孙友师 ¦ 美空军启动“下一代热、电力与控制”计划

飞机机电系统是指包括飞机燃油、液压、电力、环控等系统在内的对平台起支撑和保障功能的机载系统的总称，其性能和技术水平直接影响飞机的任务效能。美空军一直十分重视飞机机电系统技术的先期研究，在机电系统领域进行了长期的投资。为了满足下一代战斗机电力和热管理等需求，美空军在2016年启动了一项“下一代热、电力与控制”（NGT-PAC）的科研计划，2017年8月完成了第一阶段合同的签订。

美空军在2011年公布的军机电力与热管理需求演进与预测图（美空军图片）一、NGT-PAC计划概况1. NGT-PAC计划提出的背景美空军认为，为了在未来对抗环境中保持空中优势，下一代战斗机必须具备先进电子攻击、高功率激光武器、隐身等先进能力，这些能力对电力系统和热管理系统都提出了严峻挑战。此外，复合材料蒙皮、高效率发动机和高度嵌入的飞行器系统将使得飞机散热更加困难，加剧了热管理方面的技术挑战。为了应对挑战，美空军先后实施了“飞行器能量综合技术”（INVENT）计划、“综合推进、动力与热管理技术”等多项计划。INVENT计划于2017年结束后，美空军将启动“兆瓦级战术飞机”计划继续开展研究。相关信息表明，NGT-PAC计划与“兆瓦级战术飞机”计划密切相关。

美空军在2012年公布的“飞行器能量综合技术”计划近期、中期和远期目标（美空军图片）2. NGT-PAC计划的经费、周期及招投标情况2016年底至2017年初，美空军开始为NGT-PAC计划招标。根据招标文件，NGT-PAC计划密级为绝密级（Top Secret），总经费4.09亿美元，研究周期为7年。合同授予方式采用不确定交付／不确定数量（IDIQ）合同，由基础合同和一系列任务订单组成。基础合同规定总的研究目标和研究范围。任务订单分阶段签订，规定具体的阶段性研究内容。研究工作按发动机和机体两方面来组织。2017年6月30日至8月中旬，美空军先后与洛克希德·马丁、诺斯罗普·格鲁门、通用电气、普特拉·惠特尼、霍尼韦尔和波音等公司签订了NGT-PAC计划初始任务订单（即第一阶段）合同，标志该计划研究工作正式开始。二、NGT-PAC计划研究目标与研究内容NGT-PAC计划的研究目标为：增进对未来热、电力和控制需求的知识和理解；通过演示验证项目，证明热、电力与控制组件和架构的技术可行性，评估其使用性和生产性，推动技术发展；通过采用现有机体和发动机作为试验台，提高技术的经济可承受性。NGT-PAC研究范围包括：面向发动机的11个投资领域和面向机体的17个投资领域，其中有9个领域是面向发动机和机体的共同投资领域，单独面向发动机投资的领域有2个，单独面向机体投资的领域有8个。1. 面向发动机和机体共同的投资领域NGT-PAC计划是一个综合性的研究计划，面向发动机和机体共同投资的9个领域涉及电力技术、热管理技术和控制技术，并强调架构与综合研究，同时也关注研究工具与方法（计算工程、系统分析）的研究。主要研究内容如下：（1）电力与热管理架构与综合该领域主要研究电力系统／热管理系统与发动机／航空平台进行综合的解决方案，分析综合解决方案中各系统交互的动态行为，开发电力系统／热管理系统与发动机的接口组件，研究电力系统／热管理系统对发动机的影响等。

美空军在“飞行器能量综合技术”计划中，围绕能量综合，通过基于模型的设计，针对发动机（ENGINE）、燃油热管理系统（FTMS）、自适应电力与热管理系统（APTMS）、飞行器系统（AVS）、高性能机电作动系统（HPEAS）、鲁棒的电源系统（REPS）建立了综合模型（美空军图片）（2）航空控制系统该领域主要研究支持先进发动机和机体平台（包括高速／高超声速平台和下一代战斗机／无人机）的动力学控制技术，包括可容纳不确定性的导航与自适应控制技术，进行飞行包线大小和／或机动性及其他性能的权衡分析等。（3）状态感知和实时响应该领域主要研究可增强态势感知能力和提高机体平台内部系统／子系统和平台外部环境协调性的技术，包括平台外部状态评估方法、可用资源估算方法、以及在系统之间动态进行能源和载荷共享、转移和确定优先度的方法等。（4）计算工程该领域主要研究用于飞机电力和热管理系统的系统级建模和硬件模拟的技术、工具和方法，进行各种连续任务中子系统和系统级的行为预测与分析，开发可广泛应用于飞机电力与热管理系统研制的验证与确认方法等。（5）热管理系统该领域主要研究改善热能采集、输送和排放的技术，包括基础热科学研究、两相材料应用研究、自适应和混合热循环系统研究、热管理系统多尺度建模与仿真、高功率／短工作周期热载荷的热管理技术研究等。（6）电力系统该领域主要研究实现鲁棒、可靠和高效的电源管理、存储和分配的技术，包括高温电子器件碳化硅应用研究、先进电力控制和分配组件（如电存储器和固态配电装置）研究、电源系统架构研究、电力系统稳定性分析等。（7）机电能源转换系统该领域主要研究用于改善电能－机械能转换系统的尺寸、重量和效率的技术，包括高可靠薄机翼作动器、小型高功率发电机等。（8）无人机电力与控制该领域主要研究用于拓展和增强无人系统能力的电力和控制技术，包括燃料电池、高功率密度安全电池、同时使功率和能量最大化的混合电力系统等。

