5代機第2動力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢分析

唐正府，王 進，張新非，呂伯平

（95899部隊，北京100076）

0 引言

當今世界誰擁有先進戰(zhàn)斗機，誰就掌握了航空武器裝備的頂尖技術(shù)。繼4代機之后，為了擴展傳統(tǒng)飛行包線和打擊任務(wù)范圍，使國家利益向臨近空間和外層空間拓展，保持空中、空間優(yōu)勢，對潛在對手構(gòu)成有效威懾與遏制，世界各軍事強國紛紛開展5代機探索研究，連日本、印度等稍欠火候的航空國家也都大張旗鼓買票入場，力圖加入“5代機俱樂部”，主要表現(xiàn)在：美國多年一貫奉行裝備和技術(shù)都領(lǐng)先對手1代的指導(dǎo)思想，為了繼續(xù)保持空中領(lǐng)先優(yōu)勢，并彌補F-22、F-35等4代機的產(chǎn)量與F-15、F-16等主力戰(zhàn)機每年到壽報廢量之間的差距，從2007年開始對5代機展開需求研究，并先后推出F/A-XX和SM-36等5代機方案；俄羅斯力圖東山再起，縮短與美國的技術(shù)差距，積極投身5代機的研究探索；日本計劃自主研發(fā)，擺脫對美國的技術(shù)依賴，2010年發(fā)布《未來戰(zhàn)斗機研究與發(fā)展趨勢展望》，提出了智能化、信息化和瞬間殺傷的5代機發(fā)展概念；印度夢想向“軍事大國”行列邁進，熱衷不惜以各種方式和手段擁有最先進的裝備和技術(shù)，2011年著手開展5代機研發(fā)[1-2]。隨著各國對5代機的“追捧”，催生了航電和武器系統(tǒng)飛速發(fā)展，飛機各種負載設(shè)備對能源需求越來越大，導(dǎo)致5代機對第2動力系統(tǒng)功能需求越來越多：一方面要求具備較好的高原部署作戰(zhàn)、快速準備出動和自主后勤保障能力；另一方面要求能夠為機載武器、通訊導(dǎo)航和電子對抗等任務(wù)載荷提供足夠的能量；同時還要求能夠拓展空中起動包線，并在臨近空間正常工作。為此，原有結(jié)構(gòu)和功能單一的傳統(tǒng)第2動力系統(tǒng)已難以滿足5代機需求，新一代結(jié)構(gòu)高度優(yōu)化、功能綜合集成、能量綜合利用的先進第2動力系統(tǒng)應(yīng)運而生[3-4]。

中國第2動力系統(tǒng)研究在輔助動力、應(yīng)急動力、發(fā)動機起動和環(huán)控等專業(yè)建立了相應(yīng)的試驗、測試和生產(chǎn)設(shè)施，形成了較完整的研制體系，在仿真分析技術(shù)上也具備了相應(yīng)的硬件和軟件條件，并積累了大量的工程研制經(jīng)驗，初步具備了一定的研制能力，但對功能綜合集成的第2動力系統(tǒng)研究才剛剛起步，對能量綜合利用的第2動力系統(tǒng)研究尚未全面展開。

本文從作戰(zhàn)使用需求出發(fā)，在以往相關(guān)研究基礎(chǔ)上，結(jié)合國外發(fā)展規(guī)律，提出了國內(nèi)第2動力系統(tǒng)發(fā)展思路，對推動技術(shù)進步，縮小與國外差距具有一定參考價值。

1 5代機對第2動力系統(tǒng)能力需求預(yù)測

自海灣戰(zhàn)爭以來，軍用特種飛機，如預(yù)警機、電子偵察機、海洋巡邏機、電子干擾機、空中加油機和空中指揮機等倍受各國軍界青睞，對電源、氣源、液壓源的需求不斷攀升；而先進戰(zhàn)斗機、遠程轟炸機、高性能無人機、高超聲速飛行器等高端武器的飛速發(fā)展，其對電力能源的需求既非機載電源系統(tǒng)所能供給，也不是換裝大功率發(fā)電機所能勝任。

