5代机第2动力系统的发展趋势分析

唐正府，王 进，张新非，吕伯平

（95899部队，北京100076）

0 引言

当今世界谁拥有先进战斗机，谁就掌握了航空武器装备的顶尖技术。继4代机之后，为了扩展传统飞行包线和打击任务范围，使国家利益向临近空间和外层空间拓展，保持空中、空间优势，对潜在对手构成有效威慑与遏制，世界各军事强国纷纷开展5代机探索研究，连日本、印度等稍欠火候的航空国家也都大张旗鼓买票入场，力图加入“5代机俱乐部”，主要表现在：美国多年一贯奉行装备和技术都领先对手1代的指导思想，为了继续保持空中领先优势，并弥补F-22、F-35等4代机的产量与F-15、F-16等主力战机每年到寿报废量之间的差距，从2007年开始对5代机展开需求研究，并先后推出F/A-XX和SM-36等5代机方案；俄罗斯力图东山再起，缩短与美国的技术差距，积极投身5代机的研究探索；日本计划自主研发，摆脱对美国的技术依赖，2010年发布《未来战斗机研究与发展趋势展望》，提出了智能化、信息化和瞬间杀伤的5代机发展概念；印度梦想向“军事大国”行列迈进，热衷不惜以各种方式和手段拥有最先进的装备和技术，2011年着手开展5代机研发[1-2]。随着各国对5代机的“追捧”，催生了航电和武器系统飞速发展，飞机各种负载设备对能源需求越来越大，导致5代机对第2动力系统功能需求越来越多：一方面要求具备较好的高原部署作战、快速准备出动和自主后勤保障能力；另一方面要求能够为机载武器、通讯导航和电子对抗等任务载荷提供足够的能量；同时还要求能够拓展空中起动包线，并在临近空间正常工作。为此，原有结构和功能单一的传统第2动力系统已难以满足5代机需求，新一代结构高度优化、功能综合集成、能量综合利用的先进第2动力系统应运而生[3-4]。

中国第2动力系统研究在辅助动力、应急动力、发动机起动和环控等专业建立了相应的试验、测试和生产设施，形成了较完整的研制体系，在仿真分析技术上也具备了相应的硬件和软件条件，并积累了大量的工程研制经验，初步具备了一定的研制能力，但对功能综合集成的第2动力系统研究才刚刚起步，对能量综合利用的第2动力系统研究尚未全面展开。

本文从作战使用需求出发，在以往相关研究基础上，结合国外发展规律，提出了国内第2动力系统发展思路，对推动技术进步，缩小与国外差距具有一定参考价值。

1 5代机对第2动力系统能力需求预测

自海湾战争以来，军用特种飞机，如预警机、电子侦察机、海洋巡逻机、电子干扰机、空中加油机和空中指挥机等倍受各国军界青睐，对电源、气源、液压源的需求不断攀升；而先进战斗机、远程轰炸机、高性能无人机、高超声速飞行器等高端武器的飞速发展，其对电力能源的需求既非机载电源系统所能供给，也不是换装大功率发电机所能胜任。

特别是5代机，要对4代及4代以前的作战飞机形成作战优势，需要在飞行包线、航程、机动性、隐身特性、武器效能、网络智能化等方面具有部分或绝对优势，从而要求具有更全面的隐身能力、更广阔的作战范围、更强大的态势感知能力和更出色的机载武器等典型能力特征。

正是由于5代机作战范围扩展，并可能装备包括高能微波脉冲武器或激光武器在内的定向能武器，使得对第2动力系统功能和性能需求更加苛刻，传统的第2动力系统已无法满足需求，迫切需要优化结构、减轻质量、提高性能和可靠性、降低成本，向着结构高度集成化、能量高度综合化方向发展，主要需求可以归纳如下。

