这些原始创新的技术，让国内无人机第一次实现超音速飞行 | 朱俊强

无人机正在改变着战争的形态，

影响着战争的进程。

而决定无人机性能的关键是航空发动机，

我们把它称为“无人机的心脏”。

朱俊强 · 中国科学院工程热物理研究所研究员、所长

格致论道第99期 | 2023年7月29日 北京

大家好，我是中国科学院工程热物理研究所的朱俊强，非常有幸来到格致论道给大家分享轻型动力的研发故事。

 

现代战争已经从机械化走到了信息化。

大家知道，第二次世界大战的制胜关键是机械化，以陆、海、空联合作战为标志。当前的战争则是信息化战争，特征是陆、海、空、天、网、电融为一体。目前来看，现代战争已经走到了以无人装备为主的智能化战争，以OODA（观察、判断、决策、执行）作战模式为代表，整个决策和打击过程都需要全要素的智能化决策。为此，《二十大报告》已经明确指出，我国也要“加快无人智能作战力量发展”。

比如，陆地作战时各种无人车、战争机器人相继出现，水面作战时也有很多水上无人艇和水下的无人潜航器，空中作战时有各种无人机、巡飞弹和巡航弹。这些都在现代战争中发挥着越来越重要的作用。

 

比如说大家比较熟悉的无人机。无人机在战争中的第一次闪亮登场是1982年的贝卡谷地战役中。以色列用反辐射无人机，只花了几分钟时间，就把叙利亚辛苦10年搭建的导弹系统全部摧毁。

从此以后，它在历次热敏区域的战争当中都占据着非常重要的角色。尤其是最近的俄乌战争，大家也非常关注，无人机以它高空高速的飞行性能、低廉的价格和精准的控制，在战争天平上发挥着重要的作用。大家可以想象，如果没有无人机参与，乌克兰不可能轰炸俄罗斯的本土，也不可能炸毁舰队乃至潜艇。

无人机正在改变着战争的形态，影响着战争的进程。而决定无人机性能的关键是航空发动机，我们把它称为“无人机的心脏”。

用工程热物理为无人机打造“心脏”

1952年，美国国家航空咨询委员会（NACA）的一份报告认为影响航空发动机的有6大学科，一般来说就是气、热、固、形、材、控。

“气”就是气动；“热”就是热力，燃烧和传热；“固”就是固体，指它的结构强度；“形”就是成形，指加工制造；“材”就是材料；“控”就是控制。这6大学科决定着航空发动机的研制进程。

在中国科学院工程热物理研究所，工程热物理的4大学科就是燃烧学、传热学、工程热力学和气体动力学。可以说，这4个学科就是航空发动机研制的关键性基础学科。

为什么这么说呢？我要设计一台发动机，总要先进行结构设计吧？还要进行强度的校核、材料的选型，同时还要计算它的形变，这些都需要气动热力参数作为输入条件。最起码也要有温度场的温度，才能去计算变形。作为设计者，我们还要追求更高的热机循环效率，这也是工程热物理的一个目标。

每一个设计者都追求发动机有更高的气动热力循环效率，我们正是根据空中无人动力对发动机的强烈需求，开展了一些系统性、创造性的工作，针对的对象就是整个航空发动机研制当中的气动热力。

为此，我们研究了3款轻型发动机。

第一款叫超音速轻型涡喷发动机，它能够实现超音速的飞行指标。

第二款是高升限低油耗的轻型涡扇发动机。高升限指飞行高度能高达2万米，而民航的飞行高度是1.1万米。低油耗则能增加它的航时。

第三个就是高效费比轻型单轴涡扇发动机。“效费比”就是指它的效能和全寿命周期成本的比，要做到性能优越、价格低廉。

实现国内无人机超音速飞行

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我们先看一下超音速的轻型涡喷发动机。针对超音速无人机的动力需求，我们需要做的就是提高单位面积的推力。大家很容易想象，发动机的单位横截面积产生推力的大小，决定了无人机能否实现超音速的飞行。

 

