，并具有军事应用价值的微型涡喷发动机主要有捷克的TJ100、美国哈密尔顿标准公司的TJ50、TJ90系列、SWB-100发动机以及精密自动化公司研制的AT-1500和AT-1700等。
　　AT-1500发动机(见图1) 是美国海军SBIR 计划下，精密自动化公司与AMT合作为无人机、空射导弹、靶机和诱饵弹研制的一种高性能、低成本、长储存周期、零维护的微型涡轮喷气发动机。核心部件由单级离心压气机、环形燃烧室、单级轴流涡轮组成，采取压缩空气起动，无独立的润滑系统，全电子控制。据报道， 一台AT-1500安装在NASA X-43A超声速飞行器的前期亚声速验证机X-43A-LS无人机上，三台SWB-100发动机装备于高超声速系统集成(HySID)验证机X-43B-LS上，为X-43获取相关数据，已于2002年完成飞行试验。SWB-100发动机(见图2)是SWB 燃气涡轮公司研制的推力最大的一款涡轮喷气发动机，推力为48.5daN。应用了小流量、高效率的核心部件设计技术，根据其官方网站显示，离心压气机效率为73.3%，涡轮的绝热效率达84.4%，燃烧室效率高达99%。故其耗油率低，只有1.31kg/daN·h。目前世界上主要微型涡喷发动机的性能参数如表1所示。

国外微型涡喷发动机应用现状及未来发展趋势

图1 AT-1500发动机　　图2 SWB-100发动机

表1 世界主要微型涡喷发动机性能参数

发动机	TJ90	SWB-100	TDI-J7	WJ24-8	J700-CA-400	WR24-7	WR2-6
国家	美国	美国	美国	美国	美国	美国	美国
研制公司	Sundstrand Aerospace	SWB	Technical Dire-Inc	Williams	TCAE	Williams	Williams
推力 / daN	48	48.5	44. 5	107	79	76	50
耗油率 / kg·( daN·h)  － 1	0.69	1. 31	0.71	1.22	1.2	1.36	1
转速 / r·min － 1	102000	76000	96000	52000	72000	52000	60000
压比	-	3. 6∶1	-	5. 3∶1	-	5. 3∶1	4∶1
干质量 / kg	4. 8	5.22	9.5	22. 7	17. 2	20	14
直径 / mm	152	165	180	302	211	305	274
推重比	10	9. 4	4.8	4. 7	4. 6	3.8	3. 6
发动机	AT-1500	FXR100	FXR150	TMM-040	TRS18-046	TRS18-076	TJ100
国家	美国	英国	英国	塞尔维亚	法国	法国	捷克
研制公司	Accurate Auto	Microjet	Microjet	EdePro	Microturbo	Microturbo	PBS
推力 / daN	66. 7	42	68	40	100	113	110
耗油率 / kg·( daN·h)  － 1	1.25	1. 5	1. 56	1.42	1. 3	1.3	1. 09
转速 / r·min － 1	80000	89000	79000	90000	-	-	61200
压比	5. 0∶1	3.45∶1	3. 8∶1	-	4. 0∶1	4.0∶1	5. 0∶1
干质量 / kg	8.4	4. 75	8. 6	5. 6	37	42	20
直径 / mm	218	154	205	155	306	349	272
推重比	7.9	8.8	7.9	7.1	2.7	2.7	5.5

2 微型涡喷发动机应用现状

　　目前，国外将微型涡喷发动机主要用于装备无人侦察、攻击飞行器，包括机载弹药、巡飞弹药、小型无人机等小型飞行器。

1)机载弹药
　　在近程战术打击应用(如反恐行动) 中，小型精确制导弹药由于在对小型点目标的打击中具有独特的优势，将成为传统重型近程空地武器的有效补充。新一代质量更轻、体积更小、成本更低的精确制导弹药，将使更廉价、更轻巧的战术无人机变为有效的、经济上可承受的武器平台。美国、以色列等国均将机载小型精确制导弹药作为重点发展的武器装备之一。
　　美国正在开发的低成本自主攻击系统LOCAAS可以作为海、陆、空通用装备，未来可以挂载到四代隐身战机隐蔽弹舱内或是装备小型无人攻击机。其第一轮无动力装置，第二、三轮动力装置曾分别采用了哈密尔顿公司TJ30和TJ50发动机，并最终确定采用TDI公司生产的推力为13daN的TDI-J45G发动机。

