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国内外微小型航空发动机发展现状及趋势分析

时间:2014-10-28  来源:高端装备发展研究中心  声明:原创报告 版权保护 禁止转载

       微小型航空发动机是航空发动机的一个分支,它与用于大型飞机的“航空发动机”有明显区别。微小型航空发动机(Micro Aero-Engine)是一种比较复杂和精密的热力机械,主要为无人机、巡航导弹等提供飞行所需动力,也可以为地面装置提供电力。微小型航空发动机的技术难度没有民用飞机航空发动机那么高,很多国家都可以自行设计并制造微小型航空发动机,实力比较突出的国家有法国、德国、美国、英国、捷克等。

微小型航空发动机主要包括小型涡喷发动机、涡扇发动机、活塞发动机、转子发动机等,其涡轮发动机的推力在500公斤以下级别,活塞发动机功率在100KW以下。

太阳谷出版的《国内外微小型航空发动机发展状况及市场需求调研报告》针对国内外微小型航空发动机的发展现状、趋势,国内外微小型航空发动机市场发展现状、竞争格局,市场规模、未来发展趋势等作了深入研究,对于微小型航空发动机研制单位具有重要参考价值。

一、国内外微小型航空发动机发展现状分析

国外微小型航空发动机的主要研制单位包括:赛峰集团Microturbo公司、荷兰AMT Netherlands B.V.公司、捷克PBS Velká Bíteš公司、奥地利ROTAX公司、德国Jet Cat公司、塞尔维亚EDePro公司、美国Williams International公司等。相关企业在该领域的研发历史较长,产品较多,技术实力雄厚,特别是Microturbo公司、ROTAX公司、AMT Netherlands B.V.公司、Williams International公司等拥有许多明星级的产品,在该领域享有国际声誉,产品竞争力非常强。

美国在微小型航空发动机领域拥有很强的技术实力,普•惠公司、Williams International公司、洛克菲勒•马丁公司、诺斯罗普•格鲁门公司等在该领域都拥有很强的研发实力。

俄罗斯在微小型航空发动机领域也取得了许多成果,俄罗斯的TBД-10涡轮螺桨发动机,是20世纪70年代的产品,俄罗斯把它作为基准发动机,通过改进改型,发展了6种不同功率、不同用途的发动机,这些系列产品是TBL1-10 ETBД-20. PZL-IOWBCY-10和用于运输机上的燃气涡轮发动机、以及用于轻型飞机的涡轮喷气发动机。俄罗斯在巡航导弹领域拥有非常强的研发实力和技术开发能力,所研制的巡航导弹在世界具有极强的影响力,其动力装置的研发实力也在国际上数一数二。

    法国的赛峰集团Microturbo公司是微小型航空发动机领域的领军企业之一,Microturbo公司是世界上规模最大的微小型航空发动机企业之一,其拥有众多型号的微小型航空发动机可供各种单位选择。2014年,中法两国航空制造业巨头宣布将成立一个全新的合资企业,以打造成面向全球市场的民用涡桨发动机部件世界级供应商。

    德国在微小型航空发动机领域也拥有很强的实力,该国的JetCat公司研发了众多代表性的微小型航空发动机,在该领域拥有一定的行业地位。此外,加拿大庞巴迪公司下属的奥地利ROTAX公司在微小型航空发动机领域拥有非常强的技术研发实力以及市场占有率,该公司研制的ROTAX系列微小型航空发动机被美国和中国等国的先进无人机采用。

    国内拥有众多微小型航空发动机研制单位,这些单位包括中科院系统、中航工业系统、航天集团、大学院校等等。

在国内微小型航空发动机研制单位中,比较突出的研究单位有:中国科学院工程热物理研究所、中航工业航空动力机械研究所(608所)、中国航天科工集团第三研究院第三十一所、中国燃气涡轮研究院等。

二、国内外主要技术差距分析

    1、我国无人机发展仍然受制于动力

从整体上来讲,我国航空发动机工业还比较薄弱,具体表现在产品性能指标偏低,并且产品系列不够完善,还有许多空白,因此无法为型号的发展提供比较充足的动力支持和储备,这样就造成许多型号依赖国外发动机,或者性能受到限制,因此对于我国来说,不仅仅是无人机,整个航空工业能否进一步发展,在很大程度上取决于我们的航空发动机是否跟上前进的步伐。

值得一提的是,我国航空发动机工业也在不断进步,目前,我国完成了用于无人机的涡轮增压型活塞发动机的研制,提高了国产无人机的高原性能,初步解决了国产无人机的动力问题,国产400KW/620马力涡桨发动机的研制也取得进展,可以为我国轻型运输机和大型无人机提高动力支持。

    2014年无人机展会上,我国公开展出了CH-4大型无人机,它是继翼龙、AH-3之后我国又一种侦察/打击型无人机。

  不过翼龙的发动机来自奥地利的ROTAX914活塞发动机,它水平对置4缸废气增压发动机,1.2L排量,110马力输出,重量64公斤,需要指出的是美国MQ-1捕食者无人机配备的也是这型发动机,这也是翼龙能够在战术技术能够与MQ-1相抗衡的关键,目前国内能够提供的航空活塞发动机与ROTAX914还是有一定的差距,从珠海航展来看,我国的HS-133活塞发动机,它的功率只有82 马力,重量却有80公斤,因此配备翼龙无人机就会明显的降低它的性能。

