先进舰载机机电综合技术发展研究

王守权，张凯旋，李大龙

（海军航空大学青岛校区，山东 青岛 266041）

先进的舰载机由机体、发动机、机载系统与设备3个部分构成。其中，机载系统与设备又可分为两大部分：航电设备/系统（Avionics Systems）和机电设备/系统（Aircraft System）。航电设备/系统是在飞机平台上执行或完成特定任务的，所以也叫任务系统；机电设备/系统是保证飞机飞离地面及完成飞行动作所必须的系统，或称公共功能系统，机电系统的主要功能是确保飞机的正常飞行与安全，是飞机上除机体、发动机以及航电系统外几乎所有的系统总和。二者的主要区别在于传输物质的不同。机电系统是飞机飞行必不可少的重要保障，随着飞机性能的不断提高，机电系统所承担的飞行保障任务越来越重，使得传统的机电系统正从各自独立发展转而向着机电一体化的方向发展[1]。

1 机电系统技术架构

机电系统作为飞机上涵盖面最广泛的系统，具有结构布局最复杂、体积质量最大、保障成本最高的特点。舰载机机电系统主要由图1 所示的分系统组成，包括飞机的供电、液压、燃油、环控、轮刹、收放起落架、防护救生、供氧、第二动力等。因此，增强舰载机整体作战性能，机电系统性能的提升是必要的基础和前提，而发展和应用机电技术将对舰载机的发展起到十分重要的作用。

图1 航空机电系统技术架构

1.1 航空电力系统

飞机电源系统分为发电系统和配电系统2 部分。电源系统的主要作用是确保可靠地将符合要求的电能供应给相关电力设备，特别是直接关系到飞行安全的关键设备。

发电系统的组成主要包括主电源、二次电源、辅助电源和应急电源。主电源由机载发电机和电源控制保护装置组成，发电机由发动机带动发电，直接或间接地向飞机上所有用电设备供电。而二次电源的主要作用则是将部分主电源的电能转换成为另一种频率、电压或电流的电能。辅助电源在地面用于维护飞机电气设备和起动飞机发动机，或在飞行期间用于弥补主电源的不足。应急电源是一个独立的电源。当飞机主电源在飞行过程中发生故障时，应急电源向飞机上的重要设备供电，保证飞机安全返航。

配电系统主要功能是实现电能的传输与分配，包括从发电机主接触器到负载汇流条、二次电源到负载汇流条以及应急和备份电源到负载汇流条之间的传输电能的各种系统。配电系统还要确保向飞机各个部件可靠地输配电能，管理多种电气负载，保护使用电设备。配电系统主要由馈电电缆、汇流条、配电板、配电器部件等构成。

1.2 辅助动力系统

在飞机上加装一套或几套独立于主发动机的动力系统，以提供电、液、气和轴功率等，以满足应急能源、发动机的起动以及其他辅助能源的不同需要，这类动力系统统称为辅助动力系统。一般来说，第二动力系统通常是一种小型的涡轮发动机。应急动力装置（EPU）、辅助动力装置（APU）、综合动力装置（IPU/AEPU）和超级组合动力装置（SIPU）等均属于第二动力系统的范畴。

1.3 液压系统

液压系统是由液压控制装置、能源装置、执行运行装置，液压油箱、蓄压器、液压管路以及油滤等装置组成，它以油液为工作介质，依靠油压带动执行机构实现具体的操纵动作。由液压能源装置把驱动机构的机械能变换为液压动力，并通过油液和液压管路把液压动力输送到执行作动装置，再把液压动力变换为机械能，以达到作动负载的目的。

在现代飞机中，大部分有2 套（或多套）互相独立的液压系统，可分为以下2 种：一种是用于起落架、操纵前轮转弯、襟翼和减速板、机轮刹车、驱动燃油泵和风挡雨刷的液压马达，被称为主液压系统（或公用液压系统），同时它还用于驱动部分副翼、方向舵和升降舵（或全动平尾）的助力器；另一种叫作助力液压系统，它用于驱动飞行操纵系统的阻尼舵机和助力器。

1.4 燃油系统

燃油系统是飞机上用于供给、传输和储存燃油的整套装置。要求是在一切飞行状态和发动机工作条件下，能够为发动机和辅助动力装置提供合格的压力和流量连续可靠的燃油供给。燃油系统还具有冷却其他系统的工作介质（如滑油、液压油）以及保持重心位置等作用。它通常由燃油管理系统、供/输油系统、加/放油系统以及油箱组成。燃油管理系统具有供输油管理、压力加油管理、传感器信号处理、故障管理及系统数据管理等功能。

1.5 环境控制系统

飞机环境控制系统的作用包括两方面：一是为机上的各种电子设备提供正常的工作环境；二是保证飞机座舱内空气的压力、湿度、温度等参数满足人体生理要求。飞机环境控制系统由引气分系统、加温和制冷分系统、空气分配分系统、调节控制分系统以及显示设备组成。引气分系统主要保证座舱增压和通风的供气源，加温和制冷分系统负责舱内温度调节，空气分配分系统负责将经过调温的通风空气均匀地输入并分布于座舱内，调节控制分系统负责舱内压力调节、温度调节、湿度调节以及供气调节等，显示设备是用以显示各种压力、温度、流量等情况。

