欧继洲，陈 军，李浩成

(湖南云箭集团有限公司， 长沙 410100)

巡飞弹既能执行侦察监视任务，又具备自主攻击的能力，它集无人机与弹药优点于一身，是一种目前国内外争相研制的新型武器系统。微小型动力技术作为巡飞弹的关键技术之一，决定了巡飞弹的巡飞时间、航程、飞行速度等关键性能指标。理想的巡飞弹动力系统应包括小型化、低噪音、低成本、高效率、高空性能好、推力调整范围广等特点。

当前没有哪种动力形式能够涵盖上述所有优点[1]，实际项目中可以从巡飞弹具体作战使用的角度出发选择适合总体性能要求的动力装置进行配装，如表1。目前国内外巡飞弹项目中常用的动力装置主要包括喷气动力系统、活塞发动机动力系统、电动机系统三大类，以及变推力固体火箭发动机等。目前喷气动力系统应用最为广泛，活塞发动机技术成熟度高，应用时间最早，电动机动力系统成本最低，适用范围较窄。未来还有可能采用涡轮喷气-火箭组合发动机(ATR)、凝胶推进剂推进系统等在战术导弹中应用的先进推进技术。

表1 几种动力装置在国外巡飞弹上的配装

1 喷气动力系统

一般将推力量级在1 000 N及以下的喷气发动机称为微型喷气发动机(MTE)。巡飞弹用的微型喷气发动机工作原理和大型航空发动机相同，同时又有自身独特的设计和制造技术[2-3]，根据发动机组成及工作原理，将喷气发动机做如图1所示分类。

图1 喷气动力系统分类

1.1 脉冲喷气发动机

脉冲喷气发动机主要由进气道、进气阀门、含有火花塞和喷油嘴的燃烧室以及尾喷管组成，其外形如图2所示。发动机工作时，气流进入燃烧室(或者将压缩空气打入燃烧室)，火花塞点火喷油燃烧，高温燃气急剧膨胀后从尾管快速喷出，由此产生的压力差使得空气再次打开单向阀门进入燃烧室，然后喷油点火燃烧，开始第二个循环。

图2 脉冲喷气发动机外形

单向进气阀门通风孔面积是设计的关键，因为它关系到进入发动机的油与空气比，通过无阀片的构造可以使工作寿命增加，稳定性提高。对喷管进行特殊设计能够优化发动机性能。法国研制的脉冲喷气发动机“Ecrevisse”没有阀门，采用自动吸气和点火技术，能够在静止状态下启动。俄罗斯ENICS研究中心为装备自己的无人机和靶机设计的脉冲发动机在喷管外形上将喷管两头对弯成“U”子母形状来增强发动机性能，其中R90巡飞子弹药上配备的脉冲喷气发动机M44D净重仅1.1 kg，最大推力50 N，耗油率0.718 9 kg/(N·h)，持续工作时间可达300 min[4]。

脉冲喷气发动机构造简单、结构紧凑、造价便宜，每小时800 km的最大速度极限已足够在巡飞弹上使用，它的最大缺点是空气动力性噪声太大，隐身性能弱。对于经济性需求高，最高飞行速度和飞行高度又有一定要求的自主攻击型巡飞弹来说，脉冲喷气发动机是合适的选择。随着对噪声控制工艺技术的日趋成熟和完善，相信未来脉冲喷气发动机在巡飞弹中将会得到更广泛的应用。

1.2 涡轮喷气发动机

涡轮喷气发动机(以下简称涡喷发动机)由进气道，空气压缩机、燃烧室、涡轮机和喷口组成。高速运转的空压机压缩从进气道进入的空气，产生高压致密的空气送入燃烧室，燃烧室喷油燃烧产生高温燃气向后冲击涡轮机，涡轮机又带动前面的空压机运转，燃气流从喷口喷出产生推力。微型涡喷发动机基本组成和工作原理与一般航空用涡喷发动机类似，同时又具备一些独特的构造与技术特点，主要包括[5-10]：