为此我们做了一个加力型的小型涡喷发动机。

从这个图可以看出来。首先，发动机一加力就可能会出现热胀之类的问题。我们面临的第一个挑战，就是要保证热胀以后，发动机前面的压缩系统仍然能够稳定工作。

其次，加力是在空中打开的。而在这样一个高空、低压、低氧的环境里，点火就会变得很困难，这就是我们的第二个挑战。要保证一打开，发动机就能够加力燃烧，做到快速点火和稳定燃烧。

 

接下来就是我们面对的第三个挑战。大家可以看到图中是发动机尾部的喷管。发生热胀时，还需要打开这个喷管，整个加力涡喷发动附件系统非常复杂。要实现高效费比，必须降低成本。

 

▲左：鱼尾型管式扩压器

右：截面总损失及二次流

面对第一个挑战，对于压缩系统我们采用了一种鱼尾型的扩压器。利用这个扩压器就能把压缩系统的稳定裕度提高，从而解决有限空间下内部流动分离问题，同时也能够减少它的二次流损失。

▲热射流点火

▲燃油预热预喷发

面对第二个挑战，我们发明了热射流点火和轴向分级分区组合的燃烧技术，从而做到了加力燃烧时能够稳定地点火。大家可以看到，发动机前面是一个锥形段，这个锥形段可以预热燃油，让它雾化，从而在空中实现快速点火，同时在一个很短的时长内实现充分燃烧。

▲内置式、多电化、轻质化

第三个挑战是关于喷管的。喷管加热以后会热胀，这个面积还会随着飞行高度和飞行速度的变化发生无极的变化，因此需要调节它的面积。于是我们发明了一种非常简易的调节方式，做到内置式、多电化和轻质化，从而有效地减少了发动机的零部件数，还大幅地降低它的重量和成本。

 

▲加力式轻型涡喷发动机

 

▲新质新域超音速空中无人装备

由于上述的技术进步，我们实现了超音速飞行。

实现在2万米高空稳定燃烧

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接下来就是高升限低油耗的轻型涡扇发动机。要实现高升限，必须要保证在2万米的高度下发动机流动要稳定、燃烧要稳定；要实现低油耗，发动机的每个部件都必须有很高的效率。把这些因素加起来，才能够真正地提高飞行升限，延长飞行时长。

我们面临的主要是宽域发动机稳定性与性能衰减问题，在这里也有3个挑战。

 

▲压气机叶型损失随雷诺数的变化

首先，气动上有一个概念叫“雷诺数”，压气机叶型损失会随雷诺数变化。到了高空，雷诺数变低，流动就要分离了，发动机性能就会衰减。我们当然希望衰减得越少越好，所以保证流动稳定性是必须的。

 

▲低压涡轮效率随高度的变化

然后就是低压涡轮。低压涡轮膨胀以后，效率更低、密度更低，密度低了以后，雷诺数降得更狠。所以要保证低压涡轮的效率，才能做到低的耗油率。

 

▲高空低Da下燃烧室熄火问题

接着到了高空低压低氧的环境下，一定要保证发动机稳定燃烧，绝对不能熄火，一熄火发动机就不能稳定工作。

 

为此我们首先做了组合压气机。左边的是个传统的轴流加离心的压气机，右边这个图是我们的斜流加离心压气机。

把流线径向抬高，向心加速度和流向加速度就会增加，从而增加径向的压力梯度，这样沿着流动方向的轴向压气机的负荷就能减少。通过这个创新，既能实现较高的压比，又能减少压气机的负荷，从而增大它的稳定工作裕度。从这个图能看出来，稳定裕度不变，负荷能够提高90%。

 

▲尾迹扫掠抑制吸力面分离

然后，为什么要讨论低压涡轮呢？由于低压涡轮的吸力面逆压力梯度比较大，中间会出现一个分离泡。分离泡上游的尾迹是一个高湍流度区域，能促使它转捩（从层流向湍流过渡），转捩以后这个分离泡可能附着。分离泡一方面增加了损失，同时还改变了流动的路径。

 

▲扫射频率与负荷相关

那么现在我们想个办法，拿上游的尾迹抑制它的流动分离和转捩。再拿叶型损失为目标函数，找到一个最佳的扫掠频率，它两个再向内旋转。有了这个最佳的扫掠频率，整个低压涡轮吸力面的流动分离就能够得到控制。