2 国外机电综合技术现状

现代大型客机在系统的综合化控制与管理方面应用已较为成熟[2]。在军用飞机方面，美国空军率先开展一系列机电系统综合研究计划。随着飞机的现代化进程，要求机电系统在二次能源的产生、传输和利用上更为高效，同时又要保证机电系统质量轻、体积小，系统性能、可靠性和维护性高。为此，美国空军从20世纪80年代开始以能量为主线实施了一系列机电系统综合研究计划：首先从机电系统控制入手，开展了公共设备管理系统（UMS）计划，实现机电系统控制层面的综合；进而从热管理和二次能源优化方面入手，相继开展了“热油箱”燃油热管理系统计划、多电飞机（MEA）计划、子系统综合技术演示验证计划，实现子系统级功能综合；目前又着眼于下一代高能武器装备的整机能量管理需求，开展了飞行器能量综合技术（INVENT）计划和能量优化飞机（EOA）计划，实现飞机能量综合与优化。国外机电综合技术发展重点有以下4 个方面。

2.1 机电综合管理技术

机电综合管理技术是以综合控制性能最优为设计理念，开展机电综合管理系统需求分析，进行基于模型的机电综合管理系统顶层设计与仿真技术研究，提出机电综合管理系统总体要求、系统体系结构、关键功能/部件初步需求，构建机电综合管理系统设计以及验证评估环境。随着机电系统的综合化发展，机电综合管理朝着智能化方向发展，并在更高层次上与飞行控制、发动机管理、任务系统进行一体化设计。

2.2 自适应动力与热管理系统技术

动力与热管理系统（PTMS）把辅助动力、环境控制组合成一个系统，对涡轮机械系统和电力管理系统作了集成，把辅助动力装置、应急动力装置、闭式空气循环环境控制系统和开关磁阻启动/发电机综合在一个轴上，同一涡轮既可以提供动力又可以提供冷却功能，从而减轻质量、缩小体积、提高可靠性。PTMS能够在整个飞行包线内为主发动机提供起动电源，为飞机提供冷却功能，并在主系统发生故障时提供应急电源，目前已成功应用于F35 战机。自适应动力与热管理系统（APTMS）源于PTMS，APTMS 作为下一代动力与热管理系统，最大特点是具有自适应性，可根据不同工况调整其工作模式，自动选择最佳动力源和热沉源，从而到达整体效率最高、成本最低的目的。在APTMS 中，引气不再是唯一的动力源，闲置电功率也被当作动力源使用。APTMS 处于冷却模式时，向飞机航电设备提供的电功率很小，系统有大量闲置电功率，因此APTMS 智能地让电机转为使用闲置电功率驱动系统，减少了燃油的消耗，提高了飞机能量利用率。

2.3 高性能电作动技术

高性能电作动技术（HPEAS）是实现能量优化飞机的关键子系统之一，其核心部件机电作动器（EMA）与传统液压作动器相比具有绝对优势。采用的关键技术包括减轻功率和质量要求的金属氧化物半导体控制技术，实现电动环控系统，冷却风扇和燃油泵的脉宽调制的电动机变速控制技术及微处理机技术，具有容错能力的机电作动器和电静液作动器以及高压直流稀土永磁无刷电机和开关磁阻电机技术。

2.4 燃油热管理系统

燃油热管理系统通过环控系统的液冷热交换器、液压系统热交换器和润滑系统热交换器等，利用燃油作为整机热载荷的热沉，从而实现对机电系统的燃油热管理，减小了系统质量，提高了整个飞机性能。

3 先进舰载机机电技术发展方向

随着设计理念的转变，机电系统的设计开始以全机性能最优为目标，而不是追求某一单项功能的最佳化，打破了传统机电系统相互独立的格局，于是就有了实现各机电子系统之间信息共享的机电一体化管理系统，同时又与飞机的其他系统相连接，使信息高度融合，从而使飞机的总体性能得到优化。

国内在役飞机的机电系统都是各自独立发展的，从而导致整个机电系统的质量非常大、采购和保障费用高、维修性差、能量管理水平低，使机电系统成为飞机上“摊子”最大、最杂乱的系统。唯一的解决办法是扬弃传统机电系统的设计理念和结构，采用系统综合化技术，使不同的系统共用一些部件或者合并一些系统的功能。在对机体、发动机和各系统的技术发展趋势进行研究和分析的基础上，从功能、控制、物理和能量4 个方面来实现机载机电系统的综合化[3]。实施通常分为2 个阶段：第一阶段是进行公共设备管理系统的综合，即在没有改变传统机电系统结构的基础上，对各机电子系统进行控制和热能的集成管理，从而达到控制和能量的综合；第二个阶段是进行多电飞机技术的研究，这一研究是在继公共设备管理系统以后，对机电系统的进一步综合，打破了传统的机电系统各自单独运行的模式，通过电力系统代替飞机中的液压、气压、机械系统，从而达到在功能、能量、控制、物理4 个方面全面综合的目标。

随着功率优化飞机计划、多电飞机计划等机电系统综合计划的实施，机电系统已经逐渐成为飞机二次能源（电能、气压能、机械能、液压能）集成化、系统化的源泉和载体，目标是实现“全电”飞机的功能、能量、控制、物理的全面综合。中国舰载机的现代化进程正逐步加快，尤其是要求第四代战斗机要满足隐形要求，还有具备超音速巡航和超机动能力以及超级信息优势，必须不断努力推进机电系统向综合化、多电化、能量化和智能化的方向发展，形成全机能量综合管理的技术支撑，才能满足新一代战机对机电系统的体积、质量、可靠性以及在二次能源的产生、传输和利用上的效率提出的更高要求。