  从这里可以看出,由于发动机的差距,我国无人机的战术技术指标一下子被国外无人机拉开,这种差距并不是来自飞机本身,而飞机发动机性能的差距导致的,这也从一个侧面反应了发动机对于航空工业的重要性。

2、现有发动机谱系无法满足需求

    我国作为一个幅员辽阔的大国,身处复杂的国际环境,现代化国防对无人机发展的需求同样十分强烈,特别是随着人们对未来战争观念、作战形式和任务要求的改变,无人机的研发得到了一定的关注。由于我国地域宽广,陆海空覆盖面积大,无人机是朝着高中低空、远中近程、低速和高速无人机搭配使用方向发展。

未来的空战将是无人机之间的空战,为了满足战争的需要,我国需要有从短程到远程,从低空到高空,从轻型到重型,从侦察到作战,涵盖各个范围、各种用途全系列的无人机。我国现有的无人机类型远远不能满足未来战争的需要,为了满足国防发展需求,更好的发挥无人机作为有效军事武器的潜力,有必要发展以下类型的无人机:特种作战侦察使用的微型无人机;近程战术侦察或者作战需要的无人机;采用涡轴发动机的旋翼无人机;中高空中远程无人机; 超高空超高速无人机。

3、新型发动机技术研究落后

我国在转子发动机等新型微小型航空发动机研究方面比较落后,与美国、德国、日本等差距较大,为了更好地发挥无人机作为有效军事武器的作用,发挥平台的潜力,应高度重视无人机动力的研发。美国在《无人机系统路线图(2005-2030)》指出:“推进技术和处理器技术是无人机的两大关键技术”,由此可见动力技术的发展对无人机系统的发展起着尤为关键的作用。

我国无人机动力发展应该以我国各军兵种无人飞行器发展需求为依据,针对未来重点发展的无人作战飞机、高空长航时无人机、高超声速空天无人机等高端无人机平台,兼顾其他无人机需求,以核心机及涡轮冲压组合发动机为主线,遵循“加强预研、自主创新,统筹规划、系列发展,填补空白、占领高端”的发展原则,突破无人系统动力装置关键技术,通过新研和现有动力系列发展等方式,研制出满足国内军民用无人机系统发展需要的各类动力装置。

    三、国内外微小型航空发动机发展趋势分析

    1、高性能大涵道比涡扇发动机是重中之重

大涵道比涡扇发动机是指涵道比4以上的涡扇发动机。由于大涵道比涡扇发动机的耗油率低、噪声小,被广泛用于大型民用和军用运输机以及其他大型亚声速飞机如加油机、预警机、反潜机等。20131112日,在第九届中国国际航空展的航空发动机展区,中航工业展出了国产大涵道比涡扇发动机的金属同比例模型。

从民用和军用飞机的发展现状来看,急需要高性能的大涵道比涡扇发动机,毫无疑问,这是近期我国的需求重点也是难点之一。目前,国外高端无人机动力的发展趋势是以涡扇发动机为主。涡扇发动机耗油率相对较低,具有寿命长、成本低、易于实现系列化等优点,非常适合于未来无人机平台对动力的需求。从国外无人机的现状和发展趋势看,目前在研和拟研的高端无人机动力也基本以涡扇发动机为主。例如,欧洲的“神经元”验证机选用“阿杜尔”涡扇发动机。美国“联合空战系统计划”(J-UCAS)中发展的X-45ABX-47无人战斗机的验证样机选择了现有涡扇发动机。因此,涡扇发动机将是今后发展的一个重点方向。

2、未来发展重点是冲压发动机

    冲压发动机主要用于超音速巡航导弹,冲压发动机是一种新型的、用于高速飞行的、尖端航空科学技术。它正在日新月异的迅速发展。在这个领域内,有着广泛的复杂问题需要研究解决。

随着飞行速度的提高,就要求设计制造出更有效的部件——扩压器,燃烧室,尾喷管。有的国家正在计划把冲压发动机的飞行速度提高到57倍音速,甚至更高(53007400公里/小时)。这就需要解决一系列新的问题。例如,首先要求解决热障问题,在M=5飞行时,发动机壁面与空气摩擦后温度可以达到1000℃左右。燃烧室加热以后的温度将达到25002800℃左右,这就需要耐温能力更高的材料。其次,为了使燃烧室中能加温到更高的温度,目前所采用的燃料(煤油)是不行的,这就需要高能量的燃料。

今天已进入原子能时代。因此在冲压发动机上使用原子能吸引着许多科学家,使他们进行不懈的研究。不久的将来这种理想就会变为现实。

在地球大气的上层,由于太阳和宇宙线的作用,部分空气分解成为离子,当这些离子再合成分子时,就会放出大量的能量,因此就有可能在发动机内喷入少量的催化剂,使离子再结合成分子,放出能量而推动飞机,这样就根本不必携带燃料。这种离子冲压发动机的航程,可以认为是无限的。