1) 广泛采用环形回流燃烧室，以保证在较短的轴向尺寸下获得较大的燃烧特性；同时借助于高速运转，供油多采用离心甩油盘方式；

2) 为了满足小直径压气机高增压比、大空气流量和高效的气动特性，微型涡轮喷气发动机普遍采用离心(或轴流加离心)压气机；

3) 在高转速轴承等要求转速高和配合精度高的部件中，采用陶瓷基复合材料使部件更耐磨，强度更高，对润滑剂要求更低，省去的润滑装置可使发动机结构更为紧凑；同时陶瓷轴承的应用可有效克服弹箭发射瞬间的高过载可能导致发动机损坏的缺点；

4) 考虑到巡飞弹的特殊使用要求，多数采用低成本、短寿命设计，力求尺寸小，质量轻，零件数目少，因而在启动方式、润滑系统燃烧室及供油系统的设计上有所创新，比如美国Williams公司研制的WR24-7微型发动机采用气吹启动，捷克PBS公司研制的TJ100系列发动机(如图3所示)采用电动油泵对发动机进行供油与润滑，取消了单独的润滑装置。

图3 TJ100涡轮喷气发动机

在20世纪60年代初期，美、法、英等国家就开展了微型涡喷发动机的研究，随着加工工艺和材料、高速陶瓷轴承等相关技术的突破，一批先进的微型涡喷发动机不断呈现，比较具有代表性的如美国哈密尔顿标准公司的TJ30/50/90系列，法国的Micro Turbo公司的TRI60系列。涡喷发动机虽然低速下飞行耗油量较大、效率较低，但是出众的高速性能和高稳定性，使得它成为飞行速度和高度要求高，巡飞时间不长、成本控制要求不严苛的功能全面的中大型巡飞弹项目的主要动力装置，如美国的卢卡斯巡飞弹、拉姆(LAM)巡飞弹，以色列的黛利拉巡飞弹[11]等均是采用涡喷发动机作为主要动力系统。表2展示了国外几种微型涡喷发动机的性能参数，可以看到国外应用到巡飞弹上的微型涡喷发动机的推重比几乎都等于3～5。

美国巡逻攻击导弹LAM同时采用了涡喷发动机和固体火箭助推器作为推进装置，后者的加装是为了提高巡飞弹初始爬升速度以达到迅速飞抵目标区域上空的目的，借助固体火箭助推升空的还包括英国的火力阴影巡飞弹等。

未来涡喷发动机还应在以下几项关键技术中寻求突破以使得在巡飞弹武器系统上得到更广泛的运用：

1) 精准的电子控制系统设计技术。受巡飞弹成本和体积限制，微型涡喷发动机不可能采用传统发动机主轴减速带动油泵的供油方式。微型涡喷发动机耗油量小，高转速下转速对供油量波动敏感，必须要求电子控制器实现小流量的精准控制，这样才能保证发动机稳定工作。

2) 关键部件的设计和匹配。空压机、回流燃烧室、涡轮等都是影响发动机性能的高效能核心部件，特别燃烧室体积小，容热强度大，需要反复调试并与空压机和涡轮机完成最佳匹配，才能达到性能优化的目的。

3) 发动机与巡飞弹一体化设计技术。

由于巡飞弹使用的特殊要求，应考虑发动机与巡飞弹的性能匹配、进排气系统结构与安装损失、约束特性等。对于一次性使用的攻击型巡飞弹和以侦察监视为主要功能的巡飞弹，对发动机的要求又有所不同。