美空军长期关注无人机可用的太阳能发电技术的进展，图为美空军研究实验室统计的1975－2011年太阳能电池研究效率提升历程图。截至2011年，已知的研究中，太阳能电池的最高效率达到了超过43.5%（美空军研究实验室图片）（9）系统分析该领域主要研究开发和利用基于仿真的研发能力／技术、以增强广泛的技术研究活动的方法，包括分析、建模和仿真三个方面。分析方面研究概率方法、统计方法、优化方法、非线性方法等；建模方面研究不同等级的逼真度／抽象方法、各种仿真框架、仿真设计／综合方法等；仿真方面实现工程级、交战级、任务级和战役级虚拟和物理仿真之间的过渡。2. 面向发动机单独投资的领域面向发动机单独投资的2个领域：热管理系统与发动机的综合；发动机功率提取。研究内容涉及热管理系统向发动机气流和燃油排热问题，包括降低引气等因素对发动机性能和运行性影响的技术，热交换器与发动机的综合、能量存储技术、载荷共享技术和先进的发动机控制技术等。已经签订的面向发动机的初始任务订单题目为“高功率改进”，目标是研究双轴功率提取技术用于现有战斗机和轰炸机发动机的可行性。双轴功率提取技术是指，在发动机的高压涡轮轴和低压涡轮轴上同时提取功率，以克服同一个轴上提取功率导致发电机体积过大的问题。任务订单要求承包商改装一种熟悉的战斗机或轰炸机发动机，评估改装对任务约束、体积及重量的影响。3. 面向机体单独投资的领域面向机体单独投资的8个领域包括：空域综合、自动防撞技术、战术自主性、自主系统的验证与确认技术、机体外形变化气动影响分析、增强机动性运行、平台综合、无人机空中发射系统。这些领域研究内容主要包括：支持无人系统在所有空域和空军基地安全高效运行的技术、支持有人飞机在空中自动安全飞行的技术、支持战术环境中有人／无人编队的技术、提升武器系统性能相关技术、电力和热管理系统综合到机体平台相关技术、从空中平台发射小型无人机相关技术等。已经签订的面向机体的初始任务订单题目为“定向能武器热管理和电力系统改进”，目标是评估在现有战斗机和轰炸机上安装激光武器带来的影响，要求承包商选择一种熟悉的战斗机或轰炸机进行改装，开展概念设计，评估可行性，分析改装对航程、载重、任务能力的影响，估算改装成本。

美空军在2015年提出的机载激光武器技术路线图（美空军图片，中国航空工业发展研究中心汉化）三、启示与建议美国军用飞机机电系统技术水平领先于其他国家，这得益于美空军在该领域的长期投资。NGT-PAC计划是美空军研究实验室领导的一项新的综合性研究计划，该计划在电力、热管理和控制领域在此前实施的相关计划和研究项目基础上，持续、深入地开展基础研究、应用研究、先进技术开发和演示验证，为美国下一代飞机研制做好技术储备。我国飞机机电系统近几年虽然取得较大进步，但与美国先进水平相比仍有巨大差距，在顶层设计能力、关键技术储备和研发手段方面均无法满足未来型号发展需要。如果不提前规划研究，机电系统有可能成为我国航空工业继发动机之后的又一个“瓶颈”问题。因此，亟需夯实基础、弥补短板、创新超越，推动我国飞机机电技术跨越式发展。包括本篇在内，孙友师先生已为《空天防务观察》提供4篇专栏文章，如下表：序号篇名发表日期1美空军开展支持兆瓦级飞机的推进、动力与热管理综合技术研究2017年1月16日2美空军着力“飞行器能量管理”技术发展6月19日3美空军启动“飞机电力与热建模与分析”计划8月23日4美空军启动“下一代热、电力与控制”计划（即本篇）12月11日