美军四代机第二动力系统技术分析与发展趋势

2021-09-24刘辉仁田宏星

燃气涡轮试验与研究 2021年3期

刘辉仁，田宏星

(中国航发湖南动力机械研究所，湖南株洲 412002)

1 引言

飞机第二动力系统是指独立于主发动机，为机载设备提供辅助、应急能源并能起动主发动机的系统，对提高飞机自主保障能力、生存力具有非常重要的作用[1]。传统的第二动力系统的动力装置，包括辅助动力装置(APU)和应急动力装置(EPU)这两种为飞机/发动机提供次级能源的设备[2]。在四代机出现之前，APU 和EPU 均有其独立的技术发展途径，但随着四代机高性能、高技术指标的提出，第二动力系统的研发呈现出新的发展趋势。本文以F-22、F-35战斗机为研究对象，分析总结了四代机第二动力系统的技术特点以及发展思路，以期为飞机第二动力系统未来的研发提供参考。

2 第二动力系统

图1给出了传统第二动力系统的原理图。由图可看出，APU 和EPU 在飞机上是分开布置、各司其职、分时独立工作的，两者在结构上都有各自的齿轮箱、发电机、液压泵等。

图1 传统第二动力系统原理图Fig.1 The schematic diagram of traditional secondary power system

APU本质上就是一台装在飞机上的小型航空燃气涡轮发动机[3]，属于第二动力系统核心设备。APU通常在地面工作，需要时也可在空中工作，为主发动机的起动和飞机提供能源(电、液压、压缩空气)，其结构示意图见图2。APU 从外界环境吸入空气，空气经压气机压缩后，一部分被引出用于起动主发动机和飞机环控系统，另一部分则进入燃烧室，与雾化后的燃油混合燃烧生成高温高压燃气，之后燃气进入涡轮膨胀做功，带动压气机旋转，同时驱动齿轮箱上的发电机和液压泵输出电源及液压源。APU 以机上燃油和外界环境大气为工质，因此可以长时间持续工作，工作高度通常在13 km以下。

图2 气压型APU结构示意图Fig.2 The structural diagram of pressure APU

由于APU 起动过程需要30～60 s 的时间，无法满足采用电传操纵和静不安定技术飞机的需求(这类飞机不允许电力/液压的长时间中断)，为此飞机的第二动力系统使用EPU 快速起动(2～5 s 内)并为飞机提供应急用的液压源和电源，用于调整、控制飞机姿态。部分飞机使用冲压空气涡轮来解决应急能源的问题，还有部分飞机则采用燃料型EPU，其结构示意图见图3。EPU 工作时，机载高压气瓶的高压空气减压后进入燃烧室，与雾化后的燃油混合燃烧生成高温燃气，之后燃气冲击涡轮做功，驱动齿轮箱上的发电机和液压泵为飞机提供应急能源[4]。EPU使用的燃料包括单组元燃料(H-70肼)和双组元燃料(煤油+压缩空气)。受空间限制，机上能够携带的高压空气有限，因此EPU的工作时间不长。

图3 应急动力装置结构示意图Fig.3 The structural diagram of EPU

四代机出现以前，APU和EPU都按各自独立的轨迹发展，未发生交集。其中APU在为主发动机提供起动能源这一基本功能上，逐渐增加了为飞机提供辅助能源的功能，同时不断采用新技术提高自身的性能、寿命和可靠性。EPU 则一直围绕如何更好更快更环保地提供应急能源这一核心要务不断进行探索，先后开发出空气应急型(冲压空气涡轮)、压缩空气应急型、燃料应急型(单组元燃料和双组元燃料)等多种型式。

随着四代机作战功能/性能要求的提高，其复杂程度大大增加，机体内的空间愈显紧张。为更好地解决功能/性能与体积、质量之间日益突出的矛盾，第二动力系统逐渐开始从个体能力提升转向系统综合优化，美国的F-22 和F-35 战斗机就是如此。本文就这两型战斗机第二动力系统的技术特点进行描述，并分析其发展思路。

2 F-22战斗机第二动力系统技术特点

F-22战斗机是由洛克希德·马丁和波音公司联合研制的单座双发高隐身第四代战斗机，源自于1981年起动的美国先进战术战斗机计划，2005年末形成初步作战能力，是世界上第一种进入服役的第四代战斗机，侧重于争夺制空权。

