戰(zhàn)斗機(jī)用輔助動(dòng)力裝置的發(fā)展

■ 馬強(qiáng) 田宏星/中國航發(fā)動(dòng)研所

輔助動(dòng)力裝置（APU）是指為主發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和飛機(jī)的環(huán)控、液壓、電力等系統(tǒng)提供輔助能源的動(dòng)力裝置。結(jié)合戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)展，可以一窺輔助動(dòng)力裝置發(fā)展的過程和趨勢。

輔助動(dòng)力裝置（APU）本質(zhì)上是一臺(tái)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，為主發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和飛機(jī)的環(huán)控、液壓、電力等系統(tǒng)提供輔助能源，并不直接為飛行提供動(dòng)力，因此這類發(fā)動(dòng)機(jī)被統(tǒng)稱為輔助動(dòng)力裝置。輔助動(dòng)力裝置誕生于20世紀(jì)50年代，最初的目的是滿足大推力/功率發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)起動(dòng)功率的需求，以取代質(zhì)量大的電起動(dòng)機(jī)、液壓起動(dòng)機(jī)、活塞起動(dòng)機(jī)及其附設(shè)系統(tǒng)。此后，隨著飛機(jī)需求的增加、航空技術(shù)水平的發(fā)展，輔助動(dòng)力裝置的功能日趨多元化，從短時(shí)工作的單一起動(dòng)能源，演變成為可長時(shí)間工作的能輸出多種能源的動(dòng)力裝置。以下結(jié)合戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)展，就戰(zhàn)斗機(jī)用輔助動(dòng)力裝置的應(yīng)用情況和發(fā)展趨勢進(jìn)行分析。

第一代、第二代戰(zhàn)斗機(jī)的起動(dòng)方式

第一代戰(zhàn)斗機(jī)最大特征是突破聲障，實(shí)現(xiàn)馬赫數(shù)（Ma）1以上的飛行速度，主要作戰(zhàn)方式是近距離格斗，代表機(jī)種有蘇聯(lián)的米格-19和美國的F-100、F-104等。第二代戰(zhàn)斗機(jī)采用了更優(yōu)設(shè)計(jì)的后掠翼或三角翼、梯形翼面，采用更強(qiáng)勁渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，達(dá)到兩倍聲速的飛行速度和20000m的飛行高度，主要還是視距內(nèi)作戰(zhàn)，代表機(jī)種有蘇聯(lián)米格-21、美國F-4和法國“幻影”Ⅲ等。第一代、第二代戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)推力較小，對(duì)起動(dòng)功率的需求也較小，因此多采用電起動(dòng)機(jī)，見表1。

電起動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)及控制簡單、使用方便可靠，容易實(shí)現(xiàn)起動(dòng)自動(dòng)化；缺點(diǎn)是低速電起動(dòng)機(jī)的總質(zhì)量大，功重比不到0.3kW/kg，因此一般起動(dòng)功率都低于30kW；蓄電瓶的質(zhì)量大且對(duì)電壓降很敏感，在冬季低溫條件下蓄電瓶的電容量顯著下降且不可靠，受蓄電瓶容量限制，一般只能保證連續(xù)3～5次的起動(dòng)。

第三代戰(zhàn)斗機(jī)用輔助動(dòng)力裝置

第三代戰(zhàn)斗機(jī)采用以空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化后的氣動(dòng)外形,大量采用復(fù)合材料減輕質(zhì)量、增加強(qiáng)度，都采用“尖頭”造型并裝備大型航空雷達(dá)，大量使用先進(jìn)航空電子設(shè)備，最大飛行速度維持在Ma2左右，最大升限20000m左右，但機(jī)動(dòng)性大大加強(qiáng)。這一代戰(zhàn)斗機(jī)以“超視距空戰(zhàn)”為主要作戰(zhàn)場景，代表機(jī)種有蘇聯(lián)的米格-29/31系列、蘇-27系列，美國的F-14/15/16/18系列，歐洲的“幻影”2000和“狂風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)等。第三代戰(zhàn)斗機(jī)使用的發(fā)動(dòng)機(jī)較第一代、第二代戰(zhàn)斗機(jī)的推力增大，對(duì)起動(dòng)功率的需求也增加，多采用功重比大的機(jī)械型APU（即燃?xì)鉁u輪起動(dòng)機(jī)），見表2。