3、涡轮/冲压及火箭/冲压组合发动机是重要方向之一

    涡轮/冲压及火箭/冲压组合发动机主要用于高超音速巡航导弹和攻击机,涡轮/冲压及火箭/冲压组合发动机是一个重要方向。两款组合发动机的结构相似,一个重要的差异在于它自备燃烧用的氧。这种发动机有一多级涡轮驱动的低压压气机,而驱动涡轮的功率是在火箭型燃烧室中燃烧燃料和液氧产生的。因为燃气温度可高达3500度,在燃气进入涡轮前,需要用额外的燃油喷入燃烧室以供冷却。然后这种富油混合气(燃气)用压气机流来的空气稀释,残余的燃油在常规加力系统中燃烧。虽然这种发动机比涡轮/冲压喷气发动机小且轻,但是,其油耗更高。这种趋势使它比较适合截击机或者航天器的发射载机。这些飞机要求具有高空高速性能,通常需要有很高的加速性能而无须长的续航时间。

4、超燃冲压发动机发展前景广阔

    超燃冲压发动机主要用于高超声速巡航导弹上,飞行速度可以达到8马赫以上。从20世纪50年代人们就开始研究超燃冲压发动机,最初的应用目标是单级入轨的飞行器、远程高速飞机和远程高超声速导弹。从90年代开始,重点转向巡航导弹用超燃冲压发动机的发展。目前,美国、法国、俄罗斯、加拿大、德国、印度、意大利等国都在发展M4~8、射程1000km以上的巡航导弹用超燃冲压发动机。采用碳氢燃料、M3~8的双模态超燃冲压发动机已结束地面试验验证,进行了飞行试验。到2025年,以超燃冲压发动机为动力的高超声速空天飞机将有可能投入使用。

5、脉冲爆震发动机具有很大潜力

    脉冲爆震发动机是利用脉冲爆震波产生推力的新概念发动机,它是目前航空推进领域的发展热点之一,可以使发动机的效率提高24%,生产成本降低25%,并使燃油消耗降低25%,单位推力提高45%,它是未来无人机和巡航导弹极具潜力的动力装置。

    四、国内微小型航空发动机市场发展前景预测分析

    2014年下半年,国内可能将召开低空空域改革座谈会,这次会议可能为低空空域改革定调,低空空域改革一旦成行,对于我国的通用航空产业发展将会是极大的利好,并将刺激整个通用航空产业加快发展,当前,国内各方面都在推进改革,深化改革已经成为了领导层的一个共识,低空空域改革势必在这样的大环境下加快推进。这样,国内微小型航空发动机将会在无人机需求提升的情况下得到较快的发展。

巡航导弹作为一种重要的武器装备,其市场需求比较稳定,国内目前有一定量的巡航导弹出口,但是,整体来看,目前出口量不算太大,今后,国内装备需求和国外进口需求将保持稳定增长,但是,增长空间最大的可能是无人机用发动机,特别是小型涡喷和小型涡扇发动机将在军用、民用无人机的提振下得到明显的增长空间。

但是,国内无人机用发动机也可能遭遇一些问题,其一是无人机整体市场发展受阻,其二是国内厂商无法满足国内市场需求,相关市场将会继续被国外企业所占领。

图表:2014-2020年中国微小型航空发动机市场规模预测(单位:亿元)

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资料来源:太阳谷

    根据调研和分析,2014年,国内微小型航空发动机的市场规模可能达到46.3亿元,之后在低空空域改革等政策刺激下,无人机用微小型航空发动机需求将得到明显提升,到2020年,整体市场规模将达到167.5亿元。

    国内微小型航空发动机企业目前主要产品线集中在低端微小型航空发动机领域,缺乏针对高端无人机的发动机产品,有些厂商比如三院31所已经取得了一些进步,总参60所在微小型航空发动机领域也取得了许多进步,今后,随着国内市场发展,国内厂商在市场刺激下将进一步投入更多精力研发有竞争力的产品,与国外厂商竞争,行业主要竞争厂商和市场份额将倒向国内厂商。未来,在2014-2020年,行业主要竞争厂商及市场份额预测如下:

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   总体来说,赛峰集团Microturbo公司、ROTAX公司、AMT Netherlands B.V.公司、Williams International公司等外国企业仍然将具备很强的竞争力,国内厂商比如中国科学院工程热物理研究所、中航工业航空动力机械研究所(608所)、中国航天科工集团第三研究院第三十一所(北京动力机械研究所)、中国燃气涡轮研究院、中航工业南方航空工业(集团)有限公司、中国人民解放军总参谋部第六十研究所等在国内市场刺激下市场份额都会有所增长,未来市场份额的争夺主要集中在无人机特别是民用无人机领域,国内厂商需求有针对性的推出适合民用无人机的发动机产品谱系,打造品牌,占领市场。

 

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