先進艦載機機電綜合技術發(fā)展研究

王守權，張凱旋，李大龍

（海軍航空大學青島校區(qū)，山東 青島 266041）

先進的艦載機由機體、發(fā)動機、機載系統(tǒng)與設備3個部分構成。其中，機載系統(tǒng)與設備又可分為兩大部分：航電設備/系統(tǒng)（Avionics Systems）和機電設備/系統(tǒng)（Aircraft System）。航電設備/系統(tǒng)是在飛機平臺上執(zhí)行或完成特定任務的，所以也叫任務系統(tǒng)；機電設備/系統(tǒng)是保證飛機飛離地面及完成飛行動作所必須的系統(tǒng)，或稱公共功能系統(tǒng)，機電系統(tǒng)的主要功能是確保飛機的正常飛行與安全，是飛機上除機體、發(fā)動機以及航電系統(tǒng)外幾乎所有的系統(tǒng)總和。二者的主要區(qū)別在于傳輸物質的不同。機電系統(tǒng)是飛機飛行必不可少的重要保障，隨著飛機性能的不斷提高，機電系統(tǒng)所承擔的飛行保障任務越來越重，使得傳統(tǒng)的機電系統(tǒng)正從各自獨立發(fā)展轉而向著機電一體化的方向發(fā)展[1]。

1 機電系統(tǒng)技術架構

機電系統(tǒng)作為飛機上涵蓋面最廣泛的系統(tǒng)，具有結構布局最復雜、體積質量最大、保障成本最高的特點。艦載機機電系統(tǒng)主要由圖1 所示的分系統(tǒng)組成，包括飛機的供電、液壓、燃油、環(huán)控、輪剎、收放起落架、防護救生、供氧、第二動力等。因此，增強艦載機整體作戰(zhàn)性能，機電系統(tǒng)性能的提升是必要的基礎和前提，而發(fā)展和應用機電技術將對艦載機的發(fā)展起到十分重要的作用。

圖1 航空機電系統(tǒng)技術架構

1.1 航空電力系統(tǒng)

飛機電源系統(tǒng)分為發(fā)電系統(tǒng)和配電系統(tǒng)2 部分。電源系統(tǒng)的主要作用是確保可靠地將符合要求的電能供應給相關電力設備，特別是直接關系到飛行安全的關鍵設備。

發(fā)電系統(tǒng)的組成主要包括主電源、二次電源、輔助電源和應急電源。主電源由機載發(fā)電機和電源控制保護裝置組成，發(fā)電機由發(fā)動機帶動發(fā)電，直接或間接地向飛機上所有用電設備供電。而二次電源的主要作用則是將部分主電源的電能轉換成為另一種頻率、電壓或電流的電能。輔助電源在地面用于維護飛機電氣設備和起動飛機發(fā)動機，或在飛行期間用于彌補主電源的不足。應急電源是一個獨立的電源。當飛機主電源在飛行過程中發(fā)生故障時，應急電源向飛機上的重要設備供電，保證飛機安全返航。

配電系統(tǒng)主要功能是實現(xiàn)電能的傳輸與分配，包括從發(fā)電機主接觸器到負載匯流條、二次電源到負載匯流條以及應急和備份電源到負載匯流條之間的傳輸電能的各種系統(tǒng)。配電系統(tǒng)還要確保向飛機各個部件可靠地輸配電能，管理多種電氣負載，保護使用電設備。配電系統(tǒng)主要由饋電電纜、匯流條、配電板、配電器部件等構成。

1.2 輔助動力系統(tǒng)

在飛機上加裝一套或幾套獨立于主發(fā)動機的動力系統(tǒng)，以提供電、液、氣和軸功率等，以滿足應急能源、發(fā)動機的起動以及其他輔助能源的不同需要，這類動力系統(tǒng)統(tǒng)稱為輔助動力系統(tǒng)。一般來說，第二動力系統(tǒng)通常是一種小型的渦輪發(fā)動機。應急動力裝置（EPU）、輔助動力裝置（APU）、綜合動力裝置（IPU/AEPU）和超級組合動力裝置（SIPU）等均屬于第二動力系統(tǒng)的范疇。

1.3 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)是由液壓控制裝置、能源裝置、執(zhí)行運行裝置，液壓油箱、蓄壓器、液壓管路以及油濾等裝置組成，它以油液為工作介質，依靠油壓帶動執(zhí)行機構實現(xiàn)具體的操縱動作。由液壓能源裝置把驅動機構的機械能變換為液壓動力，并通過油液和液壓管路把液壓動力輸送到執(zhí)行作動裝置，再把液壓動力變換為機械能，以達到作動負載的目的。