表1 第一、二代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)方式

表2 第三代戰(zhàn)斗機(jī)用輔助動(dòng)力裝置

機(jī)械型APU是指該類APU直接輸出軸功率，通過機(jī)械傳動(dòng)起動(dòng)主發(fā)動(dòng)機(jī)。該類APU的本身就是一臺(tái)微型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，自身的起動(dòng)功率小，但輸出功率大；不需要特殊工質(zhì)，可多次獨(dú)立起動(dòng)主發(fā)動(dòng)機(jī)；功重比大大增加，達(dá)到0.88～2.5kW/kg；對(duì)帶自由渦輪的燃?xì)鉁u輪起動(dòng)機(jī)，其燃?xì)鉁u輪大部分時(shí)間處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，自由渦輪轉(zhuǎn)速變化平穩(wěn)，保證主發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過程中平穩(wěn)加速。缺點(diǎn)是APU必須盡量靠近主發(fā)動(dòng)機(jī)安裝，不利于飛機(jī)布局，同時(shí)缺乏備用起動(dòng)手段。此類APU功能比較單一，多數(shù)僅用來起動(dòng)主發(fā)動(dòng)機(jī)。

三代半戰(zhàn)斗機(jī)用輔助動(dòng)力裝置

第四代戰(zhàn)斗機(jī)的典型特征是超聲速巡航、隱身性、短距起降能力、超機(jī)動(dòng)性，代表機(jī)種為美國的F-22和F-35，但有些戰(zhàn)斗機(jī)僅部分達(dá)到了第四代戰(zhàn)斗機(jī)的特性要求，因此被稱為“三代半”戰(zhàn)斗機(jī)，典型機(jī)種有歐洲合作研制的EF2000、法國的“陣風(fēng)”和瑞典的“鷹獅”等。三代半戰(zhàn)斗機(jī)采用的是空氣渦輪起動(dòng)機(jī)（ATS）起動(dòng)主發(fā)動(dòng)機(jī)，使用氣壓型APU為空氣渦輪起動(dòng)機(jī)提供壓縮空氣，見表3。

氣壓型APU是指該類APU輸出壓縮空氣，通過管路去沖擊ATS，然后由ATS輸出軸功率帶動(dòng)主發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)。這種氣壓型APU+ATS的起動(dòng)方式的好處是，APU的安裝位置靈活，可遠(yuǎn)離主發(fā)動(dòng)機(jī)，有利于飛機(jī)系統(tǒng)布局。同時(shí)ATS使用的壓縮空氣來源豐富，既可由APU提供，也可由已起動(dòng)的主發(fā)動(dòng)機(jī)或機(jī)場地面氣源車提供，使用靈活。與機(jī)械型APU相比，氣壓型APU不僅可用于起動(dòng)主發(fā)動(dòng)機(jī)，還可以為飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)提供壓縮空氣、為電力系統(tǒng)提供電源，從而提高戰(zhàn)斗機(jī)的自主保障維護(hù)能力。缺點(diǎn)則是整個(gè)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率低，要求APU的額定功率較大，機(jī)體內(nèi)需布置較粗的空氣管道。

表3 典型第三代半戰(zhàn)斗機(jī)用輔助動(dòng)力裝置

第四代戰(zhàn)斗機(jī)用組合動(dòng)力裝置

一些戰(zhàn)斗機(jī)上除了有APU外，還有一種應(yīng)急動(dòng)力裝置（EPU）為飛機(jī)快速提供短時(shí)應(yīng)急功率。傳統(tǒng)APU和EPU在戰(zhàn)斗機(jī)上分開布置、分時(shí)工作、優(yōu)勢互補(bǔ)，共同降低飛機(jī)的維護(hù)使用費(fèi)用和保證飛機(jī)的飛行安全。APU使用飛機(jī)上的燃油和外界空氣工作提供起動(dòng)和輔助能源，工作高度有限（通常低于13000m），起動(dòng)時(shí)間較長（通常在30s以上），優(yōu)點(diǎn)是可長時(shí)間工作；EPU則是一臺(tái)沒有壓氣機(jī)、使用飛機(jī)上的燃油和機(jī)載壓縮空氣工作或主發(fā)引氣的渦輪動(dòng)力裝置，由于其工作介質(zhì)都來自機(jī)上，因此可在飛機(jī)飛行全包線內(nèi)工作，起動(dòng)時(shí)間短（2～5s），缺點(diǎn)是機(jī)載壓縮空氣瓶體積有限，工作時(shí)間受限（2min內(nèi)）。隨著第四代戰(zhàn)斗機(jī)復(fù)雜程度的增加，使得尺寸、質(zhì)量、航程、隱身、新武器、多余度、經(jīng)濟(jì)性之間的矛盾愈加突出。要在有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)使用功能、性能的增加，除了在原有設(shè)備基礎(chǔ)上進(jìn)行性能提升和小型化發(fā)展之外，另外一種思路就是將原有分散獨(dú)立、各司其職的系統(tǒng)或裝置進(jìn)行有效綜合，實(shí)現(xiàn)一物多能，從而節(jié)省空間和減輕質(zhì)量。美國的F-22和F-35戰(zhàn)斗機(jī)就是基于上述理念，發(fā)展出了組合動(dòng)力裝置（IPU），見表4。