国外微型涡喷发动机应用现状及未来发展趋势

图3 LOCASS导弹实物图       图4 LOCASS导弹动力装置TDI-J45

表 2     装备涡轮发动机的巡飞弹

国家	名称与型号	直径 / mm	质量 / kg	动力装置  / 推力	射程 / km	巡飞时间  / min	巡飞高度  / m	巡飞速度  / (  m·s － 1 )
美国	拉姆( LAM)	177.8	45	涡喷	70	30	200 ～ 225	80 ～ 100
	洛卡斯(  LOCAAS)	203×254	40. 8～45.4	涡喷 ( 13. 6～22. 5 kg)	185	30	190	102. 8
	巡逻型小型巡航导弹	-	-	涡扇	-	15	305～457	约77
英国	低成本巡飞弹( LCLC)	-	-	-	-	240～360	-	-
塞尔维亚	ALAS*	175	45.36	涡喷(40daN)	5～25	-	150～485	150～180

2) 巡飞弹
　　巡飞弹是一种能在目标区上方进行“巡弋飞行”、“待机”执行多种作战任务的新概念弹药。这种新概念弹药是无人机技术和弹药技术有机结合的产物，可实现侦察与毁伤评估、精确打击、目标指示、空中警戒等作战功能。其“巡飞”能力在对战时打击敏感目标，以及机场、港口、航母战斗群等目标具有重大作用［4］。其主要特点有:
·每次杀伤成本低
·不用回收
·多军种和联合使用［5］
　　巡飞弹技术将广泛用于未来的空地弹药，成为弹药领域的一个重要发展趋势，目前处在研制或概念开发阶段。美国在巡飞弹的研发方面遥遥领先，而俄罗斯、欧洲、塞尔维亚、以色列等国都在积极推进研制，目前在研的主要型号及技术性能见表2。
　　巡飞弹的低速长航时飞行对动力装置和电源系统提出了严格要求。微小型涡轮喷气发动机、涡扇发动机、脉动发动机以及新型推进剂发动机将是未来的主要动力装置。

3) 无人机
　　在遥控技术和计算机技术广泛应用于飞行控制后，无人机的发展可谓日新月异。无人机发展趋势要求增大航程，提高速度，隐身机体，缩小体积，提高机动能力和生存能力( 降低噪声) ，高度智能，加载武器，提高攻击能力。合适的动力装置对无人机发展至关重要，对于高空高速条件，会将涡轮喷气发动机作为首选，因为它质量轻，尺寸小，速度快，能使飞机实现高速飞行。表3 给出了装备无人飞行器的微小型涡喷发动机的技术参数［7-8］。
　　在现代战争中，军方的需求从大型、昂贵的载人武器平台更多地转向小型、便宜的无人系统。而动力先行是发展武器系统的原则，因为微型喷气发动机技术发展的相对落后制约了微型飞行器武器技术的发展。随着各国不断加大投入，高性能微型涡轮发动机的成功将推动武器小型化的发展。