在現(xiàn)代飛機中，大部分有2 套（或多套）互相獨立的液壓系統(tǒng)，可分為以下2 種：一種是用于起落架、操縱前輪轉彎、襟翼和減速板、機輪剎車、驅動燃油泵和風擋雨刷的液壓馬達，被稱為主液壓系統(tǒng)（或公用液壓系統(tǒng)），同時它還用于驅動部分副翼、方向舵和升降舵（或全動平尾）的助力器；另一種叫作助力液壓系統(tǒng)，它用于驅動飛行操縱系統(tǒng)的阻尼舵機和助力器。

1.4 燃油系統(tǒng)

燃油系統(tǒng)是飛機上用于供給、傳輸和儲存燃油的整套裝置。要求是在一切飛行狀態(tài)和發(fā)動機工作條件下，能夠為發(fā)動機和輔助動力裝置提供合格的壓力和流量連續(xù)可靠的燃油供給。燃油系統(tǒng)還具有冷卻其他系統(tǒng)的工作介質（如滑油、液壓油）以及保持重心位置等作用。它通常由燃油管理系統(tǒng)、供/輸油系統(tǒng)、加/放油系統(tǒng)以及油箱組成。燃油管理系統(tǒng)具有供輸油管理、壓力加油管理、傳感器信號處理、故障管理及系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理等功能。

1.5 環(huán)境控制系統(tǒng)

飛機環(huán)境控制系統(tǒng)的作用包括兩方面：一是為機上的各種電子設備提供正常的工作環(huán)境；二是保證飛機座艙內(nèi)空氣的壓力、濕度、溫度等參數(shù)滿足人體生理要求。飛機環(huán)境控制系統(tǒng)由引氣分系統(tǒng)、加溫和制冷分系統(tǒng)、空氣分配分系統(tǒng)、調節(jié)控制分系統(tǒng)以及顯示設備組成。引氣分系統(tǒng)主要保證座艙增壓和通風的供氣源，加溫和制冷分系統(tǒng)負責艙內(nèi)溫度調節(jié)，空氣分配分系統(tǒng)負責將經(jīng)過調溫的通風空氣均勻地輸入并分布于座艙內(nèi)，調節(jié)控制分系統(tǒng)負責艙內(nèi)壓力調節(jié)、溫度調節(jié)、濕度調節(jié)以及供氣調節(jié)等，顯示設備是用以顯示各種壓力、溫度、流量等情況。

2 國外機電綜合技術現(xiàn)狀

現(xiàn)代大型客機在系統(tǒng)的綜合化控制與管理方面應用已較為成熟[2]。在軍用飛機方面，美國空軍率先開展一系列機電系統(tǒng)綜合研究計劃。隨著飛機的現(xiàn)代化進程，要求機電系統(tǒng)在二次能源的產(chǎn)生、傳輸和利用上更為高效，同時又要保證機電系統(tǒng)質量輕、體積小，系統(tǒng)性能、可靠性和維護性高。為此，美國空軍從20世紀80年代開始以能量為主線實施了一系列機電系統(tǒng)綜合研究計劃：首先從機電系統(tǒng)控制入手，開展了公共設備管理系統(tǒng)（UMS）計劃，實現(xiàn)機電系統(tǒng)控制層面的綜合；進而從熱管理和二次能源優(yōu)化方面入手，相繼開展了“熱油箱”燃油熱管理系統(tǒng)計劃、多電飛機（MEA）計劃、子系統(tǒng)綜合技術演示驗證計劃，實現(xiàn)子系統(tǒng)級功能綜合；目前又著眼于下一代高能武器裝備的整機能量管理需求，開展了飛行器能量綜合技術（INVENT）計劃和能量優(yōu)化飛機（EOA）計劃，實現(xiàn)飛機能量綜合與優(yōu)化。國外機電綜合技術發(fā)展重點有以下4 個方面。

2.1 機電綜合管理技術

機電綜合管理技術是以綜合控制性能最優(yōu)為設計理念，開展機電綜合管理系統(tǒng)需求分析，進行基于模型的機電綜合管理系統(tǒng)頂層設計與仿真技術研究，提出機電綜合管理系統(tǒng)總體要求、系統(tǒng)體系結構、關鍵功能/部件初步需求，構建機電綜合管理系統(tǒng)設計以及驗證評估環(huán)境。隨著機電系統(tǒng)的綜合化發(fā)展，機電綜合管理朝著智能化方向發(fā)展，并在更高層次上與飛行控制、發(fā)動機管理、任務系統(tǒng)進行一體化設計。