特別是5代機，要對4代及4代以前的作戰(zhàn)飛機形成作戰(zhàn)優(yōu)勢，需要在飛行包線、航程、機動性、隱身特性、武器效能、網(wǎng)絡(luò)智能化等方面具有部分或絕對優(yōu)勢，從而要求具有更全面的隱身能力、更廣闊的作戰(zhàn)范圍、更強大的態(tài)勢感知能力和更出色的機載武器等典型能力特征。

正是由于5代機作戰(zhàn)范圍擴展，并可能裝備包括高能微波脈沖武器或激光武器在內(nèi)的定向能武器，使得對第2動力系統(tǒng)功能和性能需求更加苛刻，傳統(tǒng)的第2動力系統(tǒng)已無法滿足需求，迫切需要優(yōu)化結(jié)構(gòu)、減輕質(zhì)量、提高性能和可靠性、降低成本，向著結(jié)構(gòu)高度集成化、能量高度綜合化方向發(fā)展，主要需求可以歸納如下。

1.1 起動需求

滿足高推重比（或功重比）發(fā)動機快速起動需求，能夠擴展發(fā)動機空中起動包線，縮短起動時間，從而改善發(fā)動機空中起動性能，提高飛行安全和生存能力。

1.2 自主保障需求

滿足飛機自主保障能力需求，能夠不依賴地面支援設(shè)備完成地面維護和起動發(fā)動機，以及在較長時間內(nèi)提供輔助功率；能夠在地面發(fā)動機不工作時向飛機電源、空調(diào)等系統(tǒng)提供能源，完成飛機地面維護檢測等任務(wù)，延長發(fā)動機使用壽命，降低全壽命周期費用。

1.3 能源需求

滿足飛機電源、空調(diào)、航電、武器等系統(tǒng)耗能增大的需求，能夠在所有飛行條件下不間斷的向飛行控制系統(tǒng)提供電能和液壓能，使飛機在空中當主液壓系統(tǒng)和（或）主電源系統(tǒng)失效后幾秒鐘內(nèi)，可以立即提供應(yīng)急液壓動力和（或）應(yīng)急電能；能夠滿足飛機控制綜合、功能綜合、物理綜合、能量綜合的需求，提高能源利用率，實現(xiàn)能量再生。

2 第2動力系統(tǒng)發(fā)展歷程

第2動力系統(tǒng)（Second Power System，SPS），是指獨立于主發(fā)動機，為機載設(shè)備提供輔助及應(yīng)急功率并能起動主發(fā)動機的整套裝置，已成為現(xiàn)代戰(zhàn)斗機必不可少的安全保障，能夠生成、變換和傳送飛機機電系統(tǒng)所需能源，對提高飛機高機動作戰(zhàn)環(huán)境下的生存力、實現(xiàn)自主保障具有非常重要的作用。從20世紀70年代開始，第2動力系統(tǒng)就已在戰(zhàn)斗機上得到了普遍應(yīng)用，其技術(shù)發(fā)展歷程如圖1所示。

圖1 第2動力系統(tǒng)發(fā)展歷程

2.1 第1代，單組元第2動力系統(tǒng)

第1代第2動力系統(tǒng)是單純的發(fā)動機起動系統(tǒng)，以美國F-100、F-4，前蘇聯(lián)米格-21、米格-23等戰(zhàn)斗機為代表，主要用于地面和空中起動發(fā)動機。最初使用火藥、電起動機等直接起動發(fā)動機；后來發(fā)展了燃氣渦輪起動機（簡稱GTS），具有起動發(fā)動機和短時工作提供應(yīng)急功率2種功能。其特點是單組元結(jié)構(gòu)，質(zhì)量較輕，結(jié)構(gòu)簡單，但空中輔助起動和應(yīng)急能力有限。

2.2 第2代，雙組元第2動力系統(tǒng)

第2代第2動力系統(tǒng)是分立的第2動力系統(tǒng)，以美國F-15、F-16、F-18等戰(zhàn)斗機為代表。隨著輔助動力裝置（簡稱APU）和應(yīng)急動力裝置（簡稱EPU）技術(shù)的發(fā)展，利用系統(tǒng)綜合化技術(shù)將二者功能結(jié)合起來，采用機械驅(qū)動或氣壓驅(qū)動，構(gòu)成獨立的第2動力系統(tǒng)，除起動發(fā)動機外，同時具備在地面和空中有限高度提供輔助動力，在全飛行包線提供應(yīng)急動力的能力。其特點是由APU和EPU雙組元結(jié)構(gòu)構(gòu)成，實現(xiàn)功能綜合，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，質(zhì)量較大。