1.1 起动需求

满足高推重比（或功重比）发动机快速起动需求，能够扩展发动机空中起动包线，缩短起动时间，从而改善发动机空中起动性能，提高飞行安全和生存能力。

1.2 自主保障需求

满足飞机自主保障能力需求，能够不依赖地面支援设备完成地面维护和起动发动机，以及在较长时间内提供辅助功率；能够在地面发动机不工作时向飞机电源、空调等系统提供能源，完成飞机地面维护检测等任务，延长发动机使用寿命，降低全寿命周期费用。

1.3 能源需求

满足飞机电源、空调、航电、武器等系统耗能增大的需求，能够在所有飞行条件下不间断的向飞行控制系统提供电能和液压能，使飞机在空中当主液压系统和（或）主电源系统失效后几秒钟内，可以立即提供应急液压动力和（或）应急电能；能够满足飞机控制综合、功能综合、物理综合、能量综合的需求，提高能源利用率，实现能量再生。

2 第2动力系统发展历程

第2动力系统（Second Power System，SPS），是指独立于主发动机，为机载设备提供辅助及应急功率并能起动主发动机的整套装置，已成为现代战斗机必不可少的安全保障，能够生成、变换和传送飞机机电系统所需能源，对提高飞机高机动作战环境下的生存力、实现自主保障具有非常重要的作用。从20世纪70年代开始，第2动力系统就已在战斗机上得到了普遍应用，其技术发展历程如图1所示。

图1 第2动力系统发展历程

2.1 第1代，单组元第2动力系统

第1代第2动力系统是单纯的发动机起动系统，以美国F-100、F-4，前苏联米格-21、米格-23等战斗机为代表，主要用于地面和空中起动发动机。最初使用火药、电起动机等直接起动发动机；后来发展了燃气涡轮起动机（简称GTS），具有起动发动机和短时工作提供应急功率2种功能。其特点是单组元结构，质量较轻，结构简单，但空中辅助起动和应急能力有限。

2.2 第2代，双组元第2动力系统

第2代第2动力系统是分立的第2动力系统，以美国F-15、F-16、F-18等战斗机为代表。随着辅助动力装置（简称APU）和应急动力装置（简称EPU）技术的发展，利用系统综合化技术将二者功能结合起来，采用机械驱动或气压驱动，构成独立的第2动力系统，除起动发动机外，同时具备在地面和空中有限高度提供辅助动力，在全飞行包线提供应急动力的能力。其特点是由APU和EPU双组元结构构成，实现功能综合，但结构复杂，质量较大。

2.3 第3代，集成的第2动力系统

第3代第2动力系统是集成的组合动力系统，以美国F-22、F-35等战斗机为代表。由于第2代第2动力系统为了将APU和EPU功能综合，采用了2套独立的涡轮动力装置及发电机、液压泵负载，结构复杂，体积和质量都较大，因此第3代第2动力系统在保持并拓展系统功能的基础上，在结构上大大简化。

2.3.1 实现了物理综合

按照美国Kevin等人提出的尽可能简化结构、节省空间的设计思想[5]，从20世纪80年代开始进行研究，对APU和EPU的2套涡轮系统结构进行简化，采取组合动力装置（简称IPU），以APU和EPU齿轮箱共用的结构方式进行集成，从而减少1套发电机和液压泵负载，使结构大大简化，此方案已在F-22飞机上取得成功应用。

