美六代戰機能量優化技術:增航程支持定向能武器

　　美國空軍提出飛機能量優化技術的最初目的是為了解決第六代戰鬥機的熱管理問題，但是隨著研究的不斷深入，這項技術已被納入美國《能源地平線》中需要重點發展的核心技術之一，並逐步被廣泛應用於美軍解決能源問題，將對在研及下一代裝備發展產生深遠影響，主要表現在增大航程、消除飛行器熱約束、為定向能武器的使用創造條件、使飛機設計過程更加精細化等多個方面。

　　飛機能量優化技術是航空機電領域正在發展的一項技術。航空機電系統是飛機上執行保障功能的所有系統和飛機二次能源系統（即電能、液壓能、氣壓能、機械能）的總稱，國外常常稱為公共設備系統。從功能的角度看，這些系統可以分為兩大類，一類屬於「能量系統」，一類屬於「保障系統」。能量系統圍繞能量執行各類功能，諸如能量的產生、統一配置和傳輸、驅動做功、能量損失（熱能）的綜合管理、機載燃油的管理與綜合利用等。保障系統則執行生命保障、安全保障和任務保障等功能。飛機能量優化技術主要涉及能量系統。

　　飛機能量優化技術對下一代戰鬥機能否發揮其作戰效能至關重要。下一代戰鬥機面臨的熱管理和熱約束問題，如果不及早認識和解決，將可能嚴重製約未來型號的研製工作。同時，飛機能量優化技術也可以應用於在研型號的升級工作。因此，飛機能量優化技術的發展和運用值得我們深入研究。

　　能量優化飛機技術提出的背景

　　（一）下一代戰鬥機面臨嚴重的熱管理問題

　　新一代飛機面臨嚴重的熱挑戰，這主要來自兩個方面：一是飛機電氣化的發展趨勢帶來熱管理方面嚴峻的挑戰；二是航空平臺的排熱也面臨挑戰。此外，定向能武器的使用也加劇了未來戰鬥機的熱管理問題。目前，多電技術仍是航空機電系統發展的熱點，目前已經出現了空客A380、波音787、F-35等多電飛機。多電飛機技術之所以得以發展，是因為它能夠減少燃油的使用。但是，如果熱管理問題解決不好，反而會由於排熱的需要而導致系統重量增加、飛機阻力增大，最終導致燃油消耗增加。因此，在多電飛機設計過程中需要採用系統級的方法來權衡所有可能的解決方法。美國空軍提出研究飛機能量優化技術，最初的目的就是為了解決美國第六代戰鬥機的熱管理問題。

　　（二）能源問題成為美國空軍關注的熱點問題

　　美國空軍認為其正面臨著嚴峻的能源挑戰，並且這種挑戰勢必進一步加劇，這是因為全球能源需求不斷增加，能源供應日趨減少，同時加強環境保護的呼聲日益高漲。美國空軍是美國國防部中能源消耗最大的軍種，每年需要消耗超過20億加侖航空燃油，使航空燃油消耗成為空軍能源消耗中的最大一類（佔84%），並因此成為空軍中最大的開銷項目之一。美國空軍航空燃油花費超過90億美元。美國《能源地平線中》提出，可以從空氣動力學、推進和動力、材料和結構、航空運行、能量採集、革命性新概念等多個領域進行技術投資，以解決能源問題。其中，能量優化技術是推進和動力領域的一項關鍵技術。

　　能量優化飛機技術的研究目標

　　「能量優化飛機」概念是在美國空軍「綜合飛行器能量技術」（INVENT）計劃中提出的。

　　INVENT計劃分為三個「螺旋」來執行。

　　「螺旋1」關注可以分離出來應用到F-35上幫助解決熱管理問題的近期技術，目標包括將地面維持時間翻一番，低空飛行時間提高到4倍。

　　正在進行當中的「螺旋2」旨在滿足下一代能量優化飛機的中期需求。目標包括通過系統綜合將航程/續航時間提高10%，功率和製冷容量提高5倍，按需供給，無熱限制。

　　「螺旋3」將面向高超聲速飛行器、遠程無人機、超聲速遠程打擊系統、高空飛艇等。目標包括動力與熱管理能力提高10倍，用於高佔空比定向能武器；動力與熱管理系統增長10倍，用於遠程持久情報、監視與偵察（ISR）任務。

