未來飛機對飛發(fā)一體化技術的需求

■ 李俊 楊水鋒 但聃/航空工業(yè)成都所

飛發(fā)一體技術廣義的含義可以分為體系和平臺兩個層面。首先由體系對新型航空動力應具備的主要任務能力提出需求，其中包含對能源選型、能量水平、全生命周期、成本等的宏觀需求。待這些需求明確后，才能開展飛行平臺對適配動力裝置的需求研究。不同類型的飛行平臺對飛發(fā)一體技術也會有不同需求，應分領域多渠道開展關鍵技術研究。

飛發(fā)一體化技術，是一種在滿足作戰(zhàn)體系對飛機和動力的宏觀任務需求前提下，針對飛機與發(fā)動機的相互關系進行綜合優(yōu)化設計的技術，目的是獲得最優(yōu)的飛機/發(fā)動機匹配性能，進而提高飛機效能。

一般認為，飛發(fā)一體化技術是研究飛機與發(fā)動機的相互關系、進行綜合優(yōu)化設計的技術，但從更寬的視角看，飛發(fā)一體化技術還需要考慮體系對動力的需求。飛機和發(fā)動機都是為特定時期、特定環(huán)境下的特定作戰(zhàn)體系和典型作戰(zhàn)任務服務的。不同的體系和任務，決定了不同的設計要求，包括全生命周期的規(guī)劃和維修保障的設計和實施等。

航空動力的設計首先要滿足體系需求，其次是大系統(tǒng)需求，最后才是飛行平臺需求。在平臺需求方面， 不僅要考慮飛機種類的不同，也要考慮結構、氣動、隱身、機載系統(tǒng)等不同技術領域的性能要求，多渠道并行地開展關鍵技術研究。

圖1 F-22的矩形二維推力矢量噴管

飛發(fā)一體化技術發(fā)展歷程和重點

隨著噴氣發(fā)動機的問世，使得飛機在各方面取得了明顯的提升，并成功地實現(xiàn)超聲速飛行。隨著發(fā)動機推力的快速提高，發(fā)動機所需的空氣流量也迅猛增加。大量的空氣被吸入發(fā)動機，經過燃燒后排出大量高溫氣體。因此，發(fā)動機前面與后面的流場特性發(fā)生了很大的改變，這種流場特性的改變使得飛機的氣動性能也發(fā)生改變（如阻力、升力以及俯仰力矩等）。同時，飛機氣動性能的改變也帶來了發(fā)動機進氣條件的改變，從而影響發(fā)動機本身性能。由于飛機對發(fā)動機的需求不斷提高，飛機與發(fā)動機之間以及發(fā)動機各部件之間的匹配問題變得日益突出，飛機性能很大程度上取決于飛發(fā)一體化性能。為了解決飛機與發(fā)動機相容性問題，飛發(fā)一體化綜合設計思想的提出成為必然。

早期的飛發(fā)一體化，主要考慮的是發(fā)動機、進氣道、噴管的類型與位置，以及發(fā)動機的安裝方式、質量和體積對推進系統(tǒng)的安裝性能的影響等。20世紀60年代中期，渦扇發(fā)動機出現(xiàn)后，飛發(fā)一體化設計逐步成為一項重要技術。