 

最后的挑战是燃烧。为了让燃烧稳定我们想了很多办法。轻型动力这种小发动机的高空熄火是一个全球性的难题。因为它的压比比较低，燃烧前的温度也比较低，燃油喷进去以后，雾化效果就会不好。

▲分级分区燃烧室

我们想的办法就是沿着它的径向进行分区燃烧。中心区域做富油的扩散燃烧，像一个长明灯一样，我们叫“值班火焰”。外围做预混贫燃，这样保证了燃烧效率和排放。通过径向分区，就能靠值班火焰来保证高空条件下的稳定燃烧。

 

▲750kgf 推力等级涡扇发动机

 

▲1000kgf 推力等级涡扇发动机

 

▲400kgf 推力等级涡扇发动机

靠着这些技术，我们研发了3款高升限、低油耗的轻型涡扇发动机。这3款都是“科学院”号，它们的技术是成系列的，升限都在15公里以上，目前已经装备到了咱们部队。

让发动机变得更便宜

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第三个就是高效费比的轻型单轴涡扇发动机。这个关键词就是“单轴涡扇”，主要是满足智能巡飞系统的需求。我们发明了一个高压直驱风扇的设计方法，由这个设计方法集成了一个单轴涡扇发动机。

咱们平常乘坐的民航发动机普遍都是双轴的。高压涡轮和高压压气机、低压涡轮和风扇，它们转速是不一样的。我们把传统的双轴涡扇变成了单轴涡扇，目标就是为了省钱、降低成本。

 

它所面临的挑战问题大家也能想到。举个例子，从1991年海湾战争开始算起，美国发射的战斧式巡航导弹已经3200枚了，打仗就是“打钱”。为了保证这些装备的可持续、可消耗，那么必须降低它的成本。

 

对无人机来说也一样。要大规模地部署无人机加速实现OODA的作战模式，就必须把发动机的价格降下来。发动机是整个无人机当中最贵的一款装备，发动机价格降低了，无人机的价格就能下来。

那么怎么来降它的价格呢？换句话说，怎么来做一个单轴的涡扇发动机呢？

 

▲首次提出高压直驱增压系统

这是一个斜流压气机，前边蓝色的部分是一个导风轮。把这个导风轮沿着径向生长起来，就出现一个外涵道，风扇的转子和静子构成了风扇的外涵道。在内涵道里面，导风轮风扇串列斜流叶轮和斜流转子构成一个串联叶栅。串联叶栅能够实现很高的压比，还能够有很高的稳定工作裕度。

 

▲创新发展了复合掠风扇增压技术

这样做了以后，基本上靠高压直驱的风扇就可以实现这个技术。然后在这个技术的基础上，单轴涡扇就成了。

 

大家看到它的涡轮部分，就是后端靠近排气的部分有一个涡轮，它只有一根轴来驱动高压压气机和驱动风扇。这打破了传统的要靠双轴来工作的理念了。单轴结构简化了结构，让重量减轻20%-30%，同时滑油系统和附件传动系统被取消，重量减轻20%，成本下降30%。

原来是高压涡轮和低压涡轮两个涡轮来分别驱动高压压气机和风扇，现在只有一个涡轮来驱动风扇和压气机，所以涡轮的输出功率要增加。为了提高涡轮所要承受的温度，我们采用了陶瓷基复合材料，减少了15%冷却空气，把涡轮前温度提升200℃。这样不但使推力提升，还把发动机耗油率进一步降低了10%。

 

在这个基础上，我们集成了国内也是全球第一款轻型的单轴涡扇发动机。跟涡喷发动机相比耗油率降低28.5%。跟传统的双轴涡扇发动机相比零部件数减少了2/3，总体成本减少80%，这是非常可观的。

未来的重点研究方向

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由于上述的成果，我们2023年拿到了全国的重点实验室，就是“轻型涡轮动力全国重点实验室”。

拿到了这个实验室，就相当于拥有了一面旗帜，建立了一个平台。借着这个平台，大家可以齐心协力共同开展更高性能、更宽域的轻型涡轮发动机的研究。

在这个实验室，我们明确了5个研究方向。第一个研究方向就是关于轻型发动机的总体设计理论和方法。接下来的几个方向分别是它的高效压缩和流动稳定性性能，高稳定的燃烧技术，高速转子动力学的优化设计和它的振动抑制技术，以及轻型涡轮动力前沿技术的研究。

