先進(jìn)艦載機(jī)機(jī)電綜合技術(shù)發(fā)展研究

王守權(quán)，張凱旋，李大龍

（海軍航空大學(xué)青島校區(qū)，山東 青島 266041）

先進(jìn)的艦載機(jī)由機(jī)體、發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)載系統(tǒng)與設(shè)備3個(gè)部分構(gòu)成。其中，機(jī)載系統(tǒng)與設(shè)備又可分為兩大部分：航電設(shè)備/系統(tǒng)（Avionics Systems）和機(jī)電設(shè)備/系統(tǒng)（Aircraft System）。航電設(shè)備/系統(tǒng)是在飛機(jī)平臺(tái)上執(zhí)行或完成特定任務(wù)的，所以也叫任務(wù)系統(tǒng)；機(jī)電設(shè)備/系統(tǒng)是保證飛機(jī)飛離地面及完成飛行動(dòng)作所必須的系統(tǒng)，或稱公共功能系統(tǒng)，機(jī)電系統(tǒng)的主要功能是確保飛機(jī)的正常飛行與安全，是飛機(jī)上除機(jī)體、發(fā)動(dòng)機(jī)以及航電系統(tǒng)外幾乎所有的系統(tǒng)總和。二者的主要區(qū)別在于傳輸物質(zhì)的不同。機(jī)電系統(tǒng)是飛機(jī)飛行必不可少的重要保障，隨著飛機(jī)性能的不斷提高，機(jī)電系統(tǒng)所承擔(dān)的飛行保障任務(wù)越來(lái)越重，使得傳統(tǒng)的機(jī)電系統(tǒng)正從各自獨(dú)立發(fā)展轉(zhuǎn)而向著機(jī)電一體化的方向發(fā)展[1]。

1 機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

機(jī)電系統(tǒng)作為飛機(jī)上涵蓋面最廣泛的系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)布局最復(fù)雜、體積質(zhì)量最大、保障成本最高的特點(diǎn)。艦載機(jī)機(jī)電系統(tǒng)主要由圖1 所示的分系統(tǒng)組成，包括飛機(jī)的供電、液壓、燃油、環(huán)控、輪剎、收放起落架、防護(hù)救生、供氧、第二動(dòng)力等。因此，增強(qiáng)艦載機(jī)整體作戰(zhàn)性能，機(jī)電系統(tǒng)性能的提升是必要的基礎(chǔ)和前提，而發(fā)展和應(yīng)用機(jī)電技術(shù)將對(duì)艦載機(jī)的發(fā)展起到十分重要的作用。

圖1 航空機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

1.1 航空電力系統(tǒng)

飛機(jī)電源系統(tǒng)分為發(fā)電系統(tǒng)和配電系統(tǒng)2 部分。電源系統(tǒng)的主要作用是確?？煽康貙⒎弦蟮碾娔芄?yīng)給相關(guān)電力設(shè)備，特別是直接關(guān)系到飛行安全的關(guān)鍵設(shè)備。

發(fā)電系統(tǒng)的組成主要包括主電源、二次電源、輔助電源和應(yīng)急電源。主電源由機(jī)載發(fā)電機(jī)和電源控制保護(hù)裝置組成，發(fā)電機(jī)由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電，直接或間接地向飛機(jī)上所有用電設(shè)備供電。而二次電源的主要作用則是將部分主電源的電能轉(zhuǎn)換成為另一種頻率、電壓或電流的電能。輔助電源在地面用于維護(hù)飛機(jī)電氣設(shè)備和起動(dòng)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，或在飛行期間用于彌補(bǔ)主電源的不足。應(yīng)急電源是一個(gè)獨(dú)立的電源。當(dāng)飛機(jī)主電源在飛行過(guò)程中發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)急電源向飛機(jī)上的重要設(shè)備供電，保證飛機(jī)安全返航。

配電系統(tǒng)主要功能是實(shí)現(xiàn)電能的傳輸與分配，包括從發(fā)電機(jī)主接觸器到負(fù)載匯流條、二次電源到負(fù)載匯流條以及應(yīng)急和備份電源到負(fù)載匯流條之間的傳輸電能的各種系統(tǒng)。配電系統(tǒng)還要確保向飛機(jī)各個(gè)部件可靠地輸配電能，管理多種電氣負(fù)載，保護(hù)使用電設(shè)備。配電系統(tǒng)主要由饋電電纜、匯流條、配電板、配電器部件等構(gòu)成。

1.2 輔助動(dòng)力系統(tǒng)