表2 国外几种微型涡喷发动机性能参数

1.3 涡轮风扇发动机

涡轮风扇发动机(以下简称涡扇发动机)是由涡轮喷气发动机发展而来。如图4所示，不同的是首级压缩机的页面面积非常大，同时被用作空气螺旋桨(扇)，并且在发动机后方增加了驱动风扇的低压涡轮；低压涡轮消耗一部分主引擎的燃气排气动能，将部分吸入的空气通过喷射引擎的外围(外涵道)向后推，另一部分空气如涡喷发动机一样被送入喷射引擎通道(内涵道)。流速快的气体在排出时动能损失较大，涡扇发动机通过增加低速的排气流量，降低了平均排气速度，这样就平衡了因为提高涡轮叶片以及在同一根轴上的压气机的转速而带来的过大排气速度，解决了热效率和推进效率的平衡问题。

图4 涡扇发动机内部一般构造

美国的弹用涡扇发动机技术较为先进，代表性的如威廉姆斯公司研制的F107-WR、F121-WR等系列涡扇发动机，其中F107-WR-100推力可达2 721 N，耗油率仅0.061 9 kg/(N·h)，其改进型号F107-WR-104大量采用先进陶瓷基复合材料，强度更高，磨损更小，使用寿命更长；F121-WR-100发动机体积与推力最小，价格最低[12]，适合装配到巡飞弹上。俄罗斯也具备弹用涡扇发动机独立设计与制造能力，有MS-400等型号[13]。

涡扇发动机推进效率高，噪音低，燃油消耗率低，缺点是发动机结构复杂，成本较高。同涡喷发动机一样，涡扇发动机也适装于成本预算高、功能较全面的中大型巡飞弹上。基于它更优秀的燃油经济性，相比涡喷发动机它更加适合配装于高空长时间前线压制和情报搜集的巡飞弹。国外涡扇发动机在导弹和无人机上的应用已商业化，巡飞弹用涡扇发动机可基于这些发动机的原有技术和自身实际使用做结构简化和性能改进以满足低成本和小型化的要求。比如多采用陶瓷轴承使结构更为紧凑，通过压气机和涡轮的精铸和无余量快速成型加工技术，提高发动机推重比并降低成本[14-15]。美国在研的“钢雨+”巡飞弹项目即采用涡扇发动机作为动力系统。

2 活塞发动机动力系统

活塞发动机是利用多个气缸内活塞做功将压力转换成旋转动能的发动机。燃料-空气混合物注入气缸内被火花塞点燃，热燃气膨胀推动气缸内的活塞运动，多个活塞在各自气缸内的往复直线运动通过曲轴和连杆转换成主轴的圆轴运动，从而为飞行器提供轴功率。完成一次做功活塞在气缸内要依次经过进气、压缩、燃烧膨胀和排气四个冲程。

没有多个气缸结构的汪克尔转子发动机是一种较先进的旋转式活塞发动机，如图5所示它是利用一个三角锥状转子的三个面将椭圆空间分成三个独立的燃烧室。在转子的运动过程中，这三个燃烧室的容积不停地变动。在椭圆形缸体内相继完成活塞发动机做功所需要的四个过程，每个过程都是在缸体中的不同位置进行。汪克尔转子发动机转子旋转的圆形运动比往复式活塞的水平直线运动更为平顺，振动噪音更低；同时简化的结构使体积缩小、质量减轻。另外轴向运转特性使它不需要精密的曲轴平衡就能达到较高的运转转速，其转速比往复式引擎上升更快。但是相比往复式活塞发动机，它也有对点火时机要求高、火花塞位置要求精密、从引擎本体提升马力能力有限等不足。

图5 汪克尔转子发动机结构

尽管活塞发动机推重比小，高空性能一般，但是成本低，技术成熟度高，燃油经济性非常好[16]，通过螺旋桨将轴功率转化为推进力可一起组成无人机及巡飞弹的动力装置，尤其对于成本相对低廉、巡飞时间和飞行速度有一定要求、飞行高度低于5 km的中低空巡飞弹有较强的适应性。例如，德国的泰帆巡飞弹也是活塞发动机驱动螺旋桨提供飞行动力，航程可达500 km。