2.3 第3代，集成的第2動力系統(tǒng)

第3代第2動力系統(tǒng)是集成的組合動力系統(tǒng)，以美國F-22、F-35等戰(zhàn)斗機為代表。由于第2代第2動力系統(tǒng)為了將APU和EPU功能綜合，采用了2套獨立的渦輪動力裝置及發(fā)電機、液壓泵負載，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積和質(zhì)量都較大，因此第3代第2動力系統(tǒng)在保持并拓展系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，在結(jié)構(gòu)上大大簡化。

2.3.1 實現(xiàn)了物理綜合

按照美國Kevin等人提出的盡可能簡化結(jié)構(gòu)、節(jié)省空間的設(shè)計思想[5]，從20世紀80年代開始進行研究，對APU和EPU的2套渦輪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行簡化，采取組合動力裝置（簡稱IPU），以APU和EPU齒輪箱共用的結(jié)構(gòu)方式進行集成，從而減少1套發(fā)電機和液壓泵負載，使結(jié)構(gòu)大大簡化，此方案已在F-22飛機上取得成功應(yīng)用。

2.3.2 實現(xiàn)了能量綜合

未來先進戰(zhàn)斗機，復(fù)雜程度逐漸提高，熱負荷不斷增加，引發(fā)保障性和熱管理問題成為關(guān)注焦點。美國CliffordJ.Landreth等人通過對F/A-18等飛機進行評估，對輔助動力裝置提出了優(yōu)化結(jié)構(gòu)、提高可靠性等要求[6]；美國空軍實驗室PhilipM等人通過對輔助動力裝置熱排氣進行計算分析，提出了對能量進行綜合控制等需求[7]。針對上述問題，隨著多電技術(shù)的飛速發(fā)展和組合動力技術(shù)的日趨成熟，國外通過大量研究探索，提出將輔助動力系統(tǒng)與機電其他子系統(tǒng)進行綜合，以滿足飛機提高隱身、能效、有效載荷、可靠性、維護性等需求，具體方案即采用綜合技術(shù)把輔助動力、應(yīng)急動力、液壓、座艙、電子設(shè)備環(huán)境控制以及熱管理等各自獨立的系統(tǒng)功能合并到1個整體系統(tǒng)中，在共用齒輪箱組合動力裝置基礎(chǔ)上進一步集成，將原EPU燃燒室和APU燃燒室集成為雙模態(tài)燃燒室，原EPU渦輪和APU渦輪共用，從而大大優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，由此誕生了以熱管理型組合動力裝置為核心的機電系統(tǒng)綜合熱能量管理的概念，使第2動力系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)向前邁進了一大步。熱管理型組合動力裝置的基本功能是進行環(huán)境控制和發(fā)電，在飛行包線的不同階段采取不同的工作模式，在各種工作模式下除實現(xiàn)基本功能之外，還分別具備起動發(fā)動機、提供輔助動力、提供應(yīng)急動力和燃油冷卻等功能，此方案已在F-35飛機上取得成功應(yīng)用[8-10]。

3 5代機第2動力系統(tǒng)發(fā)展趨勢預(yù)測

為了滿足5代機高空高速，以及對能源需求的不斷增加，第2動力系統(tǒng)需要朝著能量綜合利用和循環(huán)再生2個方向發(fā)展。

3.1 能量綜合利用

根據(jù)5代機能力特征和技術(shù)發(fā)展趨勢，以及裝備高功率傳感器和新概念武器的需求，對機載電源的要求比4代機將更加苛刻，可能達到兆瓦級。傳統(tǒng)第2動力系統(tǒng)設(shè)計方案，以峰值功率和熱載荷為基礎(chǔ)，不論系統(tǒng)處于何種狀態(tài)都提供定量的電源、液壓和燃油冷卻，必然造成能量的大量浪費，已不能滿足需求。

以“動力熱管理系統(tǒng)”（簡稱PTMS）為代表的5代機第2動力系統(tǒng)設(shè)計思路：大力發(fā)展機電綜合，將當前的機電系統(tǒng)從控制、能量、功能和物理等4方面進行綜合，集成環(huán)境控制、熱管理等各子系統(tǒng)的全部功能，從而實現(xiàn)功率最大化、功能多樣化、結(jié)構(gòu)集成化和能量綜合化，使整個系統(tǒng)能源得到合理分配利用，提高能源利用率，使飛機性能達到最優(yōu)。