 

▲国家重大科技基础设施：吸气式发动机关键部件热物理试验装置

同时我们还申请了航空发动机领域的第一个国家重大科技基础设施。它原来的名字叫“大科学装置”，1982年，北京正负电子对撞机在中国科学院高能物理研究所奠基，它是国内第一个大科学装置。现在我们做的是航空发动机领域的第一个，研究对象就是“吸气式发动机关键部件的热物理性能”。

在这里，我们将创造3个国内第一。我们将第一次实现0-30公里高度的任意变化，因为高度变化就意味着气压和气温的变化。接着我们将第一次实现整机全域间隙场的实时动态测量。以及我们还将第一次实现0-6马赫的速度的连续可调。

 

▲装置俯视图

我们的目标是借助这些极端的、复杂的0-30公里、0-6马赫的工作环境，重点关注发动机的部件性能。关注它的每个部件怎么压缩、怎么燃烧、怎么膨胀，以及部件之间怎么耦合、怎么匹配。整个装置包含着进排气系统、4个实验舱以及整个控制系统，占地252亩。

 

第1个实验舱是研究压缩系统的高空低雷诺数压缩匹配试验舱。既然关注它的部件，压缩系统是第一位的。在这个舱里面，可以进行双轴的、多涵的变化。这个双轴还可以对转，做到一个顺时针转，一个逆时针转。

现在的智能发动机已经开展了变涵道比。这就意味着这可以实现单涵道、双涵道、三涵道的任意可调。有了这些条件，进口还需要加上畸变，就是进口气流场的不均匀。同时，还要加上强预冷，然后来研究它压缩性能的变化。

▲燃烧室与涡轮气热耦合试验舱

▲燃烧与膨胀耦合试验系统

舱2是燃烧室与涡轮气热耦合试验舱，主要研究燃烧和涡轮的耦合匹配。燃烧室一圈360°，是一个离散的喷嘴。这样就造成360°的温度是不均匀的，这会影响下游的涡轮。这中间怎么耦合、怎么匹配，就是舱2的主要研究内容。舱2就想着在一个2400K的极端高温下研究它的气动、燃烧、传热、辐射等关键科学问题。

 

舱3是宽域吸气式发动机空气系统试验舱，主要的研究方向是给整个发动机做一个CT。这个旋转CT是高能所研制的。把这个旋转CT运用到舱3里，可以在工作状态下实时地透射发动机的间隙变化。有了间隙，就可以和温度场对起来。有温度场，才能校定它的形变的计算方法。

 

▲整机旋转CT间隙测量系统

为什么整个间隙变化对发动机来说这么重要呢？因为发动机研制过程中，真正“卡脖子”“拖后腿”的就是间隙变化。间隙留的太大，效率要下降，间隙留的太小会经常碰磨，引发很多问题。所以我们在这个舱里面重点关注间隙变化。

第4个舱是高超声速变姿态进-发匹配试验舱，能够真正实现0-6马赫连续可调的情况下看组合发动机的模态怎么转化，进发怎么匹配，在复合攻角下怎么能够进行稳定性工作。

 

由于上述的成果，我们这两年也申请了100多项专利，发表了200多篇论文，出版了3本航空发动机的专著。其中关注到它的进排气系统，也关注整个航空发动机的高空性能，获得了“中国科学院杰出成就奖”“国家科技进步奖”等等，省部级以上一等奖的奖励有9项。

来到中国科学院开展工作，按院内的说法就是叫“顶天立地”。我的理解就是，我们要做的工作是从国家需求和最基础的科学问题出发，需要把基础研究、关键技术攻关和型号的集成以及大规模的推广应用全链条地结合起来。

只有这样，才能由型号研制带动对一些基础问题的理解，由基础问题的研究进展来推动型号的技术进步。它们之间是相互关联、相互作用的。在这个基础上，我们还将建设全国重点实验室和国家重大科技基础设施。

今天的分享就到这里。谢谢大家。