在飛機(jī)上加裝一套或幾套獨(dú)立于主發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)，以提供電、液、氣和軸功率等，以滿足應(yīng)急能源、發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)以及其他輔助能源的不同需要，這類動(dòng)力系統(tǒng)統(tǒng)稱為輔助動(dòng)力系統(tǒng)。一般來(lái)說(shuō)，第二動(dòng)力系統(tǒng)通常是一種小型的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)。應(yīng)急動(dòng)力裝置（EPU）、輔助動(dòng)力裝置（APU）、綜合動(dòng)力裝置（IPU/AEPU）和超級(jí)組合動(dòng)力裝置（SIPU）等均屬于第二動(dòng)力系統(tǒng)的范疇。

1.3 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)是由液壓控制裝置、能源裝置、執(zhí)行運(yùn)行裝置，液壓油箱、蓄壓器、液壓管路以及油濾等裝置組成，它以油液為工作介質(zhì)，依靠油壓帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)具體的操縱動(dòng)作。由液壓能源裝置把驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械能變換為液壓動(dòng)力，并通過(guò)油液和液壓管路把液壓動(dòng)力輸送到執(zhí)行作動(dòng)裝置，再把液壓動(dòng)力變換為機(jī)械能，以達(dá)到作動(dòng)負(fù)載的目的。

在現(xiàn)代飛機(jī)中，大部分有2 套（或多套）互相獨(dú)立的液壓系統(tǒng)，可分為以下2 種：一種是用于起落架、操縱前輪轉(zhuǎn)彎、襟翼和減速板、機(jī)輪剎車、驅(qū)動(dòng)燃油泵和風(fēng)擋雨刷的液壓馬達(dá)，被稱為主液壓系統(tǒng)（或公用液壓系統(tǒng)），同時(shí)它還用于驅(qū)動(dòng)部分副翼、方向舵和升降舵（或全動(dòng)平尾）的助力器；另一種叫作助力液壓系統(tǒng)，它用于驅(qū)動(dòng)飛行操縱系統(tǒng)的阻尼舵機(jī)和助力器。

1.4 燃油系統(tǒng)

燃油系統(tǒng)是飛機(jī)上用于供給、傳輸和儲(chǔ)存燃油的整套裝置。要求是在一切飛行狀態(tài)和發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件下，能夠?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)和輔助動(dòng)力裝置提供合格的壓力和流量連續(xù)可靠的燃油供給。燃油系統(tǒng)還具有冷卻其他系統(tǒng)的工作介質(zhì)（如滑油、液壓油）以及保持重心位置等作用。它通常由燃油管理系統(tǒng)、供/輸油系統(tǒng)、加/放油系統(tǒng)以及油箱組成。燃油管理系統(tǒng)具有供輸油管理、壓力加油管理、傳感器信號(hào)處理、故障管理及系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理等功能。

1.5 環(huán)境控制系統(tǒng)

飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)的作用包括兩方面：一是為機(jī)上的各種電子設(shè)備提供正常的工作環(huán)境；二是保證飛機(jī)座艙內(nèi)空氣的壓力、濕度、溫度等參數(shù)滿足人體生理要求。飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)由引氣分系統(tǒng)、加溫和制冷分系統(tǒng)、空氣分配分系統(tǒng)、調(diào)節(jié)控制分系統(tǒng)以及顯示設(shè)備組成。引氣分系統(tǒng)主要保證座艙增壓和通風(fēng)的供氣源，加溫和制冷分系統(tǒng)負(fù)責(zé)艙內(nèi)溫度調(diào)節(jié)，空氣分配分系統(tǒng)負(fù)責(zé)將經(jīng)過(guò)調(diào)溫的通風(fēng)空氣均勻地輸入并分布于座艙內(nèi)，調(diào)節(jié)控制分系統(tǒng)負(fù)責(zé)艙內(nèi)壓力調(diào)節(jié)、溫度調(diào)節(jié)、濕度調(diào)節(jié)以及供氣調(diào)節(jié)等，顯示設(shè)備是用以顯示各種壓力、溫度、流量等情況。

