特種用途的超微型發動機：陳光談航發61

特種用途發動機主要是指微型無人機用的超微型發動機，包括微型活塞式柴油發動機、以燃油或氫為燃料的微型渦噴發動機、微型線性電動機等。

這些微型動力大多基於微機電技術(MEMS)、納米技術、量子技術製造，其共同特點是小巧緊湊，功率密度大，轉速高，重量一般不超過10克，尺寸在幾毫米至十幾毫米之間，功率為幾瓦至數十瓦（推力十幾克），主要裝備尺寸在15厘米以下的各種微型飛行器（圖11-16），廣泛用於遠距離感測、通信中繼、電子干擾、檢測生化武器以及近距離作戰等。

圖11-16、美海軍研究試驗室設計的微型飛行器

美國於1997年開始實施微型飛行器(MAV)計劃，目前正在先後進行「黑寡婦」、「克里卜里」（圖11-17）、「微星」、「微船」（圖11-18）等型號微型飛行器的開發。其中發動機的開發重點是超微型渦輪噴氣發動機。

超微型渦輪噴氣發動機是一種基於微機電技術(MEMS)的紐扣大小的超微型燃氣渦輪發動機。利用半導體製造技術，由多層矽片疊堆而成，包括壓氣機、燃燒室、渦輪、噴管等幾大部件，工作原理與傳統的燃氣渦輪發動機相同，就是尺寸特別小、轉速特別高、燃燒時間短、設計和加工製造比較困難。

除了用於超微型飛行器動力外，還可用於機翼和環流主動吹風控制器、射流控制器、攜帶型電源、微型空調以及電子設備等。

圖11-17、 「克里卜里」微型飛行器

據報道，美國麻省理工學院（MIT）於1994年開始這種發動機的研究，2000年首台驗證機地面台架運轉，2001年基準微型渦噴發動機進行了地面試驗和空中試飛。

該微型發動機由6層矽片疊堆而成（見圖11-19），壓氣機和渦輪均為徑向離心式，輪緣切線速度為500米/秒，轉速高達每分鐘240萬轉（常規發動機轉速只有每分鐘1～3萬轉），發動機外徑12毫米，長3毫米，和一顆襯衫紐扣大小差不多。發動機進口空氣流量為0.15克/秒（相當於116毫升/秒左右），比正常人一次呼吸吸入的空氣量還少。

圖11-18、 「微船」微型飛行器

燃燒室出口溫度高達1600K，功率輸出16瓦，推力12～13克，重量1克，燃油消耗量為7克/小時。

該發動機計劃用於美國國防部預研局研製的翼展127毫米、重量50克、飛行速度57～114公里/小時、航程60～120公里的微型無人機上。俄羅斯中央航空發動機研究院（CIAM）也在研製「象指甲蓋兒大小的超微型渦輪發動機」。

圖11-19 、微型渦噴發動機示意圖

由於小尺寸流動機械的氣動損失和傳熱問題很大，燃燒時間過短，零件的加工製造困難，並因此會帶來一些技術難題：

（1）燃燒問題；

（2）空氣軸承和轉子動力學；

（3）內部傳熱；

（4）製造；

（5）發動機部件的連接技術。