　　能量優化飛機技術的關鍵技術

　　（一）自適應子系統技術

　　INVENT項目將探索一種按需、按實際工作階段靈活運行的系統，可以在載荷空閒周期斷開基礎保障（能量和熱管理）供給，從而大大降低總熱載荷。這種靈活運行的系統被稱為自適應系統。自適應系統技術成為INVENT計劃解決熱管理問題的核心技術。

　　INVENT計劃中，EOA的三個關鍵子系統為自適應動力和熱管理系統（APTMS）、魯棒電源系統（REPS）和高性能電力作動系統（HPEAS），如圖1所示。INVENT能量優化飛機的關鍵特點是用整機系統的最優化代替部件級和子系統的優化。APTMS將為高功率、低負載周期的系統（如雷射武器）提供峰值冷卻，它能夠自動選擇最佳可用熱沉（燃油、衝壓空氣），並探索新的熱沉形式。REPS具有按需提供電力的能力，可以滿足峰值需求並管理再生載荷，同時為飛行關鍵系統提供高可靠的功率。HPEAS將能夠為飛控、公共設備系統和發動機提供故障運行/故障安全作動。

　　（二）基於模型的設計技術

　　傳統上，飛機各個子系統供應商都是按照靜態的接口控制與規範文件（ICD）分別對飛機子系統進行建模。為了實現全機層面的能量優化，就必須進行基於動態模型的設計，這就要求建立動態的ICD程序。採用動態模型的設計方法稱為基於模型的設計方法。

　　基於模型的設計方法實現起來面臨著諸多挑戰：首先是需要建立一種可以集成多家公司模型的綜合建模與仿真系統環境；其次是傳統的仿真環境或者模型具有很多局限性；第三是系統模型的智慧財產權保護問題；第四是動態子系統模型只是代表了一種特定的設計狀態，難以滿足系統及研究和優化的需求；第五是系統級仿真的計算量問題；最後一項挑戰是目前航空航天系統建模方面缺乏統一的標準，限制了模型的重複利用。

　　美國空軍研究實驗室（AFRL）在INVENT計劃中制定了建模需求和實施計劃（MRIP）（見圖2）來解決上述問題。MRIP詳細描述系統集成和動態/隨機系統分析所需模型，通過保證政府和工業界之間建模的標準化，儘可能減少建模與仿真方面的問題。MRIP為政府/工業界建立一套統一的建模框架，規定了模型應當具備的精度，還規定了模型之間的接口定義，以及軟體文檔的需求。

　　能量優化飛機技術的影響分析

　　（一） 對在研和未來飛行器的影響

　　飛機能量優化技術對在研和未來飛行器的影響包括三個方面：一是增大航程，近期技術可增大10%，遠期技術可增大50%；二是消除飛行器熱約束。諾斯羅普·格魯門公司領導工業團隊在INVENT計劃中利用一種先進無人機平臺研究了一系列技術替代方案。研究結果表明，各種有希望的技術不僅可以拓展熱天運行限制，而且可能完全消除熱的限制；三是為定向能武器創造條件。

　　（二） 對飛機研製過程和手段的影響

　　飛機能量優化技術要求飛機設計過程之處就要考慮全機層面的優化。在傳統飛機研製過程中，飛機上各個系統都是獨立設計的，設計權衡和設計優化都是在系統層面進行的。同時，傳統飛機系統都是按照峰值功率進行設計的。這是一種粗放的設計方式。據估計，飛機在整個任務剖面中，均值功率約為峰值功率的1/8到1/5。在INVENT計劃中，探索了一種更加精細化的設計方式，即按照均值功率來設計機上動力系統和熱管理系統。

　　之所以能夠做到這一點，得益於兩點：一是基於模型的設計方法的採用，二是電能存儲技術的進步。通過基於模型的設計，可以的飛機的飛行動態過程進行精確的模擬，各個飛行階段的功率需求和熱管理需求可以準確估算。通過電能存儲裝置，可以將低功率需求時過剩的電力暫時存儲起來，以備峰值功率時使用。

　　可見，飛機能量優化技術要求未來飛機採用一種新的設計過程，即按照均值功率，在全機層面進行優化的設計過程；在設計手段方面，飛機能量優化技術更加依賴精確的建模與仿真技術，採用基於模型的設計方法。（孫友師）