2.2 自適應動力與熱管理系統(tǒng)技術

動力與熱管理系統(tǒng)（PTMS）把輔助動力、環(huán)境控制組合成一個系統(tǒng)，對渦輪機械系統(tǒng)和電力管理系統(tǒng)作了集成，把輔助動力裝置、應急動力裝置、閉式空氣循環(huán)環(huán)境控制系統(tǒng)和開關磁阻啟動/發(fā)電機綜合在一個軸上，同一渦輪既可以提供動力又可以提供冷卻功能，從而減輕質量、縮小體積、提高可靠性。PTMS能夠在整個飛行包線內(nèi)為主發(fā)動機提供起動電源，為飛機提供冷卻功能，并在主系統(tǒng)發(fā)生故障時提供應急電源，目前已成功應用于F35 戰(zhàn)機。自適應動力與熱管理系統(tǒng)（APTMS）源于PTMS，APTMS 作為下一代動力與熱管理系統(tǒng)，最大特點是具有自適應性，可根據(jù)不同工況調整其工作模式，自動選擇最佳動力源和熱沉源，從而到達整體效率最高、成本最低的目的。在APTMS 中，引氣不再是唯一的動力源，閑置電功率也被當作動力源使用。APTMS 處于冷卻模式時，向飛機航電設備提供的電功率很小，系統(tǒng)有大量閑置電功率，因此APTMS 智能地讓電機轉為使用閑置電功率驅動系統(tǒng)，減少了燃油的消耗，提高了飛機能量利用率。

2.3 高性能電作動技術

高性能電作動技術（HPEAS）是實現(xiàn)能量優(yōu)化飛機的關鍵子系統(tǒng)之一，其核心部件機電作動器（EMA）與傳統(tǒng)液壓作動器相比具有絕對優(yōu)勢。采用的關鍵技術包括減輕功率和質量要求的金屬氧化物半導體控制技術，實現(xiàn)電動環(huán)控系統(tǒng)，冷卻風扇和燃油泵的脈寬調制的電動機變速控制技術及微處理機技術，具有容錯能力的機電作動器和電靜液作動器以及高壓直流稀土永磁無刷電機和開關磁阻電機技術。

2.4 燃油熱管理系統(tǒng)

燃油熱管理系統(tǒng)通過環(huán)控系統(tǒng)的液冷熱交換器、液壓系統(tǒng)熱交換器和潤滑系統(tǒng)熱交換器等，利用燃油作為整機熱載荷的熱沉，從而實現(xiàn)對機電系統(tǒng)的燃油熱管理，減小了系統(tǒng)質量，提高了整個飛機性能。

3 先進艦載機機電技術發(fā)展方向

隨著設計理念的轉變，機電系統(tǒng)的設計開始以全機性能最優(yōu)為目標，而不是追求某一單項功能的最佳化，打破了傳統(tǒng)機電系統(tǒng)相互獨立的格局，于是就有了實現(xiàn)各機電子系統(tǒng)之間信息共享的機電一體化管理系統(tǒng)，同時又與飛機的其他系統(tǒng)相連接，使信息高度融合，從而使飛機的總體性能得到優(yōu)化。

國內(nèi)在役飛機的機電系統(tǒng)都是各自獨立發(fā)展的，從而導致整個機電系統(tǒng)的質量非常大、采購和保障費用高、維修性差、能量管理水平低，使機電系統(tǒng)成為飛機上“攤子”最大、最雜亂的系統(tǒng)。唯一的解決辦法是揚棄傳統(tǒng)機電系統(tǒng)的設計理念和結構，采用系統(tǒng)綜合化技術，使不同的系統(tǒng)共用一些部件或者合并一些系統(tǒng)的功能。在對機體、發(fā)動機和各系統(tǒng)的技術發(fā)展趨勢進行研究和分析的基礎上，從功能、控制、物理和能量4 個方面來實現(xiàn)機載機電系統(tǒng)的綜合化[3]。實施通常分為2 個階段：第一階段是進行公共設備管理系統(tǒng)的綜合，即在沒有改變傳統(tǒng)機電系統(tǒng)結構的基礎上，對各機電子系統(tǒng)進行控制和熱能的集成管理，從而達到控制和能量的綜合；第二個階段是進行多電飛機技術的研究，這一研究是在繼公共設備管理系統(tǒng)以后，對機電系統(tǒng)的進一步綜合，打破了傳統(tǒng)的機電系統(tǒng)各自單獨運行的模式，通過電力系統(tǒng)代替飛機中的液壓、氣壓、機械系統(tǒng)，從而達到在功能、能量、控制、物理4 個方面全面綜合的目標。

隨著功率優(yōu)化飛機計劃、多電飛機計劃等機電系統(tǒng)綜合計劃的實施，機電系統(tǒng)已經(jīng)逐漸成為飛機二次能源（電能、氣壓能、機械能、液壓能）集成化、系統(tǒng)化的源泉和載體，目標是實現(xiàn)“全電”飛機的功能、能量、控制、物理的全面綜合。中國艦載機的現(xiàn)代化進程正逐步加快，尤其是要求第四代戰(zhàn)斗機要滿足隱形要求，還有具備超音速巡航和超機動能力以及超級信息優(yōu)勢，必須不斷努力推進機電系統(tǒng)向綜合化、多電化、能量化和智能化的方向發(fā)展，形成全機能量綜合管理的技術支撐，才能滿足新一代戰(zhàn)機對機電系統(tǒng)的體積、質量、可靠性以及在二次能源的產(chǎn)生、傳輸和利用上的效率提出的更高要求。