3.1.1 功率最大化

隨著飛機越來越多大功率電器部件的使用，5代機對第2動力系統(tǒng)功率需求將更加苛刻，同時受飛機尺寸限制，要求結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕便，因此大功率、小體積、輕質(zhì)量，具有較高功重比的第2動力系統(tǒng)必將受到5代機青睞。

3.1.2 功能多樣化

由在地面和有限飛行包線內(nèi)提供輔助功能，在高空短時提供應(yīng)急功能等單一能力，向全飛行包線、全飛行過程提供快速起動發(fā)動機、輔助能源、應(yīng)急能源、環(huán)境控制（簡稱ECS）、熱管理（簡稱TMS）等多功能方向發(fā)展。

3.1.3 結(jié)構(gòu)集成化

從EPU、APU、ECS、TMS等子系統(tǒng)多套產(chǎn)品獨立，向采用綜合集成結(jié)構(gòu)的組合動力裝置方向發(fā)展，從而減輕質(zhì)量，縮小體積，提高可靠性。

3.1.4 能量綜合化

通過環(huán)境控制系統(tǒng)與熱管理系統(tǒng)高度綜合，并使空氣循環(huán)與蒸發(fā)循環(huán)相互結(jié)合，從而形成熱量和能量高度綜合管理系統(tǒng)，以減少發(fā)動機能源浪費。

3.2 能量循環(huán)再生

臨近空間高超聲速飛行器是未來軍、民用航空器的戰(zhàn)略發(fā)展方向，被喻為是繼螺旋槳、噴氣推進飛行器之后世界航空史上的第3次革命。但是由于其使用沖壓發(fā)動機，不能像傳統(tǒng)使用燃氣渦輪發(fā)動機（渦噴發(fā)動機或渦扇發(fā)動機）的飛機一樣，通過飛機附件機匣提取軸功率，輸出電能、液壓能、氣壓能。例如，美國F-22飛機的組合動力裝置雖然將吸氣式燃氣渦輪輔助動力裝置和使用自備燃料的應(yīng)急動力裝置進行了物理集成，結(jié)構(gòu)簡單，能夠全姿態(tài)工作，但其使用的氧化劑是自身攜帶的壓縮空氣，體積大、數(shù)量有限，僅適合短時間應(yīng)急狀態(tài)、低高度和低速度下的工作需求，不適合臨近空間高速飛行器這樣高度高、速度快的飛行器使用。

5代機由于飛行速度跨度極大，馬赫數(shù)從0～6，甚至更高，高度從海平面稠密大氣到高空稀薄大氣，直至接近真空狀態(tài)，單靠一種原理的發(fā)動機無法滿足要求，有可能采用渦輪沖壓組合發(fā)動機，在馬赫數(shù)2以下采用渦輪噴氣模式，在馬赫數(shù)2以上采用沖壓發(fā)動機模式。然而沖壓發(fā)動機由于沒有旋轉(zhuǎn)部件，僅能提供推力，不能提供電力等輔助能源，因此必須研究與之相適應(yīng)的第2動力系統(tǒng)，從而為飛機提供輔助能源和操作動力。

渦電綜合能源系統(tǒng)就是基于高超聲速飛行器能源系統(tǒng)特點和現(xiàn)有技術(shù)儲備，以組合動力裝置和沖壓進氣技術(shù)為基礎(chǔ)研制的，能夠獨立于主發(fā)動機之外，在整個飛行過程中都可以使用的能源方案，如圖2所示。在高速飛行沖壓空氣充足、以及渦輪溫度限制允許范圍內(nèi)工作時，采用“引氣”模式，利用沖壓空氣驅(qū)動第2動力系統(tǒng)渦輪組件工作，輸出軸功率帶動發(fā)電機，為飛機用電設(shè)備供電；在低速飛行沖壓空氣較少，或超高速飛行超出渦輪溫度限制范圍工作時，采用“燃料”模式，由自帶燃料燃燒驅(qū)動第2動力系統(tǒng)渦輪動力組件工作，輸出電功率。同時還可以通過儲能裝置，將多余的電功率儲存起來，實現(xiàn)能量的循環(huán)利用；而且未來隨著渦輪軸磁流發(fā)電技術(shù)的日益成熟，高速飛行器還可實現(xiàn)能量的再生利用[11-13]。