2.3.2 实现了能量综合

未来先进战斗机，复杂程度逐渐提高，热负荷不断增加，引发保障性和热管理问题成为关注焦点。美国CliffordJ.Landreth等人通过对F/A-18等飞机进行评估，对辅助动力装置提出了优化结构、提高可靠性等要求[6]；美国空军实验室PhilipM等人通过对辅助动力装置热排气进行计算分析，提出了对能量进行综合控制等需求[7]。针对上述问题，随着多电技术的飞速发展和组合动力技术的日趋成熟，国外通过大量研究探索，提出将辅助动力系统与机电其他子系统进行综合，以满足飞机提高隐身、能效、有效载荷、可靠性、维护性等需求，具体方案即采用综合技术把辅助动力、应急动力、液压、座舱、电子设备环境控制以及热管理等各自独立的系统功能合并到1个整体系统中，在共用齿轮箱组合动力装置基础上进一步集成，将原EPU燃烧室和APU燃烧室集成为双模态燃烧室，原EPU涡轮和APU涡轮共用，从而大大优化系统结构，由此诞生了以热管理型组合动力装置为核心的机电系统综合热能量管理的概念，使第2动力系统设计技术向前迈进了一大步。热管理型组合动力装置的基本功能是进行环境控制和发电，在飞行包线的不同阶段采取不同的工作模式，在各种工作模式下除实现基本功能之外，还分别具备起动发动机、提供辅助动力、提供应急动力和燃油冷却等功能，此方案已在F-35飞机上取得成功应用[8-10]。

3 5代机第2动力系统发展趋势预测

为了满足5代机高空高速，以及对能源需求的不断增加，第2动力系统需要朝着能量综合利用和循环再生2个方向发展。

3.1 能量综合利用

根据5代机能力特征和技术发展趋势，以及装备高功率传感器和新概念武器的需求，对机载电源的要求比4代机将更加苛刻，可能达到兆瓦级。传统第2动力系统设计方案，以峰值功率和热载荷为基础，不论系统处于何种状态都提供定量的电源、液压和燃油冷却，必然造成能量的大量浪费，已不能满足需求。

以“动力热管理系统”（简称PTMS）为代表的5代机第2动力系统设计思路：大力发展机电综合，将当前的机电系统从控制、能量、功能和物理等4方面进行综合，集成环境控制、热管理等各子系统的全部功能，从而实现功率最大化、功能多样化、结构集成化和能量综合化，使整个系统能源得到合理分配利用，提高能源利用率，使飞机性能达到最优。

3.1.1 功率最大化

随着飞机越来越多大功率电器部件的使用，5代机对第2动力系统功率需求将更加苛刻，同时受飞机尺寸限制，要求结构紧凑，质量轻便，因此大功率、小体积、轻质量，具有较高功重比的第2动力系统必将受到5代机青睐。

3.1.2 功能多样化

由在地面和有限飞行包线内提供辅助功能，在高空短时提供应急功能等单一能力，向全飞行包线、全飞行过程提供快速起动发动机、辅助能源、应急能源、环境控制（简称ECS）、热管理（简称TMS）等多功能方向发展。

3.1.3 结构集成化

从EPU、APU、ECS、TMS等子系统多套产品独立，向采用综合集成结构的组合动力装置方向发展，从而减轻质量，缩小体积，提高可靠性。

3.1.4 能量综合化

通过环境控制系统与热管理系统高度综合，并使空气循环与蒸发循环相互结合，从而形成热量和能量高度综合管理系统，以减少发动机能源浪费。

3.2 能量循环再生

临近空间高超声速飞行器是未来军、民用航空器的战略发展方向，被喻为是继螺旋桨、喷气推进飞行器之后世界航空史上的第3次革命。但是由于其使用冲压发动机，不能像传统使用燃气涡轮发动机（涡喷发动机或涡扇发动机）的飞机一样，通过飞机附件机匣提取轴功率，输出电能、液压能、气压能。例如，美国F-22飞机的组合动力装置虽然将吸气式燃气涡轮辅助动力装置和使用自备燃料的应急动力装置进行了物理集成，结构简单，能够全姿态工作，但其使用的氧化剂是自身携带的压缩空气，体积大、数量有限，仅适合短时间应急状态、低高度和低速度下的工作需求，不适合临近空间高速飞行器这样高度高、速度快的飞行器使用。

5代机由于飞行速度跨度极大，马赫数从0～6，甚至更高，高度从海平面稠密大气到高空稀薄大气，直至接近真空状态，单靠一种原理的发动机无法满足要求，有可能采用涡轮冲压组合发动机，在马赫数2以下采用涡轮喷气模式，在马赫数2以上采用冲压发动机模式。然而冲压发动机由于没有旋转部件，仅能提供推力，不能提供电力等辅助能源，因此必须研究与之相适应的第2动力系统，从而为飞机提供辅助能源和操作动力。

