临近空间飞行器动力系统发展趋势分析

摘 要 临近空间飞行器是近几年的研究热点，其可以被广泛应用在军事、通信等多个领域，具有远大的应用前景。文章针对临近空间飞行器的推进问题，总结了当前动力系统的研究现状，详细分析了冲压发动机、爆轰发动机等动力系统的特点、优劣及实现可能性，探讨了动力系统未来的发展趋势。

关键词 临近空间飞行器；动力系统；太阳能；冲压发动机；爆轰发动机

中图分类号 G2 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2018）225-0122-02

1 研究背景

临近空间飞行器，是指在临近空间范围内作持续或高速飞行的飞行器，其飞行高度为20到100千米，介于飞机和卫星飞行高度之间，在军事侦察、通信、对地作战以及民用观测、探测、通信等方面有着重要的开发应用前景。一方面，临近空间高度跨度大，空气稀薄且不受雨雪等恶劣天气的影响，特别适合高速飞行和长时驻空；另一方面，气体密度小、分布不均匀，且伴随复杂的电离现象，常规的发动机无法在临近空间使用，为临近空间动力系统的研究提出了挑战。

按照飞行速度，临近空间飞行器可分为低动态飞行器和高动态飞行器。低动态临近空间飞行器主要有浮空气球、平流层飞艇以及高空低速无人机等，速度较低，执行侦察、观测、通信等任务；高动态临近空间飞行器主要为高超声速飞行器，执行精确打击、战略威慑等任务。不同的应用背景对飞行器的动力系统提出了不同要求，而在当前主要的研究热点中，谁会是未来动力系统应用的主流呢？

2 低动态临近空间飞行器

按照动力类型，低动态临近空间飞行器可分为升力型、浮力型和升浮一体型。高空飞艇和气球等为浮力型，即通过向内部充灌氦气等密度小的气体从而产生浮力上升，并通过气压调节、电动螺旋桨等手段对飞行高度进行控制，机动能力较差，技术难度也相对较低。在回收和发射时及时性不强，且飞行高度受到压强的限制，但是其优点为节约能量，能够长期滞留空中。

高空长航时无人机可能是未来低动态临近空间飞行器的主要研究方向，从能源动力上看，太阳能和氢动力是最适宜的能源。因为高空的晴朗天气非常适合太阳能的使用，而液氢的能量转化效率较高，两者又均为清洁能源。但太阳能无人机在夜间只能使用白天存储的电能，这便要求太阳能板的转化效率一定要足够高，并需要携带更多的太阳能电池，从而降低了无人机的载荷能力。此外太阳能电池板在采集太阳能时需要大面积展开，这就要求无人机的展长一般都非常大，这就给其机动性带来影响。氢动力无人机具有更大的载荷能力，但目前液氢的制备成本还较高，氢燃料电池的研究也不够成熟，而且氢燃料电池的外壳一般厚重，降低了无人机的有效载荷，因此目前高空无人机还是主要以内燃机提供动力，内燃机的燃烧需要氧气的参与，在高空一般空气稀薄，燃烧效率被降低，能量转换率较低。笔者认为，从技术难度上说，太阳能无人机的发展更容易取得突破，而太阳能和氢动力的组合使用也是可能的发展方向。

3 高动态临近空间飞行器

临近空间非常适合做高速飞行，高动态临近空间飞行器的速度一般都超过马赫数3。抱着对临近空间飞行器高速、高机动性的期待，这里我们只讨论有动力巡航的飞行器，而忽略助推—滑翔飞行器。

首先，为推动飞行器达到马赫数3以上，动力系统必须具有很高的比冲。

其次，飞行器最好能从零速开始起飞，由于不同翼型与气动布局所适合的飞行速度有所差异，因此动力系统要同时能在低速和高速下工作。

最后，飞行器如果能从临近空间飞往太空更好，这样能建立完整的一体化的空天平台，降低火箭发射的成本。因此，未来高动态临近空间飞行器动力系统必然向高比冲、宽速域、太空域的方向发展。目前，冲压发动机和爆轰发动机是两大研究热点。

冲压发动机通过前体压缩面的激波对气流进行压缩，高速的气体在燃烧室内燃烧，由喷管喷出形成推力。涡轮发动机无法满足高速飞行的要求，而与火箭发动机相比，冲压发动机的比冲更高，且直接从空气中汲取氧气，因而具有更大的载荷能力。但冲压发动机必须在飞行器达到一定飞行速度时才能正常工作，无法从零速启动。为解决这个问题，可由其他飞机将其推送到指定速度，但无疑耗费了较大成本，飞行器也无法在天地往返。因此必须考虑与其他发动机进行组合，即TBCC与RBCC，分别为冲压发动机与涡轮发动机和火箭发动机的组合。先由涡轮发动机或火箭发动机将飞行器推动到一定速度和高度，再打开冲压发动机点火工作。

