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美国技术指导公司低成本微型涡喷发动机发展概述

2020-07-17 18:15:27 中国航空报 冯欢欢

 

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中国航空报讯:美国技术指导公司拥有近40年的低成本微型涡喷发动机研究历史,利用美国小型企业创新研究计划已成功研制了TDI系列微型涡喷发动机,该系列发动机具有结构尺寸紧凑、高可靠性、低成本和易于安装等特点,得到美国陆军和空军的青睐,目前已应用于巡飞攻击导弹和“灰狼”巡航导弹,并最终凭借其优秀的产品于2020年2月24日被克瑞拓斯安全防卫解决方案公司收购。研究美国技术指导公司低成本微型涡喷发动机系列化发展,不管从研发经费支持、设计理念还是从技术特点,对国内低成本微型涡喷发动机的研制具有重要借鉴意义。

美国技术指导公司战略

美国技术指导公司创立于1983年,并于2020年2月24日被克瑞拓斯安全防卫解决方案公司收购,并入无人机系统部门。美国技术指导公司自创建以来一直专门从事开发可应用于工业与军事的涡喷发动机相关技术,成功开发了一系列极具价值的低成本涡喷发动机技术,其发动机具有低成本和可消耗性等特点,可以应用在导弹、微型空射诱饵和无人机等飞行器上。低成本涡喷发动机的研发成功得益于美国小型企业创新研究计划(SBIR)对其研发经费的补充。

美国技术指导公司组建了一支覆盖各个专业领域的专家团队,以解决与微型涡喷发动机有关的所有问题。这种战略使其可以拥有大型公司所特有的工程深度,同时保留了仅在小型公司中才能找到的低成本属性和敏捷响应的特点。该公司具备涵盖涡喷发动机所有方面的研究经验,从图纸设计到性能测试、整机集成、飞行测试和生产制造。

美国技术指导公司致力于满足国际航空航天质量体系标准AS9100的要求,开展制造、验证和交付涡喷发动机和辅助设备的工作,确保质量以满足客户要求。作为这一理念的证明,该公司曾被洛克希德·马丁导弹与火控分部授予“年度最佳小型企业奖”。

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低成本微型涡喷发动机发展

美国技术指导公司第一台发动机是用微型卡车涡轮增压器改造而成,其低成本微型涡喷发动机发展得益于美国小型企业创新研究计划,从1989年至2013年共获得美国国防部授予的11项相关合同,其中陆军4项,空军7项,累计合同金额约681万美元。

低成本微型涡喷发动机技术特点

美国技术指导公司将其TDI系列涡喷发动机定位为“小而强大”,具有内置独特功能,可提供最高效率和无与伦比的价格,具体技术特点总结如下:

一是军用特定性能,TDI系列发动机的典型任务运行环境是在6000~9000米的高度,巡航速度在0.3~0.8马赫。TDI系列发动机的坚固耐用结构使在恶劣环境(如超声速飞机的机翼或高空无人机)中的生存成为可能,能够在冲击和振动以及极端温度暴露(极热和极冷)的条件下正常运行。

二是先进的涡轮机械,TDI系列发动机结构简单,包含单级离心压气机、环形燃烧室和单级向心涡轮。尽管结构简单,先进的涡轮机械部件是定制设计的,利用前沿技术提供整机输出和效率水平,在提高输出的同时还可以降低油耗。

三是低成本/紧凑型结构,TDI系列发动机设计可用于消耗型飞行器,低成本、小尺寸和易于安装是这些新型消耗型飞行器和蜂群飞行器应用的关键需求。

四是无需润滑油,计量的燃油直接流入发动机的后部,不仅可以冷却内部组件和润滑轴承,而且利用精确的燃油传输系统使燃油进入燃烧室之前已得到预热。由于不需要润滑油不仅可以提供额外的燃油容量增加飞行器航程,而且能够降低发动机安装成本。

 

五是易于起动,为了易于起动发动机,TDI系列发动机转动部件采用低惯性设计。在起动时通过尽早点燃燃烧室来帮助发动机起动,这项独特的功能使发动机在整个飞行过程中都能实现风车起动。如果在没有足够的冲压比条件下(例如地面发射应用)也可以使用曲轴箱来起动发动机。

六是整体式发电机,永磁发电机(PMG)直接安装在TDI系列发动机轴上,为飞行器所有机载功能(控制、有效载荷需求等)供电,具备节省成本和空间的功能。

七是适用多种燃料,TDI系列发动机的连续燃烧系统允许使用各种低挥发性和高挥发性燃料。TDI系列发动机具有能够向旋转雾化器提供预热燃料的独特功能,为了易于起动、快速燃烧和完全燃烧,该雾化器可提供超细的燃料颗粒。

八是冷却的外部组件,通过发动机的空气可以冷却TDI系列发动机外部组件,进而隔离外部组件与高温环境。因此,这些外部组件可以使用常规的低成本材料,并具有减少辐射热信号的额外优点。

九是全权限发动机控制系统,TDI系列发动机控制法则执行发动机管理功能,例如起动、加速、稳态控制、自检和关机操作。控制系统还与空气数据传感器连接,以补偿整个发动机的空气密度和冲压比的变化。该控制逻辑通常直接集成到飞行器的飞行管理计算机中,但也可以使用独立的控制器。

十是低成本设计与制造,TDI系列发动机是在一个低成本及技术替代廉价劳动力的框架内,采用并行工程开展设计与制造,基于供应商的制造系统以及主题专家来利用最新的制造技术和优化的制造工艺实现降低成本的目的。此外还采用自动化系统检测技术检测发动机组件以确保符合规格降低质检成本。TDI系列发动机设计着重于经济可承受和可制造性,可以降低成本、提高燃油效率以及在不必增加武器携带的燃料总量扩大武器射程。

低成本微型涡喷发动机应用

一是巡飞攻击导弹,2004年3月22日洛克希德·马丁公司与雷神公司的合资公司宣布获得美陆军授予的为期6年的价值11亿美元|(NLOS-LS)的系统开发与演示合同,非直瞄发射系统包含巡飞攻击导弹(LAM)、精确攻击导弹(PAM)和箱式发射单元(CLU)。巡飞攻击导弹是美国陆军未来作战系统不可或缺的组成部分,长约60英寸(1.52米),重量不到120磅(54.4千克),配备激光雷达搜寻器、微型涡喷发动机和大机翼,专为长达30分钟的任务而设计。2005年中旬,技术指导公司凭借其结构尺寸紧凑、高可靠性、低成本和易于安装的微型涡喷发动机TDI-J45被洛克希德·马丁公司选择作为巡飞攻击导弹的动力系统。

二是“灰狼”巡航导弹,2017年底美国空军研究实验室授予洛克希德·马丁公司一份为期5年的1.1亿美元合同,以开发和演示一种新型的开发具有网络协作功能低成本巡航导弹,作为“灰狼”计划,该计划共包含四个螺旋式发展阶段。美国技术指导公司TDI系列发动机凭借其独特优越的技术特点,被选为“灰狼”巡航导弹的动力系统,装有TDI-J85发动机的“灰狼”巡航导弹于2020年3月悬挂在F-16战斗机首次实现飞行测试,不仅推力达到预期,而且燃油效率也超过了预期,并成功在飞行中实现多次起动发动机。

责任编辑:助理编辑 魏晨涛