美六代战机能量优化技术：增航程支持定向能武器

　　美国空军提出飞机能量优化技术的最初目的是为了解决第六代战斗机的热管理问题，但是随着研究的不断深入，这项技术已被纳入美国《能源地平线》中需要重点发展的核心技术之一，并逐步被广泛应用于美军解决能源问题，将对在研及下一代装备发展产生深远影响，主要表现在增大航程、消除飞行器热约束、为定向能武器的使用创造条件、使飞机设计过程更加精细化等多个方面。

　　飞机能量优化技术是航空机电领域正在发展的一项技术。航空机电系统是飞机上执行保障功能的所有系统和飞机二次能源系统(即电能、液压能、气压能、机械能)的总称，国外常常称为公共设备系统。从功能的角度看，这些系统可以分为两大类，一类属于“能量系统”，一类属于“保障系统”。能量系统围绕能量执行各类功能，诸如能量的产生、统一配置和传输、驱动做功、能量损失(热能)的综合管理、机载燃油的管理与综合利用等。保障系统则执行生命保障、安全保障和任务保障等功能。飞机能量优化技术主要涉及能量系统。

　　飞机能量优化技术对下一代战斗机能否发挥其作战效能至关重要。下一代战斗机面临的热管理和热约束问题，如果不及早认识和解决，将可能严重制约未来型号的研制工作。同时，飞机能量优化技术也可以应用于在研型号的升级工作。因此，飞机能量优化技术的发展和运用值得我们深入研究。

　　能量优化飞机技术提出的背景

　　(一)下一代战斗机面临严重的热管理问题

　　新一代飞机面临严重的热挑战，这主要来自两个方面：一是飞机电气化的发展趋势带来热管理方面严峻的挑战;二是航空平台的排热也面临挑战。此外，定向能武器的使用也加剧了未来战斗机的热管理问题。目前，多电技术仍是航空机电系统发展的热点，目前已经出现了空客A380、波音787、F-35等多电飞机。多电飞机技术之所以得以发展，是因为它能够减少燃油的使用。但是，如果热管理问题解决不好，反而会由于排热的需要而导致系统重量增加、飞机阻力增大，最终导致燃油消耗增加。因此，在多电飞机设计过程中需要采用系统级的方法来权衡所有可能的解决方法。美国空军提出研究飞机能量优化技术，最初的目的就是为了解决美国第六代战斗机的热管理问题。

　　(二)能源问题成为美国空军关注的热点问题

　　美国空军认为其正面临着严峻的能源挑战，并且这种挑战势必进一步加剧，这是因为全球能源需求不断增加，能源供应日趋减少，同时加强环境保护的呼声日益高涨。美国空军是美国国防部中能源消耗最大的军种，每年需要消耗超过20亿加仑航空燃油，使航空燃油消耗成为空军能源消耗中的最大一类(占84%)，并因此成为空军中最大的开销项目之一。美国空军航空燃油花费超过90亿美元。美国《能源地平线中》提出，可以从空气动力学、推进和动力、材料和结构、航空运行、能量采集、革命性新概念等多个领域进行技术投资，以解决能源问题。其中，能量优化技术是推进和动力领域的一项关键技术。

　　能量优化飞机技术的研究目标

　　“能量优化飞机”概念是在美国空军“综合飞行器能量技术”(INVENT)计划中提出的。

　　INVENT计划分为三个“螺旋”来执行。

　　“螺旋1”关注可以分离出来应用到F-35上帮助解决热管理问题的近期技术，目标包括将地面维持时间翻一番，低空飞行时间提高到4倍。

　　正在进行当中的“螺旋2”旨在满足下一代能量优化飞机的中期需求。目标包括通过系统综合将航程/续航时间提高10%，功率和制冷容量提高5倍，按需供给，无热限制。

　　“螺旋3”将面向高超声速飞行器、远程无人机、超声速远程打击系统、高空飞艇等。目标包括动力与热管理能力提高10倍，用于高占空比定向能武器;动力与热管理系统增长10倍，用于远程持久情报、监视与侦察(ISR)任务。