注意到，上述的组合发动机还无法满足所有的飞行要求，TBCC的飞行器无法进入太空，RBCC无法在低速时水平飞行，更理想的组合方式是涡轮、火箭与冲压发动机的组合。但其实TBCC、RBCC的组合方式、模式切换等还有许多问题亟待解决，三种发动机的组合更是为时尚早。发动机组合与匹配问题是现在限制高空无人机的关键因素之一，相对比太阳能发动机以及氢燃料无人机，冲压发动机实现难度会更小，其存在的不是理论问题，而是技术问题。

爆轰发动机是另一种吸气式的可推动高速飞行的发动机，和其他发动机等压燃烧的过程不同，爆轰发动机内的燃烧为等容燃烧，在狭小空间内气体的温度压力急剧增加，形成爆轰波，推出后产生推力，进而推动无人机前进。这种方式也可以被称为定容燃烧，该燃烧方式是普通燃烧方式效率的2倍。爆轰燃烧具有更高的热效率，爆轰发动机具有更高的比沖，且对发动机的进气速度没有要求，故可从零速启动，满足了高比冲、宽速域的要求。

与常规的发动机对比，爆轰发动机减少了压气机、涡轮机等结构设备，降低了结构的复杂性与重量、造价，且推重比大、可靠性强。爆轰发动机一次点火产生一道爆轰波的发动机称为脉冲爆轰发动机，具有重复点火、推力不稳定的缺点，而旋转爆轰发动机能产生连续爆轰波，使爆轰发动机具有更高的工作效率。

目前，爆轰发动机的许多技术还处于研究阶段，仍然面临许多难题。首先爆轰发动机的起爆与过程控制仍有一定难度，通过对同一设备多次试验，试验结果仍有所不同，无法做到完美控制。其次，在液体燃料燃烧过程中掺入氧化剂的过程仍无法快速、精准反应，仍然需要进一步研究。最后由于在实际应用中存在着推动力不足的现象，需要使用多个推进器，但是其多个动力的耦合问题仍然亟需解决。但笔者认为，爆轰发动机比冲压发动机具有更大的应用前景，能极大地减小飞行器动力系统的复杂程度，爆轰发动机与其他发动机组合能完美满足未来临近空间飞行器的应用。

另外，新技术和新能源在临近空间飞行器动力系统中的应用也是未来的研究热点之一。临近空间飞行器常需要在高空长时停留，因此对能源系统效率要求很高，而核动力是非常理想的解决方案。如果未来核裂变和核聚变更安全可控，反应堆体积可以做到更小，解决了防护和重量问题，那么借助核反应所释放的巨大能量，可以大大提升其动力输出功率以及续航能力，这种高空无人机不但航时长，而且由于反应堆体积小，可以有效的增加其任务载荷。

等离子推进也是可能的发展方向之一，它不同于常规推进器喷出的高温高压气体进行推进，而是通过电能的作用，使惰性化学物质形成高能量密度的等离子态喷射出去，这种发动机不需要氧化剂的助燃，因此不用携带笨重的燃料瓶，为任务设备提供了更多的有效载荷。由于不涉及燃烧过程，因此其可以在低温环境下工作，所以相对于普通高温高压推进器其能源利用率会大大提高，并间接解决了高速飞行器的热防护问题，此外电能与惰性化学物质携带方便，可以设计出更好气动布局，减少外部风阻造成的能量损失。

4 结论

综上分析，单一的动力系统很难满足未来临近空间飞行器的应用要求，多种推进方式的组合是未来的发展趋势。对于低动态临近空间飞行器，为保证其长航时的要求，以太阳能和氢为动力能源具有天然优势，但相关的太阳能电池技术、氢燃料电池技术等需要更多的研究，且其存在着飞机表面积大、机动性差的问题；而高动态临近空间飞行器的动力系统将向高比冲、大空域、宽速域的方向发展，其中爆轰发动机可能具有更大的发展潜力，但是无论理论还是技术方面，都还不成熟，仍然需要进一步探索，但是相关的组合发动机技术和爆轰发动机技术是未来研究的趋势；另外，笔者认为，核动力推进、等离子推进等相关技术的研究应用可能给临近空间飞行器的發展带来根本性的突破。

参考文献

[1]唐克，冯宝龙，谢保军，等.临近空间飞行器开发利用现状与发展趋势[J].飞航导弹， 2012（11）：44-48，96.

[2]李广佳，陈柽，贾永清，等.临近空间氢动力无人机技术发展与应用分析[C]//2015年第二届中国航空科学技术大会注文集，2015.

[3]陶于金.临近空间超长航时太阳能无人机发展及关键技术[J].航空制造技术，2016，513（18）：26-30.

[4]王冬，陈维，邵锦文，等.涡轮冲压组合推进技术发展及其临近空间应用[J].飞航导弹，2008（8）：57-61.

[5]马娟丽，莫红军.国外脉冲等离子发动机研究[J].飞航导弹，2011（12）：70-72.

推荐访问:飞行器 发展趋势 临近 动力 分析