美國GE、普惠等公司都曾開展基于渦扇發(fā)動機的發(fā)動機/進氣道/飛機機體一體化設計；美國空軍的阿諾德工程發(fā)展中心（AEDC）通過對比F-16和F-15縮比試驗件在自由射流條件和風洞條件下的試驗結果來評估進/發(fā)相容性。另外，其多型先進作戰(zhàn)飛機均采用了飛發(fā)一體化設計技術，有效提高了飛機總體作戰(zhàn)效能。例如，F(xiàn)-22作為空中優(yōu)勢戰(zhàn)斗機，強調全向隱身和縱向機動性，采用矩形二維推力矢量噴管（如圖1所示）；F-35戰(zhàn)斗機以短距/垂直起降性能需求為牽引，獨創(chuàng)性地采用了軸式驅動升力風扇和可向下旋轉90°的推力矢量噴管（如圖2所示）；B-2 作為高隱身亞聲速無人機，在不追求機動性能的前提下，采用了進氣道上置布局、與機體高度融合設計的固定幾何進氣道和固定幾何噴管（如圖3所示）。此外，美國還開展了X-43B飛發(fā)一體化設計技術的研究，包括“獵鷹”組合循環(huán)發(fā)動機計劃（FaCET）和模態(tài)轉換項目（MoTr），目標都是實現(xiàn)吸氣式高速飛機飛發(fā)一體化核心關鍵技術的研究與演示驗證。

圖2 美國F-35戰(zhàn)斗機

圖3 美國B-2轟炸機

俄羅斯的飛發(fā)一體化設計技術有其獨到之處，特別是對于發(fā)動機壽命更是如此。俄羅斯通過對作戰(zhàn)需求的綜合分析，根據作戰(zhàn)飛機不同的生存力、不同的壽命綜合確定單臺發(fā)動機的壽命，而不是一味地追求最長的壽命。

可見，不同任務需求的飛機，適用于不同的作戰(zhàn)體系，其飛發(fā)一體設計的思路和方案差異很大；對于不同種類的飛機，飛發(fā)一體化技術也有很大差異。故而需要有針對性地加以全面研究。

未來體系對飛發(fā)一體技術的需求

體系對飛發(fā)一體技術的需求主要體現(xiàn)在能源形式的選擇、能源的可持續(xù)性、功率體系分配、發(fā)動機維修保障和全生命周期。這些需求，往往和作戰(zhàn)需求、戰(zhàn)爭模式密切相關。如果能明確飛機和發(fā)動機未來要適用的作戰(zhàn)環(huán)境，就能比較清晰地摸清體系對飛發(fā)一體化技術的宏觀要求。

例如，從未來戰(zhàn)爭的發(fā)展趨勢看，體系向高能化發(fā)展的趨勢越發(fā)明顯，對抗雙方的能量規(guī)模能重新成為決定體系對抗成敗的關鍵因素。未來，很可能會涌現(xiàn)出新型能源，或者傳統(tǒng)能源的全新應用，因而，在網絡中心化體系基礎上可能會出現(xiàn)能量中心化的體系，或稱能量中心戰(zhàn)體系。其中，核能源也許將會普及性地應用于陸?？仗斓榷鄶灯脚_的動力系統(tǒng)中，相應地，動力系統(tǒng)能源選型和動力方案選型會有典型性變化，抗輻射污染的要求也會提出，這些就是體系對動力和飛機同時提出的需求。

圖4為筆者對未來體系中各種平臺的能力歸納描述，可以看出，在長航時、大速度區(qū)域，還有大量的配裝新能源動力的新型飛機種類有待開發(fā)。

不同飛機種類對飛發(fā)一體化技術具有不同的需求

在綜合分析技術發(fā)展和未來體系需求的基礎上，未來新概念飛機可能有垂直起降飛機、帶推力矢量的高機動飛機、高隱身飛機、高超聲速飛機、空天飛機、核能飛機等幾種典型類型。

圖4 未來體系中各種平臺的能力

圖5 不同類型飛機的工作范圍圖

表1 不同類型飛機對發(fā)動機選型的典型適配關系表

不同類型的飛機工作在不同的包線區(qū)域（如圖5所示）。根據飛機和發(fā)動機的工作特點，依據聚類分析的原則，可以按高度、速度將空間域劃分為三種典型的優(yōu)勢包線區(qū)域：低空區(qū)域、常規(guī)包線區(qū)域、高空高超聲速區(qū)域。由于工作區(qū)域的區(qū)別，不同類型飛機適配發(fā)動機的類型不同（見表1），不同類型飛機的飛發(fā)一體設計技術也是各有側重的。