　　能量优化飞机技术的关键技术

　　(一)自适应子系统技术

　　INVENT项目将探索一种按需、按实际工作阶段灵活运行的系统，可以在载荷空闲周期断开基础保障(能量和热管理)供给，从而大大降低总热载荷。这种灵活运行的系统被称为自适应系统。自适应系统技术成为INVENT计划解决热管理问题的核心技术。

　　INVENT计划中，EOA的三个关键子系统为自适应动力和热管理系统(APTMS)、鲁棒电源系统(REPS)和高性能电力作动系统(HPEAS)，如图1所示。INVENT能量优化飞机的关键特点是用整机系统的最优化代替部件级和子系统的优化。APTMS将为高功率、低负载周期的系统(如激光武器)提供峰值冷却，它能够自动选择最佳可用热沉(燃油、冲压空气)，并探索新的热沉形式。REPS具有按需提供电力的能力，可以满足峰值需求并管理再生载荷，同时为飞行关键系统提供高可靠的功率。HPEAS将能够为飞控、公共设备系统和发动机提供故障运行/故障安全作动。

　　(二)基于模型的设计技术

　　传统上，飞机各个子系统供应商都是按照静态的接口控制与规范文件(ICD)分别对飞机子系统进行建模。为了实现全机层面的能量优化，就必须进行基于动态模型的设计，这就要求建立动态的ICD程序。采用动态模型的设计方法称为基于模型的设计方法。

　　基于模型的设计方法实现起来面临着诸多挑战：首先是需要建立一种可以集成多家公司模型的综合建模与仿真系统环境;其次是传统的仿真环境或者模型具有很多局限性;第三是系统模型的知识产权保护问题;第四是动态子系统模型只是代表了一种特定的设计状态，难以满足系统及研究和优化的需求;第五是系统级仿真的计算量问题;最后一项挑战是目前航空航天系统建模方面缺乏统一的标准，限制了模型的重复利用。

　　美国空军研究实验室(AFRL)在INVENT计划中制定了建模需求和实施计划(MRIP)(见图2)来解决上述问题。MRIP详细描述系统集成和动态/随机系统分析所需模型，通过保证政府和工业界之间建模的标准化，尽可能减少建模与仿真方面的问题。MRIP为政府/工业界建立一套统一的建模框架，规定了模型应当具备的精度，还规定了模型之间的接口定义，以及软件文档的需求。

　　能量优化飞机技术的影响分析

　　(一) 对在研和未来飞行器的影响

　　飞机能量优化技术对在研和未来飞行器的影响包括三个方面：一是增大航程，近期技术可增大10%，远期技术可增大50%;二是消除飞行器热约束。诺斯罗普·格鲁门公司领导工业团队在INVENT计划中利用一种先进无人机平台研究了一系列技术替代方案。研究结果表明，各种有希望的技术不仅可以拓展热天运行限制，而且可能完全消除热的限制;三是为定向能武器创造条件。

　　(二) 对飞机研制过程和手段的影响

　　飞机能量优化技术要求飞机设计过程之处就要考虑全机层面的优化。在传统飞机研制过程中，飞机上各个系统都是独立设计的，设计权衡和设计优化都是在系统层面进行的。同时，传统飞机系统都是按照峰值功率进行设计的。这是一种粗放的设计方式。据估计，飞机在整个任务剖面中，均值功率约为峰值功率的1/8到1/5。在INVENT计划中，探索了一种更加精细化的设计方式，即按照均值功率来设计机上动力系统和热管理系统。

　　之所以能够做到这一点，得益于两点：一是基于模型的设计方法的采用，二是电能存储技术的进步。通过基于模型的设计，可以的飞机的飞行动态过程进行精确的模拟，各个飞行阶段的功率需求和热管理需求可以准确估算。通过电能存储装置，可以将低功率需求时过剩的电力暂时存储起来，以备峰值功率时使用。

　　可见，飞机能量优化技术要求未来飞机采用一种新的设计过程，即按照均值功率，在全机层面进行优化的设计过程;在设计手段方面，飞机能量优化技术更加依赖精确的建模与仿真技术，采用基于模型的设计方法。(孙友师)