美軍四代機第二動力系統(tǒng)技術分析與發(fā)展趨勢

劉輝仁，田宏星

(中國航發(fā)湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002)

1 引言

飛機第二動力系統(tǒng)是指獨立于主發(fā)動機，為機載設備提供輔助、應急能源并能起動主發(fā)動機的系統(tǒng)，對提高飛機自主保障能力、生存力具有非常重要的作用[1]。傳統(tǒng)的第二動力系統(tǒng)的動力裝置，包括輔助動力裝置(APU)和應急動力裝置(EPU)這兩種為飛機/發(fā)動機提供次級能源的設備[2]。在四代機出現(xiàn)之前，APU 和EPU 均有其獨立的技術發(fā)展途徑，但隨著四代機高性能、高技術指標的提出，第二動力系統(tǒng)的研發(fā)呈現(xiàn)出新的發(fā)展趨勢。本文以F-22、F-35戰(zhàn)斗機為研究對象，分析總結了四代機第二動力系統(tǒng)的技術特點以及發(fā)展思路，以期為飛機第二動力系統(tǒng)未來的研發(fā)提供參考。

2 第二動力系統(tǒng)

圖1給出了傳統(tǒng)第二動力系統(tǒng)的原理圖。由圖可看出，APU 和EPU 在飛機上是分開布置、各司其職、分時獨立工作的，兩者在結構上都有各自的齒輪箱、發(fā)電機、液壓泵等。

圖1 傳統(tǒng)第二動力系統(tǒng)原理圖Fig.1 The schematic diagram of traditional secondary power system

APU本質上就是一臺裝在飛機上的小型航空燃氣渦輪發(fā)動機[3]，屬于第二動力系統(tǒng)核心設備。APU通常在地面工作，需要時也可在空中工作，為主發(fā)動機的起動和飛機提供能源(電、液壓、壓縮空氣)，其結構示意圖見圖2。APU 從外界環(huán)境吸入空氣，空氣經壓氣機壓縮后，一部分被引出用于起動主發(fā)動機和飛機環(huán)控系統(tǒng)，另一部分則進入燃燒室，與霧化后的燃油混合燃燒生成高溫高壓燃氣，之后燃氣進入渦輪膨脹做功，帶動壓氣機旋轉，同時驅動齒輪箱上的發(fā)電機和液壓泵輸出電源及液壓源。APU 以機上燃油和外界環(huán)境大氣為工質，因此可以長時間持續(xù)工作，工作高度通常在13 km以下。

圖2 氣壓型APU結構示意圖Fig.2 The structural diagram of pressure APU

由于APU 起動過程需要30～60 s 的時間，無法滿足采用電傳操縱和靜不安定技術飛機的需求(這類飛機不允許電力/液壓的長時間中斷)，為此飛機的第二動力系統(tǒng)使用EPU 快速起動(2～5 s 內)并為飛機提供應急用的液壓源和電源，用于調整、控制飛機姿態(tài)。部分飛機使用沖壓空氣渦輪來解決應急能源的問題，還有部分飛機則采用燃料型EPU，其結構示意圖見圖3。EPU 工作時，機載高壓氣瓶的高壓空氣減壓后進入燃燒室，與霧化后的燃油混合燃燒生成高溫燃氣，之后燃氣沖擊渦輪做功，驅動齒輪箱上的發(fā)電機和液壓泵為飛機提供應急能源[4]。EPU使用的燃料包括單組元燃料(H-70肼)和雙組元燃料(煤油+壓縮空氣)。受空間限制，機上能夠攜帶的高壓空氣有限，因此EPU的工作時間不長。

圖3 應急動力裝置結構示意圖Fig.3 The structural diagram of EPU

四代機出現(xiàn)以前，APU和EPU都按各自獨立的軌跡發(fā)展，未發(fā)生交集。其中APU在為主發(fā)動機提供起動能源這一基本功能上，逐漸增加了為飛機提供輔助能源的功能，同時不斷采用新技術提高自身的性能、壽命和可靠性。EPU 則一直圍繞如何更好更快更環(huán)保地提供應急能源這一核心要務不斷進行探索，先后開發(fā)出空氣應急型(沖壓空氣渦輪)、壓縮空氣應急型、燃料應急型(單組元燃料和雙組元燃料)等多種型式。

隨著四代機作戰(zhàn)功能/性能要求的提高，其復雜程度大大增加，機體內的空間愈顯緊張。為更好地解決功能/性能與體積、質量之間日益突出的矛盾，第二動力系統(tǒng)逐漸開始從個體能力提升轉向系統(tǒng)綜合優(yōu)化，美國的F-22 和F-35 戰(zhàn)斗機就是如此。本文就這兩型戰(zhàn)斗機第二動力系統(tǒng)的技術特點進行描述，并分析其發(fā)展思路。

2 F-22戰(zhàn)斗機第二動力系統(tǒng)技術特點

F-22戰(zhàn)斗機是由洛克希德·馬丁和波音公司聯(lián)合研制的單座雙發(fā)高隱身第四代戰(zhàn)斗機，源自于1981年起動的美國先進戰(zhàn)術戰(zhàn)斗機計劃，2005年末形成初步作戰(zhàn)能力，是世界上第一種進入服役的第四代戰(zhàn)斗機，側重于爭奪制空權。

F-22 戰(zhàn)斗機的第二動力系統(tǒng)采用物理組合的思路，利用APU 和EPU 各自都有一套齒輪箱、發(fā)電機、液壓泵的特點，將APU 和EPU 組合到同一個齒輪箱上，EPU 既充當APU 的起動機，又和APU 分時驅動齒輪箱上的發(fā)電機和液壓泵，這個新的裝置被稱為組合動力裝置(IPU)，見圖4。與傳統(tǒng)分開布置的APU和EPU相比，IPU至少減少了一套齒輪箱、液壓泵、發(fā)電機和起動電機，既節(jié)省了機上空間，又減輕了40%左右的質量[5-6]。