不同技術領域指標對飛發(fā)一體化技術具有不同需求

未來新型飛機飛發(fā)一體設計耦合程度高、多學科綜合復雜，飛發(fā)一體設計面臨巨大挑戰(zhàn)，考慮幾個典型的方向，主要應該分為如下幾個領域。

一是體系領域對飛發(fā)一體化技術的需求。按不同的作戰(zhàn)體系和作戰(zhàn)任務，分析發(fā)動機能源選型、推力規(guī)模、發(fā)電規(guī)模、全生命周期、成本、保障等多方面的宏觀要求，形成體系的頂層參數要求。

二是氣動領域對飛發(fā)一體化技術的需求。飛機升力、阻力、力矩和發(fā)動機推力、沖壓阻力、力矩高度耦合，飛發(fā)內外流場、進排流場、升力環(huán)量互相摻混、影響。高水平的一體化設計使得內外流道互相利用，最優(yōu)化升/阻/推力特性，提供合理的綜合操控能力。

三是隱身領域對飛發(fā)一體化技術的需求。進氣道和發(fā)動機壓氣機一體化設計，取消吸波導流體；環(huán)形散熱器和發(fā)動機進口的一體化設計；后機身和噴管一體化，降低紅外特征；有源對消的隱身手段還涉及到射頻功率與發(fā)動機功率提取的一體化設計。

四是控制領域對飛發(fā)一體化技術的需求。飛發(fā)一體化可以得到機動性能和包線性能兩方面的收益。發(fā)動機的風扇、噴管都可作為飛機的控制舵面，和氣動舵面共同參與飛機控制，而飛機的前置水平尾翼、后體等控制舵面也可作為發(fā)動機進出口流道的調節(jié)控制機構。發(fā)動機和飛機一體調節(jié)降低阻力、提高升阻比和綜合推進效率是提升包線性能的重要手段。

五是結構領域對飛發(fā)一體化技術的需求。指與飛發(fā)一體、主動冷卻、結構隱身及結構承載等多功能結構設計、分析、仿真、試驗驗證及制造有關的一系列關鍵技術集合。

六是傳動領域對飛發(fā)一體化技術的需求。目前第三代和第四代發(fā)動機功率提取液壓驅動、飛發(fā)附件機匣、輔助動力裝置（APU）起動等形式，安裝傳動結構復雜，使用維修性差。未來傳動一體化應向全電飛機和發(fā)動機內嵌式起動/發(fā)電機方向發(fā)展，形成發(fā)動機和飛機高度一體化設計的傳動和功率傳輸系統(tǒng)。

七是綜合熱管理領域對飛發(fā)一體化技術的需求。隨著激光武器、高超聲速、復雜任務系統(tǒng)等一系列先進技術發(fā)展的需求，飛機和發(fā)動機都在產生和利用大量的熱量。熱管理一體化就是要綜合管理飛機和發(fā)動機的氣、液和元器件等熱源與熱沉，綜合運用散熱、防熱、隔熱等手段，使得全機總熱載荷、總熱流最優(yōu)化分布。

八是安全核能機載適配技術。隨著安全核能技術的發(fā)展，未來小型、清潔的核動力裝機是可以預見的，但核動力裝機后，帶來的一系列防護技術、與飛機的適配兼容技術，將成為重要的飛發(fā)一體技術分支，需要及早開展研究。

結束語

未來的作戰(zhàn)體系對高速、大推力、高能量、長航時的新型航空動力提出了迫切需求，飛發(fā)一體化技術也變得更加重要。開展飛發(fā)一體化技術研究，應充分考慮未來作戰(zhàn)體系的需求，考慮不同任務種類、不同飛機種類的需求，同時考慮不同技術領域對飛發(fā)一體化技術的不同需求，開展多個領域的飛發(fā)一體化技術攻關，才能為未來各種新概念航空動力的誕生打下雄厚的技術基礎。