孙友师 ¦ 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
在美国国防部“依托21”科研框架中，飞机推进／动力／热管理与固定翼飞行器、旋翼飞行器、高速／高超声速飞行器一起作为航空平台技术领域的4个子领域予以重点发展。2016年9月1日，美国《航空周刊与空间技术》网站公开报道称，美国空军正开展“综合推进、动力与热管理”（INPPAT）计划，将通过演示验证，促进完全综合的动力与热管理系统技术成熟，为2017年即将启动的“兆瓦级未来空中优势”计划提供支持。可见，美国空军正在通过推进系统与机电系统的综合来支持兆瓦级飞机研发。
一、研究背景
为增强战斗机各项任务能力，特别是支撑定向能武器装机，美空军在20世纪90年代初就提出在战术飞机上实现兆瓦级发电功率的目标，并为此实施了多个研发计划。至今，美国空军已认识到推进、动力与热管理综合，是实现这一目标的关键。
1．美空军为实现定向能武器装机持续开展兆瓦级供电和热管理技术研究
为了在战术飞机上配装和使用定向能武器，在机电领域必须解决供电和热管理问题，且两者密切相关（用电功率增加会加剧散热问题），形成动力与热管理技术。为此，供电和热管理技术在美空军多个技术专项计划中都作为关键技术来解决。
“多电飞机”计划。20世纪90年代初启动，其中提出该计划第三阶段目标是提供兆瓦级电力以支持定向能武器装机。当时将实现时间定在2012年，应用对象定为F-35战斗机。但目前“多电飞机”计划已结束，据判断，该计划最初设定的第三阶段目标并没有实现。
“子系统综合技术”计划。该计划与“多电飞机”计划同期开展，开发了热／能量管理组件和发动机风扇涵道换热器。热／能量管理组件和发动机风扇涵道换热器在设计之初就考虑了与发动机的综合，但仅是初步的综合。该计划于1999年结束，研究成果在F-35的动力与热管理系统中获得应用。
“高功率飞机”计划。2006年左右启动，继续针对包括定向能武器在内的应用开展兆瓦级供电技术研究。美空军2007－2009财年预算均安排了经费，研制了基于高温超导技术的兆瓦级发电机验证机。该计划已结束，相关信息对外公开得很少。
“飞行器能量综合技术”（INVENT）计划。2008年左右启动，提出以下一代战斗机安装定向能武器为目的，研发自适应动力与热管理系统和鲁棒电源系统等，并强调与先进循环发动机的综合。按进度安排，该计划将于2016年完成自适应动力与热管理系统的地面综合试验，2017年该计划将结束。
以上计划并没有完全解决战斗机安装定向能武器的供电和热管理问题。为此，美空军又开展了INPPAT计划，旨在为2017年即将启动的“兆瓦级未来空中优势”计划做先期技术评估。
2．美军已将推进、动力与热管理综合识别为重点技术
美国国防部在2014年2月建立了跨国防部整个科研体系的“依托21”科研框架，框架中明确了科技执行委员会和17个科技利益共同体，后者覆盖先进电子、航空平台、自主性、电子战、能量与动力、传感器、航天、武器等17个技术领域，并围绕这些技术领域组织资源开展技术研发。
美国国防部在2014年2月公布了国防系统内部科学与技术事业的“依托21”科研框架，以便在整个国防系统内部建立联合的科技事业规划与协作流程。在该框架下成立了17个科技领域共同体，实施了各自领域的科技路线图规划等工作（美国国防部图片）
其中，航空平台技术领域又细分为4个子领域：固定翼飞行器，旋翼飞行器，高速／高超声速飞行器，飞机推进、动力与热管理。这清楚地表明：美国国防部已将飞机推进、动力与热管理综合技术列为重点技术子领域，而且已提升到与平台级技术并重的地位。
飞机推进、动力与热管理子领域的研究目标包括：开发高效、高性能、轻型、可靠、可维护和经济可承受的飞机推进系统；开发电力与热管理技术及子系统，实现机载任务能力；开发发动机、动力和热管理技术的综合架构，支持相关技术演示验证。