2 國(guó)外機(jī)電綜合技術(shù)現(xiàn)狀

現(xiàn)代大型客機(jī)在系統(tǒng)的綜合化控制與管理方面應(yīng)用已較為成熟[2]。在軍用飛機(jī)方面，美國(guó)空軍率先開(kāi)展一系列機(jī)電系統(tǒng)綜合研究計(jì)劃。隨著飛機(jī)的現(xiàn)代化進(jìn)程，要求機(jī)電系統(tǒng)在二次能源的產(chǎn)生、傳輸和利用上更為高效，同時(shí)又要保證機(jī)電系統(tǒng)質(zhì)量輕、體積小，系統(tǒng)性能、可靠性和維護(hù)性高。為此，美國(guó)空軍從20世紀(jì)80年代開(kāi)始以能量為主線實(shí)施了一系列機(jī)電系統(tǒng)綜合研究計(jì)劃：首先從機(jī)電系統(tǒng)控制入手，開(kāi)展了公共設(shè)備管理系統(tǒng)（UMS）計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)機(jī)電系統(tǒng)控制層面的綜合；進(jìn)而從熱管理和二次能源優(yōu)化方面入手，相繼開(kāi)展了“熱油箱”燃油熱管理系統(tǒng)計(jì)劃、多電飛機(jī)（MEA）計(jì)劃、子系統(tǒng)綜合技術(shù)演示驗(yàn)證計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)級(jí)功能綜合；目前又著眼于下一代高能武器裝備的整機(jī)能量管理需求，開(kāi)展了飛行器能量綜合技術(shù)（INVENT）計(jì)劃和能量?jī)?yōu)化飛機(jī)（EOA）計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)能量綜合與優(yōu)化。國(guó)外機(jī)電綜合技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)有以下4 個(gè)方面。

2.1 機(jī)電綜合管理技術(shù)

機(jī)電綜合管理技術(shù)是以綜合控制性能最優(yōu)為設(shè)計(jì)理念，開(kāi)展機(jī)電綜合管理系統(tǒng)需求分析，進(jìn)行基于模型的機(jī)電綜合管理系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)研究，提出機(jī)電綜合管理系統(tǒng)總體要求、系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵功能/部件初步需求，構(gòu)建機(jī)電綜合管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及驗(yàn)證評(píng)估環(huán)境。隨著機(jī)電系統(tǒng)的綜合化發(fā)展，機(jī)電綜合管理朝著智能化方向發(fā)展，并在更高層次上與飛行控制、發(fā)動(dòng)機(jī)管理、任務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。

2.2 自適應(yīng)動(dòng)力與熱管理系統(tǒng)技術(shù)

動(dòng)力與熱管理系統(tǒng)（PTMS）把輔助動(dòng)力、環(huán)境控制組合成一個(gè)系統(tǒng)，對(duì)渦輪機(jī)械系統(tǒng)和電力管理系統(tǒng)作了集成，把輔助動(dòng)力裝置、應(yīng)急動(dòng)力裝置、閉式空氣循環(huán)環(huán)境控制系統(tǒng)和開(kāi)關(guān)磁阻啟動(dòng)/發(fā)電機(jī)綜合在一個(gè)軸上，同一渦輪既可以提供動(dòng)力又可以提供冷卻功能，從而減輕質(zhì)量、縮小體積、提高可靠性。PTMS能夠在整個(gè)飛行包線內(nèi)為主發(fā)動(dòng)機(jī)提供起動(dòng)電源，為飛機(jī)提供冷卻功能，并在主系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)提供應(yīng)急電源，目前已成功應(yīng)用于F35 戰(zhàn)機(jī)。自適應(yīng)動(dòng)力與熱管理系統(tǒng)（APTMS）源于PTMS，APTMS 作為下一代動(dòng)力與熱管理系統(tǒng)，最大特點(diǎn)是具有自適應(yīng)性，可根據(jù)不同工況調(diào)整其工作模式，自動(dòng)選擇最佳動(dòng)力源和熱沉源，從而到達(dá)整體效率最高、成本最低的目的。在APTMS 中，引氣不再是唯一的動(dòng)力源，閑置電功率也被當(dāng)作動(dòng)力源使用。APTMS 處于冷卻模式時(shí)，向飛機(jī)航電設(shè)備提供的電功率很小，系統(tǒng)有大量閑置電功率，因此APTMS 智能地讓電機(jī)轉(zhuǎn)為使用閑置電功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，減少了燃油的消耗，提高了飛機(jī)能量利用率。

2.3 高性能電作動(dòng)技術(shù)

高性能電作動(dòng)技術(shù)（HPEAS）是實(shí)現(xiàn)能量?jī)?yōu)化飛機(jī)的關(guān)鍵子系統(tǒng)之一，其核心部件機(jī)電作動(dòng)器（EMA）與傳統(tǒng)液壓作動(dòng)器相比具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。采用的關(guān)鍵技術(shù)包括減輕功率和質(zhì)量要求的金屬氧化物半導(dǎo)體控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)環(huán)控系統(tǒng)，冷卻風(fēng)扇和燃油泵的脈寬調(diào)制的電動(dòng)機(jī)變速控制技術(shù)及微處理機(jī)技術(shù)，具有容錯(cuò)能力的機(jī)電作動(dòng)器和電靜液作動(dòng)器以及高壓直流稀土永磁無(wú)刷電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)技術(shù)。