圖1 G250組成示意圖

G250組合動(dòng)力裝置

F-22戰(zhàn)斗機(jī)上的G250組合動(dòng)力裝置就是采用物理組合的方式將APU和EPU綜合到一起。與傳統(tǒng)分開布置的APU和EPU相比，G250至少節(jié)省了一套齒輪箱和一套液壓泵及發(fā)電機(jī)（如圖1所示），整個(gè)系統(tǒng)體積縮小，質(zhì)量也減輕40%。

工作中，APU在有限高度內(nèi)（12500m以下）提供軸功率給齒輪箱，驅(qū)動(dòng)其上的發(fā)電機(jī)和液壓泵，也可在更低高度范圍內(nèi)提供壓縮空氣用于主發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)或是飛機(jī)的環(huán)控系統(tǒng)。EPU則用來起動(dòng)APU或在飛行全包線范圍內(nèi)、應(yīng)急條件下驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)和液壓泵（此時(shí)也以半速帶動(dòng)APU空轉(zhuǎn)）。當(dāng)飛機(jī)高度降低到APU工作高度時(shí)，APU點(diǎn)火起動(dòng)接替EPU的工作，實(shí)現(xiàn)無縫切換。上述功能的實(shí)現(xiàn)都有賴于一個(gè)帶有兩速三離合器的齒輪箱。

F-22飛機(jī)上還帶有一個(gè)壓縮機(jī)，可在飛行中利用沖壓為EPU用的壓縮空氣瓶充氣。

G230組合動(dòng)力裝置

F-35戰(zhàn)斗機(jī)上的G230組合動(dòng)力裝置僅輸出電功率，采用更先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)使得APU直接綜合了EPU的功能，繼續(xù)優(yōu)化系統(tǒng)的體積和質(zhì)量（如圖2所示）。

綜合APU和EPU功能的關(guān)鍵是一個(gè)帶節(jié)流裝置的壓氣機(jī)，即在離心壓氣機(jī)進(jìn)口帶有進(jìn)口導(dǎo)葉、在壓氣機(jī)出口有擋板閥。當(dāng)以APU模式工作時(shí)，壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉和擋板閥打開，此時(shí)G230就是一臺(tái)自吸氣的燃?xì)鉁u輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)，吸入大氣與燃油在燃燒室點(diǎn)火燃燒后，沖擊渦輪去驅(qū)動(dòng)一臺(tái)大功率（約130kW）的起動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，提供電源給主發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)發(fā)電機(jī)和飛機(jī)其他電源系統(tǒng)。當(dāng)以EPU模式工作時(shí)，壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉和擋板閥關(guān)閉，機(jī)載壓縮空氣瓶的壓縮空氣進(jìn)入燃燒室與燃油混合燃燒后，沖擊渦輪去驅(qū)動(dòng)起動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。當(dāng)飛機(jī)的飛行高度下降到APU模式的工作范圍時(shí)，G230還能從EPU模式切換到APU模式，不間斷地為飛機(jī)提供電源。

表4 第四代戰(zhàn)斗機(jī)用組合動(dòng)力裝置

圖2 G230組成示意圖

結(jié)束語

輔助動(dòng)力裝置自誕生以來，功能由最初的提供單一起動(dòng)能源，發(fā)展到現(xiàn)在為飛機(jī)提供起動(dòng)、輔助和應(yīng)急能源，功能的增加不單單是由當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平?jīng)Q定，還與飛機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求密切相關(guān)，即需求作為牽引，技術(shù)作為支撐，兩者相互制約與促進(jìn)。

（馬強(qiáng)，中國航發(fā)動(dòng)研所，工程師，從事輔助動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)研究）