2016年4月，美国国防部主管研究与工程的助理部长约瑟夫·多恰克在美国国防工业协会主办的第17届科学与工程技术大会上介绍了航空平台技术领域的重大成就，其中在飞机推进、动力与热管理子领域的成就之一就是启动了INPPAT计划。
美国国防部航空平台技术领域科技利益共同体在2016年4月，将启动INPPAT计划作为飞机推进、动力与热管理子领域的成就之一加以列举（美国国防部图片）
二、INPPAT计划的定位与进展
1．INPPAT计划的定位
目前，美国空军领导着两个与能量和动力相关的国家级计划：
一个是“三军能量优化飞机”国家级计划（简称EOA计划），该计划于2012年前后启动，是一个为了在国防部范围内推广飞行器能量优化技术的技术推广计划框架，其核心是空军的INVENT计划，同时还涵盖其他军种相关计划。
另一个是目前美国军方与工业界正在规划的“支持经济可承受任务能力的先进涡轮技术”（ATTAM）计划，该计划是新的国家级航空发动机技术发展计划，将作为已经实施十年的“通用经济可承受先进涡轮发动机”（VAATE）计划的后续。
INPPAT计划是一个将EOA计划和VAATE／ATTAM计划综合起来的计划，表明INPPAT计划是美国相关国家级科研计划的重要组成，下图显示了该计划的定位。
INPPAT计划主要研究内容示意图（美国国防部图片，中国航空工业发展研究中心汉化）
2．INPPAT计划的进展
美国空军已为INPPAT计划和“兆瓦级飞机”计划至少准备了两年。在2014年的“三军能量优化飞机”年度会议上，美国空军研究实验室就提供了INPPAT计划情况简报，并汇报了兆瓦级飞机架构分析研究情况，召开了INPPAT计划工作组与工业界会议。
INPPAT在2014年被美国空军研究实验室列为支撑《全球地平线》战略燃油效率领域“改变游戏规则”的计划之一（美国空军研究实验室图片）
据约瑟夫·多恰克介绍，美国空军已为INPPAT计划投入经费500万美元，工作内容包括评估未来战斗机的推进、动力与热管理系统，为规模更大的“兆瓦级未来空中优势”计划提供支持。从经费投入看，该计划是在为“兆瓦级未来空中优势”计划做先期技术评估。
与此同时，美国工业界已针对未来战斗机的发展需求，提出了实现推进、动力与热管理综合的技术概念。其中，诺格公司提出的概念包括多轴功率提取、分布式发电机、先进热沉技术等概念。以多轴功率提取技术概念为例，该技术是针对传统发电机随功率增大而体积迅速增大的问题提出的技术概念，设想在发动机高压转子和低压转子上同时安装发电机，既不明显影响发动机性能又减小高压转子轴发电机体积。在INPPAT计划中将对多轴功率提取技术进行演示验证。
美国国防部航空平台技术领域科技利益共同体在2016年4月公布的飞机推进、动力与热管理领域技术发展路线图（美国国防部图片）
三、结束语
飞行器能量管理、动力和热管理系统是未来战斗机装载先进定向能武器的关键，必须及早开展技术攻关予以解决。从技术角度看，推进系统、动力和热管理综合是未来解决供电与热管理问题的重要技术途径。系统综合使传统上相对独立的系统之间需要交换物质、能量或者信息，往往会带来意想不到的问题。为了降低系统综合风险，除了必须突破推进系统、动力与热管理系统各自的关键技术，还需要强化系统综合试验与验证，包括机电系统与发动机的综合验证。此外，该系统是跨技术领域的，需协调主机、发动机和机载系统研制单位之间的关系，从美国空军的经验看，实施主机牵头、发动机和机载企业参与的技术发展专项计划是解决上述问题的有效途径。
（中国航空工业发展研究中心 孙友师）
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