2.4 燃油熱管理系統(tǒng)

燃油熱管理系統(tǒng)通過(guò)環(huán)控系統(tǒng)的液冷熱交換器、液壓系統(tǒng)熱交換器和潤(rùn)滑系統(tǒng)熱交換器等，利用燃油作為整機(jī)熱載荷的熱沉，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電系統(tǒng)的燃油熱管理，減小了系統(tǒng)質(zhì)量，提高了整個(gè)飛機(jī)性能。

3 先進(jìn)艦載機(jī)機(jī)電技術(shù)發(fā)展方向

隨著設(shè)計(jì)理念的轉(zhuǎn)變，機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)始以全機(jī)性能最優(yōu)為目標(biāo)，而不是追求某一單項(xiàng)功能的最佳化，打破了傳統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)相互獨(dú)立的格局，于是就有了實(shí)現(xiàn)各機(jī)電子系統(tǒng)之間信息共享的機(jī)電一體化管理系統(tǒng)，同時(shí)又與飛機(jī)的其他系統(tǒng)相連接，使信息高度融合，從而使飛機(jī)的總體性能得到優(yōu)化。

國(guó)內(nèi)在役飛機(jī)的機(jī)電系統(tǒng)都是各自獨(dú)立發(fā)展的，從而導(dǎo)致整個(gè)機(jī)電系統(tǒng)的質(zhì)量非常大、采購(gòu)和保障費(fèi)用高、維修性差、能量管理水平低，使機(jī)電系統(tǒng)成為飛機(jī)上“攤子”最大、最雜亂的系統(tǒng)。唯一的解決辦法是揚(yáng)棄傳統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念和結(jié)構(gòu)，采用系統(tǒng)綜合化技術(shù)，使不同的系統(tǒng)共用一些部件或者合并一些系統(tǒng)的功能。在對(duì)機(jī)體、發(fā)動(dòng)機(jī)和各系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行研究和分析的基礎(chǔ)上，從功能、控制、物理和能量4 個(gè)方面來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)載機(jī)電系統(tǒng)的綜合化[3]。實(shí)施通常分為2 個(gè)階段：第一階段是進(jìn)行公共設(shè)備管理系統(tǒng)的綜合，即在沒(méi)有改變傳統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)各機(jī)電子系統(tǒng)進(jìn)行控制和熱能的集成管理，從而達(dá)到控制和能量的綜合；第二個(gè)階段是進(jìn)行多電飛機(jī)技術(shù)的研究，這一研究是在繼公共設(shè)備管理系統(tǒng)以后，對(duì)機(jī)電系統(tǒng)的進(jìn)一步綜合，打破了傳統(tǒng)的機(jī)電系統(tǒng)各自單獨(dú)運(yùn)行的模式，通過(guò)電力系統(tǒng)代替飛機(jī)中的液壓、氣壓、機(jī)械系統(tǒng)，從而達(dá)到在功能、能量、控制、物理4 個(gè)方面全面綜合的目標(biāo)。

隨著功率優(yōu)化飛機(jī)計(jì)劃、多電飛機(jī)計(jì)劃等機(jī)電系統(tǒng)綜合計(jì)劃的實(shí)施，機(jī)電系統(tǒng)已經(jīng)逐漸成為飛機(jī)二次能源（電能、氣壓能、機(jī)械能、液壓能）集成化、系統(tǒng)化的源泉和載體，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)“全電”飛機(jī)的功能、能量、控制、物理的全面綜合。中國(guó)艦載機(jī)的現(xiàn)代化進(jìn)程正逐步加快，尤其是要求第四代戰(zhàn)斗機(jī)要滿足隱形要求，還有具備超音速巡航和超機(jī)動(dòng)能力以及超級(jí)信息優(yōu)勢(shì)，必須不斷努力推進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)向綜合化、多電化、能量化和智能化的方向發(fā)展，形成全機(jī)能量綜合管理的技術(shù)支撐，才能滿足新一代戰(zhàn)機(jī)對(duì)機(jī)電系統(tǒng)的體積、質(zhì)量、可靠性以及在二次能源的產(chǎn)生、傳輸和利用上的效率提出的更高要求。