圖2 高速飛行器能源系統(tǒng)原理

4 第2動力系統(tǒng)發(fā)展思路及措施建議

4.1 發(fā)展思路

綜合國內(nèi)第2動力系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)，瞄準未來武器裝備發(fā)展和平臺使用需要，以5代機發(fā)展需求為牽引，借鑒國外先進產(chǎn)品發(fā)展經(jīng)驗，重點開展“動力熱管理系統(tǒng)”和“渦電綜合能源系統(tǒng)”相關(guān)研究工作，實現(xiàn)技術(shù)水平和研究開發(fā)能力的大幅躍升。

“動力熱管理系統(tǒng)”，可以參考和借鑒美國F-22和F-35飛機第2動力系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)驗，按照“結(jié)構(gòu)、功能和能量綜合”的發(fā)展思路，根據(jù)不同狀態(tài)調(diào)整工作模式，合理分配和使用能源，最大限度提高能源利用率。

“渦電綜合能源系統(tǒng)”，可以參考和借鑒美國X-37B飛機第2動力系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)驗，按照“引氣驅(qū)動渦輪發(fā)電、自帶燃料驅(qū)動渦輪發(fā)電和渦輪軸磁流發(fā)電”的發(fā)展思路，實現(xiàn)能源的再生和利用。

4.2 措施建議

4.2.1 高度重視、列入規(guī)劃

目前第2動力系統(tǒng)的發(fā)展往往容易被忽視，原因在于通常僅把它當作飛機的1個子系統(tǒng)，而沒有認識到其對飛機和發(fā)動機的發(fā)展所起的不可缺少的作用。

第2動力系統(tǒng)核心是1種小型的渦輪發(fā)動機，具有高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速的工作特點，與航空發(fā)動機十分相似，作為起動發(fā)動機的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對作戰(zhàn)飛機戰(zhàn)斗力的發(fā)揮和提高具有重要作用，能夠擴展飛行包線，提供應(yīng)急能源，是飛機必不可少的關(guān)鍵系統(tǒng)，但其關(guān)鍵技術(shù)成熟度低，研制難度較大，如果重視不夠，難以形成良好發(fā)展。將第2動力系統(tǒng)列入航空發(fā)動機發(fā)展規(guī)劃中，有利于充分借鑒和利用航空發(fā)動機成熟技術(shù)，加速第2動力系統(tǒng)的發(fā)展。

4.2.2加強預(yù)研、加大投入

目前國內(nèi)第2動力系統(tǒng)研制大多采用引進專利生產(chǎn)和樣機測繪仿制2條技術(shù)路線，自行設(shè)計能力不足，與國外發(fā)展存在較大差距。因此，迫切需要大力加強預(yù)先研究，加大投資力度，按照“動力熱管理系統(tǒng)”和“渦電綜合能源系統(tǒng)”2條技術(shù)主線，同步開展技術(shù)基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，成熟1項，應(yīng)用1項。

5 結(jié)束語

美、俄等世界軍事強國已經(jīng)在5代機的定位、典型技術(shù)特征和未來制空作戰(zhàn)樣式等方面開展了深入和細致地研究，中國如不抓緊開展5代機發(fā)展需求和技術(shù)預(yù)先研究，特別是針對第2動力系統(tǒng)，由于以前重視不夠技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，如不提前規(guī)劃發(fā)展路線，屆時美俄等軍事強國將繼續(xù)對中國空中力量保持技術(shù)代差優(yōu)勢。通過深入研究第2動力系統(tǒng)發(fā)展歷程，以及美國F-22和F-35等先進戰(zhàn)斗機典型第2動力系統(tǒng)的發(fā)展規(guī)律，從中總結(jié)規(guī)律，分析預(yù)測未來5代機第2動力系統(tǒng)將以“動力熱管理系統(tǒng)”和“渦電綜合能源系統(tǒng)”為代表的2條發(fā)展方向，針對未來中國第2動力系統(tǒng)提出了發(fā)展思路和措施建議，規(guī)劃其發(fā)展路線圖，推動技術(shù)進步，起到一定的參考借鑒作用。

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