表3   装备无人飞行器的微小型涡喷发动机的技术参数

发动机型号	用途	推力/daN	质量/kg	耗油率/ kg·( daN·h)  － 1	长度×直径 (mm×mm)
TRS18	无人飞行器	115	42	1.242	578 × 306
T117	CL-289监视靶机	105	24.2	1.22	766 × 355
MD120	靶机等无人飞行器	118	35.0	-	1290 × 265
Midge	微小型飞行器	0.62	0.085	1.63	76.2×39. 9
L 系列	无人飞行器	4.0 ～ 53.4	0. 68～4. 54	-	-
TJ-90	无人飞行器	48	4.8	1.36	305×152
WR24 系列	无人飞行器	56～85	13.6～22. 7	1.27	500×305
J700-CA-400	海军 ITALD 诱饵无人机	79	17.2	-	340×211

表4     超微型发动机技术参数

发动机	研制者	长度 / mm	直径 / mm	质量 / g	推力 / daN
TTE	Ewald Schuster	127	57	184	1.8
MME	M-Dot 宇航公司	可以放到鸡蛋内			0.63
MEMS	Massachusetts 技术研究所	3.7	21	1	预计 0. 1

3 微型涡喷发动机的发展趋势

1) 更高的性能

　　通过新设计技术，提高核心部件效率，在不改变尺寸的基础上提高性能。如精密自动化公司在基本型AT-1500基础上，不改变其外形尺寸、燃油及控制系统，而推力由66.7daN提高到90daN。

2) 更轻的质量

　　通过使用新的材料，进一步简化结构，减轻发动机质量。采用新材料的AT-1700发动机质量只有AT-1500的80%，使推重比达到了10.5。

3) 更低的油耗

　　更低的油耗可以获得更长的航程或巡飞时间，而涡扇和涡桨发动机具有低燃油消耗率的特点。未来发展的热点包括133～445N推力的微型涡扇发动机和220～445N的微型涡桨发动机［9］。

4) 更低的成本

　　为了适应一次性战术武器的需要，微型发动机只有降低成本才能有更强的竞争力，从而在小型武器中替代传统的火箭发动机，增加武器的射程。

5) 更小的尺寸

　　更小的尺寸是动力机械不断追求的方向之一，小尺寸可以使飞行器尺寸更小，并且节省空间，扩展发动机的使用范围。因此，目前国外还推出了超微型发动机的研制，如表4所示。

　　Massachusetts技术研究所燃气涡轮实验室的学生与工程师借助计算机半导体芯片的制造技术研发了大量芯片涡轮。这些发动机和同样方法制造的微小机械，被称为微电机械系统，缩写MEMS。这种发动机质量约为1g。预计推重比可达到100∶1。MEMS发动机现在主要用于微型发电( MIT的发动机能够在体积小于1cm3的体积内产生10～50W的功率，每小时消耗7g的燃料) ，同时，还可以作为微型空气飞行器(MAV)的动力装置。

　　未来，涡喷发动机可能小到必须用显微镜才能看清零部件，一条蜘蛛腿就能卡住发动机的齿轮，停止转动。

4 结束语
　　通过对国外微型涡喷发动机的发展、应用现状，以及未来发展趋势的分析，可以预见，随着科学技术的不断发展和人们对微型涡喷发动机研究的深入，微型涡喷发动机将对未来小型飞行器的发展产生决定性的作用，将影响到武器装备的发展情况。目前，其它国家对微型涡喷发动机的研究基础相对薄弱，因此，加大微型涡喷发动机的研制投入，突破其中的关键技术，早日研制出具有自主产权的微型涡喷发动机，将对其本国飞航武器装备的发展起到至关重要的推进作用。


参考文献
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［5］ 臧晓京，邢娅，刘侃． 可随时提供火力支援的巡逻弹药． 飞航导弹，2008(4)
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［11］ Chen Jie，Huang Guoping．Redesign of an 11 cm-diameter microdiffuser．Chinese Journal of Aeronautics，2010(23):298-305
［12］ Shoichi Tanaka，Masayasu Shimura，Naoya Fukushima，et al．DNS of turbulent swirling premixed flame in a micro gas turbine combustor．Proceedings of the Combustion Institute，2011(33)

zjx3288

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richardwang

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