英国MBDA公司的火力阴影 “Fire Shadow” 巡飞弹动力装置采用汪克尔转子发动机加两页后置的定距推力螺旋桨，并使用了电子燃油喷射[17]。

火力阴影巡飞弹的功能是长时间停留在战场区域充分搜索高价值目标，接到打击任务即刻执行，因而它采用汪克尔转子式发动机作为动力装置，虽然飞行速度只达到150～300 km/h，远低于需要尽快飞到战场打击目标的攻击巡飞弹的速度，但是巡飞监视时间却可以达到10 h。

火力阴影巡飞弹升空瞬间如图6所示。

图6 火力阴影巡飞弹升空瞬间

3 电动机动力系统

螺旋桨(或者涵道)在电动机的驱动下高速旋转，消耗轴功率做功提供推拉力，它作为动力装置最早应用于航模系统。随着微电子控制技术和新型电子电力器件的发展，实现了无刷电机的无位置传感器单向调速控制，相比有刷电机的传统换向方式速度更快，效率更高。低成本、高磁能积材料的出现又使得无刷电机的体积更小、成本更低。

电动机作为动力系统应用到具体飞行系统中，它的能量来源通常是锂离子电池组、锂-聚合物电池组、锂-硫电池，以及目前快速发展的新型燃料电池等。受新能源汽车产业驱动，锂电池技术取得飞跃式发展。我国在锂聚合物能源电池工程技术攻克、关键材料和关键部件的研制方面处于世界前沿水平，中科院大连化学物理研究所团队解决了多硫化锂的“飞梭效应”和金属锂“界面不稳定”的关键问题，研制出的高功率锂硫电池组的比能量高达350 Wh/kg。新型燃料电池的比能量比锂电池组还要高，是当前的研究热点[18]。

这类动力装置的优点是作为动力源的锂电池能量-质量比高、电机转速范围广、不使用时电量损失较慢，特别是包括电池、螺旋桨、涵道在内的所有部件成本都非常低。虽然目前该类动力装置输出功率水平有限，并且对气动条件要求高，不利于高空飞行[19-20]，但是在低空低速飞行、射程近、成本低廉、一次性使用的轻小型自主攻击巡飞弹上可以得到广泛应用，如美国的弹簧刀巡飞弹[21]、战斗鹰巡飞弹都是采用电动机作为动力系统。近年来美国海军研制出了氢燃料电池、太阳能电池提供动力来源的巡飞弹原型机“混合虎”；美国空军研究实验室推进分部开始了为主宰者弹药研制混合固体氧化物燃料电池组作为动力装置的研究[22]。图7所示为使用电动机的英国“老虎”巡飞弹。

值得一提的是，我国于今年在某战区的一次军事对抗演习中也首次采用了以氢燃料电池为能源的无人机提供通讯中继。

综合分析以上几类动力形式的组成和工作原理，结合它们的工作特性及在巡飞弹和小型无人机上的应用，可以得到如表3所示的动力装置的性能和适用场景。

图7 使用电动机的英国“老虎”巡飞弹

动力装置特性主要适应任务功能电动机动力系统电机转速范围广,不使用时能量损失较小,成本低,噪音较小,可重复使用;比能量不断提高。转速小,瞬时输出功率有限,受大气密度影响大。成本控制严格,低速、小区域范围内的察打活塞发动机动力系统技术更成熟;改进的汪克尔转子发动机质量更轻,噪音更小,燃油经济性好。推重比小,寿命短,高空性能相对较差。低速(不高于100 m/s)大区域范围内的超长时间察打涡轮喷气动力系统推力可调,可零速启动,速度和高度使用范围广,高速性能优异。燃油经济性较低,成本较高,在小型化方面需要更大突破。末端攻速要求高、大区域、高海拔的察打;打击时敏目标能力强脉冲喷气动力系统成本低,重量轻,可原地启动。振动剧烈,噪声大,飞行高度有限,寿命较低。对隐身能力要求低,较短时间内较大区域的察打