涡电综合能源系统就是基于高超声速飞行器能源系统特点和现有技术储备，以组合动力装置和冲压进气技术为基础研制的，能够独立于主发动机之外，在整个飞行过程中都可以使用的能源方案，如图2所示。在高速飞行冲压空气充足、以及涡轮温度限制允许范围内工作时，采用“引气”模式，利用冲压空气驱动第2动力系统涡轮组件工作，输出轴功率带动发电机，为飞机用电设备供电；在低速飞行冲压空气较少，或超高速飞行超出涡轮温度限制范围工作时，采用“燃料”模式，由自带燃料燃烧驱动第2动力系统涡轮动力组件工作，输出电功率。同时还可以通过储能装置，将多余的电功率储存起来，实现能量的循环利用；而且未来随着涡轮轴磁流发电技术的日益成熟，高速飞行器还可实现能量的再生利用[11-13]。

图2 高速飞行器能源系统原理

4 第2动力系统发展思路及措施建议

4.1 发展思路

综合国内第2动力系统技术基础，瞄准未来武器装备发展和平台使用需要，以5代机发展需求为牵引，借鉴国外先进产品发展经验，重点开展“动力热管理系统”和“涡电综合能源系统”相关研究工作，实现技术水平和研究开发能力的大幅跃升。

“动力热管理系统”，可以参考和借鉴美国F-22和F-35飞机第2动力系统设计经验，按照“结构、功能和能量综合”的发展思路，根据不同状态调整工作模式，合理分配和使用能源，最大限度提高能源利用率。

“涡电综合能源系统”，可以参考和借鉴美国X-37B飞机第2动力系统设计经验，按照“引气驱动涡轮发电、自带燃料驱动涡轮发电和涡轮轴磁流发电”的发展思路，实现能源的再生和利用。

4.2 措施建议

4.2.1 高度重视、列入规划

目前第2动力系统的发展往往容易被忽视，原因在于通常仅把它当作飞机的1个子系统，而没有认识到其对飞机和发动机的发展所起的不可缺少的作用。

第2动力系统核心是1种小型的涡轮发动机，具有高温、高压、高转速的工作特点，与航空发动机十分相似，作为起动发动机的关键环节，对作战飞机战斗力的发挥和提高具有重要作用，能够扩展飞行包线，提供应急能源，是飞机必不可少的关键系统，但其关键技术成熟度低，研制难度较大，如果重视不够，难以形成良好发展。将第2动力系统列入航空发动机发展规划中，有利于充分借鉴和利用航空发动机成熟技术，加速第2动力系统的发展。

4.2.2加强预研、加大投入

目前国内第2动力系统研制大多采用引进专利生产和样机测绘仿制2条技术路线，自行设计能力不足，与国外发展存在较大差距。因此，迫切需要大力加强预先研究，加大投资力度，按照“动力热管理系统”和“涡电综合能源系统”2条技术主线，同步开展技术基础研究和关键技术攻关，成熟1项，应用1项。

5 结束语

美、俄等世界军事强国已经在5代机的定位、典型技术特征和未来制空作战样式等方面开展了深入和细致地研究，中国如不抓紧开展5代机发展需求和技术预先研究，特别是针对第2动力系统，由于以前重视不够技术基础薄弱，如不提前规划发展路线，届时美俄等军事强国将继续对中国空中力量保持技术代差优势。通过深入研究第2动力系统发展历程，以及美国F-22和F-35等先进战斗机典型第2动力系统的发展规律，从中总结规律，分析预测未来5代机第2动力系统将以“动力热管理系统”和“涡电综合能源系统”为代表的2条发展方向，针对未来中国第2动力系统提出了发展思路和措施建议，规划其发展路线图，推动技术进步，起到一定的参考借鉴作用。

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