【技术篇】浅谈中国无人机的(重油)活塞发动机
中国第一款自行制造的航空活塞发动机,也是新中国第一台航空发动机,是湖南株洲的311厂仿制的苏联M-11型,国内型号50号发动机。
话说331厂,原来仅仅是一家炮弹生产厂,第一代中国航空人在极端艰苦的环境下,将炮弹工厂改成了发动机工厂,一边修理M11发动机,一边试制简单部件。在从前苏联运回来的技术资料抵达311厂后,就开始着手整机仿制。M11是一款星形活塞式发动机,主要由曲轴、连杆、活塞、汽缸、分气机构和机匣等部件组成,运作原理是用燃料燃烧产生的能量推动活塞产生动力,因汽缸以星形环绕的方式围绕传动轴进行布置,这种发动机也因此得名星型发动机。仿制M11最大的难点是发动机机匣,因为M11的机匣是铝合金制造的,而当时中国没有掌握电解铝技术和铝合金制造技术,只好自己造电炉,冶炼铝合金,其间还发生过事故。
1954年8月16日,在苏联专家帮助下,中国人自己制造的第一台仿制活塞航空发动机M11试制成功。功率118千瓦(160马力),质量180千克,后装备于初教-5。
1960—2010年代的中国航空活塞发动机
活塞8研制成功快半个世纪后,中国的小型航空活塞发动机,大部分仍然是功率很小的汽油机。北航、南航和西工大都是研制无人机的主力,但在动力上,西北工业大学曾长期是中国唯一的小型航空活塞发动机的自主研制单位,主要产品包括二冲程发动机和转子发动机,如HS-280、HS-350、HS-510、HS-700、Z2G系列发动机。功率从15hp到55hp,全部是化油器方式,无一采用直喷供油,也无一具有涡轮增压功能(复习《技术篇》)。仅能满足全机质量350公斤(原文如此)的低空短程无人机飞行的要求,技术水准可想而知。
踏板车发动机
其中比较为人熟知的,如早期国内的无人靶机靶-2,采用的是HS-280二冲程活塞发动机,功率只有15马力,续航时间只有60分钟,升限2000米。
再有就是装备量很大的ASN-206无人机,最大时速210公里,航程150公里,飞行时间4~8小时;飞行高度5000~6000米。其动力是2冲程51马力的HS-700型活塞发动机。ASN的后继型号ASN-207,ASN-208无人机,也同样采用了HS-700的改型发动机。
一直到2003年左右,西北工业大学才开始研制80hp的二冲程发动机。
一直到2005年左右,国内还没有开展涡轮增压器匹配工作和涡轮增压控制系统研究。
而国内航空活塞重油发动机,进展甚至不如汽油机。虽然早在1980年代,国内曾经开始研究煤油或其他燃料的发动机,设想出了低压缩比的单级内风冷柴油转子发动机的研发方案,但这一方案仅仅停留在了设想节点,并没有得到后续的实施。从国内的文献来看,在2013年之前,航空重油活塞发动机的研制基本处于基础理论研究阶段,很难查到定型并大规模生产的重油活塞航机的产品。
看到上面介绍的情况,我们就不难明白,为什么这两年中国军用无人机的发展突飞猛进,但作为珠海航展出口明星的翼龙-1无人机和彩虹-4无人机,性价比这么高,察打效果这么好,其发动机却都是来自奥地利的ROTAX914活塞发动机。
ROTAX914UL,这款翼龙、彩虹-4(甚至网传也包括彩虹-3)与捕食者A同型的四冲程涡轮增压活塞发动机,燃料为航空汽油,100马力输出@5500转速,重量64公斤功重比1.5625hp/kg。(另有115马力/78公斤,功重比1.4743数据,估计与型号批次、转速、附件重量有关)。
对比之下,国产的活塞9发动机,也就是中航工业的HS-133活塞发动机,2006年立项,2012年11月28日完成300小时耐久试验考核。功率只有82 马力(转速未知),重量却有80公斤,
功重比仅1.025hp/kg。
看到差距了吧,我们2012年底刚通过耐久性考核的活塞9,功率82马力。人家rota912也是80马力,rota914是100马力,1989年到2011年两型累计生产了大约4000台。这还不算咱的功重比差了三分之一。
如果说涡喷、涡扇、涡轴、涡桨这些发动机,中国自有产品多少患有心脏病,是性能好坏问题的话;那么在2010年之前,6000-10000米中空、超过10小时航时的无人机所需的80-160马力活塞发动机,甚至没有可用的机型,是有无问题,也就是说,没有自己的心脏。
彩虹-3,彩虹-4,翼龙-1…主力机型的动力全都寄托在ROTAX914上——这就是为什么,兵器迷在2014年发帖《平心不敢稍偏倚,慧眼才得细参详》中,提出中国无人机的两大隐忧之一,就是动力无法自主。按说rota占据了小型航空活塞发动机80%的国际市场,中国无人机用这样的发动机,可靠性高也有利于出口。今天中美关系还过得去,大家都可以用,不是大问题。然而,一旦双方陷入紧张(看目前这个架势,明后年啥情况还真不好说),谁能说美国一定不会限制中国进口rota和其他出口动力?届时别说出口市场可能全灭,关键是中国自己的军用无人机没有合适的动力,如何在战场上发挥作用?
身体(机体)、大脑(航电)、眼睛(传感器)、拳头(弹药)、神经(信号传输)、血液(燃料)…都有了,还都不赖。就是这动力,要命啊。
什么叫心腹之患?中国中空无人机的心脏缺失,才真真叫一个心腹之患。