4 巡飞弹用动力装置的发展趋势

根据国内外巡飞弹的研制情况，结合目前微小型发动机技术的进展，巡飞弹用动力装置将朝着以下几个方向发展。

1) 对现有涡轮发动机的性能改进。目前巡飞弹用动力装置仍以低成本设计为原则，立足于现有燃油发动机的成熟技术，通过优化设计和采用先进工艺简化结构、减轻质量，通过使用陶瓷轴承等先进工艺材料和效率更高的部件降低油耗、提高性能。此外从国外巡飞弹项目的发展趋势看，弹用涡轮发动机尤其应该重视有关电动油泵、混油或油雾润滑、全权数字电子控制系统(full authority digital electronic control)、微型传感器、高温高速陶瓷轴承、高转速微型启动发电机等前沿技术的研究[23-26]。

2) 增加使用电动机作为动力装置。随着电池技术的日新月异、低耗高效精密电机技术的快速发展、电动机动力系统在巡飞弹中将得到更广泛应用。采用如锂空气电池、新型燃料电池等能量比密度更大的电池作为电动机的能源，提高电动机动力系统的续航时间，对于燃料电池功率密度不大的问题可以通过采用混合动力装置解决。在需要突然提高动力系统输出功率时，利用高效电池组提供额外功率。根据国家科技部和“中国制造2025”对动力电池的发展展望，2020年前将实现单体能量密度超过300 Wh/kg固态电池的研发生产；中国制造2025、日本RISING项目等甚至将准固态空气锂电池的能量密度规划到500 Wh/kg。可以预见，借助电池技术的发展，未来采用电动机作为动力装置的巡飞弹将会更加普遍。

3) 发展空中燃油加注技术。利用卫星导航技术和特定的传感器技术，使主机与空中加油机之间的距离最佳，并将燃油加注管插入加油机软管尾部的锥形装置。利用这种燃油加注技术，巡飞弹群可延长留空时间，无需额外发射更多巡飞弹就可以完成区域控制的作战任务。

巡飞弹空中燃油加注的示意图如图8。

图8 巡飞弹空中燃油加注

4) 采用其他先进推进技术。这些基于战术导弹用的可控推力推进系统主要包括涡轮喷气-火箭发动机、凝胶推进剂推进系统以及采用先进能量管理技术的固体火箭发动机系统等[27-29]。

涡轮喷气-火箭发动机相比与传统涡轮发动机是涡轮独立驱动，不需要单独的助推器，便于低速飞行。

凝胶推进剂推进系统的最大优点就是结构坚固可靠，生存力强，推力可控。凝胶推进剂兼具固体和液体推进剂的优点。关于它的研究得到了欧美各军事强国的重视，目前德国已率先成功完成凝胶推进系统飞行器验证试验。

采用先进能量管理技术的固体火箭发动机包括固体双脉冲发动机、固体变推力发动机、固体姿轨控发动机三种代表型式，在巡飞弹上应用较为成熟的是变推力固体火箭发动机，美陆军网火系统精确攻击导弹PAM即采用的喉栓式变推力发动机技术[30]。

5 结论

动力装置作为巡飞弹的关键系统之一，决定了巡飞弹航时/航程、飞行高度和飞行速度等重要性能指标。不同形式的动力装置满足不同性能指标的能力各有高低，用户应根据作战定位的实际需求对巡飞弹性能指标的具体要求做出权衡和取舍，从而选配出最合适的动力装置。

从国外的诸多巡飞弹项目观察可以发现，为了达到使用需求通常会采用混合动力装置来弥补采用单一动力形式带来的某些不足，为了迎合作战需要，采用混合动力装置也是巡飞弹动力系统的一个发展方向。