F-22 战斗机的第二动力系统采用物理组合的思路，利用APU 和EPU 各自都有一套齿轮箱、发电机、液压泵的特点，将APU 和EPU 组合到同一个齿轮箱上，EPU 既充当APU 的起动机，又和APU 分时驱动齿轮箱上的发电机和液压泵，这个新的装置被称为组合动力装置(IPU)，见图4。与传统分开布置的APU和EPU相比，IPU至少减少了一套齿轮箱、液压泵、发电机和起动电机，既节省了机上空间，又减轻了40%左右的质量[5-6]。

图4 F-22战斗机的组合动力装置Fig.4 The IPU of F-22 fighter

IPU的工作模式分为APU和EPU两种。APU工作模式下，EPU用来起动APU，APU则在有限高度范围内提供轴功率驱动齿轮箱上的发电机和液压泵，同时也可提供压缩空气用于主发动机的起动或飞机的环控系统。EPU 工作模式下，EPU 在飞行全包线范围内、应急条件下输出轴功率给齿轮箱，驱动其上的发电机和液压泵，同时EPU 也以50%额定转速带动APU空转。当飞机高度降低到APU起动高度时，APU点火起动并接替EPU的工作，实现无缝切换和能源的持续输出。上述功能成功完成的关键在于高可靠性的两速三离合齿轮箱以及两个工作模式之间的稳定切换控制。

F-22 战斗机的IPU 由美国加雷特公司(已并入霍尼韦尔公司)研制，该公司的设计师们后续仍在不断尝试优化IPU 的结构，提出了更加紧凑的IPU 构型，并申请了相关专利。图5 示出了其中一种优化构型[7]。该构型使得APU 直接具备了EPU 的功能，主要技术手段是在压气机的进口设置了进口导叶，在出口设置了出口挡板。当IPU在APU模式下工作时，进口导叶打开，外界气流进入压气机被压缩，冲开出口挡板进入燃烧室燃烧，高温高压燃气进入涡轮膨胀降温的同时输出功率驱动齿轮箱上的发电机和液压泵。当IPU 在EPU 模式下工作时，压气机进口导叶和出口挡板关闭，压气机在近似密闭的空间内空转，机载空气罐的高压空气经减压后从燃烧室头部进入燃烧室内燃烧，高温高压燃气进入涡轮膨胀做功[8-9]，驱动齿轮箱上的液压泵和发电机输出应急用能源。当飞行高度降低到APU 模式的工作包线范围内时，进口导叶和出口挡板打开，IPU 转入APU模式工作。

图5 优化的组合动力装置构型Fig.5 The optimized configuration of IPU

3 F-35战斗机第二动力系统技术特点

F-35战斗机是由洛克希德·马丁设计生产的单座单发战斗攻击机，源自于1993年启动的美国联合攻击战斗机计划，2016 年末形成初步作战能力，侧重于对地攻击。由于F-35战斗机研制时间较F-22战斗机约晚10年的缘故，其系统的研制理念和架构有较大的提升。

尽管F-22 战斗机将APU 和EPU 组合到一起，很好地实现了缩尺减重的目标，但IPU 在飞机飞行的大部分时间内还是不工作的，从时间管理和资源利用的角度上仍未得到充分发挥[10]。在联合攻击战斗机(F-35 战斗机前身)集成子系统技术(J/IST)演示验证项目的牵引下，霍尼韦尔公司开展了热能/能量管理系统(T/EMM)的开发和演示验证。即在IPU 原有功能的基础上增加了热管理功能，使得第二动力系统在飞行过程中也参与工作，为飞机的热管理系统提供冷却，从而大大提高系统的利用率。2000年，演示验证项目大获成功，相关技术被引入F-35战斗机中，第二动力系统演化成了动力与热管理系统(PTMS)[11]，IPU 演化成了综合动力包(IPP)，如图6所示。

图6 F-35的综合动力装置Fig.6 The IPP of F-35 fighter

由图6 可见，IPP 采用单转子结构，轴上装有单级离心压气机、燃烧室、向心涡轮、同轴直驱的高速起动/发电机、冷却涡轮。地面工作时，IPP的工作方式与IPU的基本一致，区别在于IPP仅输出270 V的高压直流电，以适应F-35 战斗机多电化的需要[12]。空中飞行时，IPP工作在冷却模式下，飞机环控系统的热空气通过IPP 的冷却涡轮降温后，一部份提供给座舱环控，一部分用来冷却机上电子设备，此时的核心机和起动/发电机不工作，作为吸收冷却涡轮功率的负载。这个工作模式充分利用了IPP的空闲时间，大大提高了使用效率。空中应急时，IPP在冷却模式的转速基础上，辅以大功率起动/发电机的带转，能够很快成功起动并驱动起动/发电机输出应急用电功率，保证飞行安全。