圖4 F-22戰(zhàn)斗機的組合動力裝置Fig.4 The IPU of F-22 fighter

IPU的工作模式分為APU和EPU兩種。APU工作模式下，EPU用來起動APU，APU則在有限高度范圍內提供軸功率驅動齒輪箱上的發(fā)電機和液壓泵，同時也可提供壓縮空氣用于主發(fā)動機的起動或飛機的環(huán)控系統(tǒng)。EPU 工作模式下，EPU 在飛行全包線范圍內、應急條件下輸出軸功率給齒輪箱，驅動其上的發(fā)電機和液壓泵，同時EPU 也以50%額定轉速帶動APU空轉。當飛機高度降低到APU起動高度時，APU點火起動并接替EPU的工作，實現(xiàn)無縫切換和能源的持續(xù)輸出。上述功能成功完成的關鍵在于高可靠性的兩速三離合齒輪箱以及兩個工作模式之間的穩(wěn)定切換控制。

F-22 戰(zhàn)斗機的IPU 由美國加雷特公司(已并入霍尼韋爾公司)研制，該公司的設計師們后續(xù)仍在不斷嘗試優(yōu)化IPU 的結構，提出了更加緊湊的IPU 構型，并申請了相關專利。圖5 示出了其中一種優(yōu)化構型[7]。該構型使得APU 直接具備了EPU 的功能，主要技術手段是在壓氣機的進口設置了進口導葉，在出口設置了出口擋板。當IPU在APU模式下工作時，進口導葉打開，外界氣流進入壓氣機被壓縮，沖開出口擋板進入燃燒室燃燒，高溫高壓燃氣進入渦輪膨脹降溫的同時輸出功率驅動齒輪箱上的發(fā)電機和液壓泵。當IPU 在EPU 模式下工作時，壓氣機進口導葉和出口擋板關閉，壓氣機在近似密閉的空間內空轉，機載空氣罐的高壓空氣經減壓后從燃燒室頭部進入燃燒室內燃燒，高溫高壓燃氣進入渦輪膨脹做功[8-9]，驅動齒輪箱上的液壓泵和發(fā)電機輸出應急用能源。當飛行高度降低到APU 模式的工作包線范圍內時，進口導葉和出口擋板打開，IPU 轉入APU模式工作。

圖5 優(yōu)化的組合動力裝置構型Fig.5 The optimized configuration of IPU

3 F-35戰(zhàn)斗機第二動力系統(tǒng)技術特點

F-35戰(zhàn)斗機是由洛克希德·馬丁設計生產的單座單發(fā)戰(zhàn)斗攻擊機，源自于1993年啟動的美國聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機計劃，2016 年末形成初步作戰(zhàn)能力，側重于對地攻擊。由于F-35戰(zhàn)斗機研制時間較F-22戰(zhàn)斗機約晚10年的緣故，其系統(tǒng)的研制理念和架構有較大的提升。

盡管F-22 戰(zhàn)斗機將APU 和EPU 組合到一起，很好地實現(xiàn)了縮尺減重的目標，但IPU 在飛機飛行的大部分時間內還是不工作的，從時間管理和資源利用的角度上仍未得到充分發(fā)揮[10]。在聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(F-35 戰(zhàn)斗機前身)集成子系統(tǒng)技術(J/IST)演示驗證項目的牽引下，霍尼韋爾公司開展了熱能/能量管理系統(tǒng)(T/EMM)的開發(fā)和演示驗證。即在IPU 原有功能的基礎上增加了熱管理功能，使得第二動力系統(tǒng)在飛行過程中也參與工作，為飛機的熱管理系統(tǒng)提供冷卻，從而大大提高系統(tǒng)的利用率。2000年，演示驗證項目大獲成功，相關技術被引入F-35戰(zhàn)斗機中，第二動力系統(tǒng)演化成了動力與熱管理系統(tǒng)(PTMS)[11]，IPU 演化成了綜合動力包(IPP)，如圖6所示。

圖6 F-35的綜合動力裝置Fig.6 The IPP of F-35 fighter

由圖6 可見，IPP 采用單轉子結構，軸上裝有單級離心壓氣機、燃燒室、向心渦輪、同軸直驅的高速起動/發(fā)電機、冷卻渦輪。地面工作時，IPP的工作方式與IPU的基本一致，區(qū)別在于IPP僅輸出270 V的高壓直流電，以適應F-35 戰(zhàn)斗機多電化的需要[12]?？罩酗w行時，IPP工作在冷卻模式下，飛機環(huán)控系統(tǒng)的熱空氣通過IPP 的冷卻渦輪降溫后，一部份提供給座艙環(huán)控，一部分用來冷卻機上電子設備，此時的核心機和起動/發(fā)電機不工作，作為吸收冷卻渦輪功率的負載。這個工作模式充分利用了IPP的空閑時間，大大提高了使用效率?？罩袘睍r，IPP在冷卻模式的轉速基礎上，輔以大功率起動/發(fā)電機的帶轉，能夠很快成功起動并驅動起動/發(fā)電機輸出應急用電功率，保證飛行安全。

4 結束語

從傳統(tǒng)分開布置的APU 和EPU 發(fā)展到F-22 戰(zhàn)斗機物理組合的IPU，再到F-35 戰(zhàn)斗機功能綜合的IPP 這一演變過程可以看出，第二動力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是，在飛機需求的牽引和先進技術的支撐下，圍繞關鍵動力設備，不斷兼容其他功能，充分提高系統(tǒng)的綜合程度和利用率，從而提高戰(zhàn)斗機的綜合效能。