导读：战斗机动力与热管理系统(PTMS)技术经历了从概念提出到演示验证再到型号应用的发展历程，目前正向着自适应的方向发展，其发展过程与美国空军实施的一系列计划密切相关。
飞机动力与热管理系统（PTMS）是一套综合机电系统，它将传统飞机上分立的辅助动力装置（APU）、应急动力系统和环境控制系统的热管理功能综合到一个系统中，从而可以减轻系统重量，提高系统效率。
战斗机PTMS的发展大致经历了3个阶段：第一阶段是20世纪90年代，美国空军的子系统综合技术（SUIT）计划开发了热/能量管理组件技术，随后该技术在联合打击战斗机（JSF）综合子系统技术（J/IST）计划中进行了充分的演示验证，提高了技术成熟度；第二阶段是21世纪初，在F-35战斗机项目中，霍尼韦尔公司研制的PTMS成为F-35上解决动力与热管理问题的重要系统；第三阶段从2008年开始，美国空军实施了飞行器能量综合技术（INVENT）计划，并针对下一代战斗机的需求，提出具有自适应特性的新一代PTMS技术。
热/能量管理组件研制和演示验证
提出概念
美国空军莱特实验室于1991年启动了SUIT计划。麦道公司是SUIT计划第一阶段中标的3家公司之一。麦道公司联合普惠公司和霍尼韦尔公司一起开发了热/能量管理组件（T/EMM）技术和发动机风扇导管换热器技术。这些技术后来成为JSF项目的候选技术，并在J/IST计划中进行了充分的演示验证。
在SUIT计划执行过程中，麦道公司领导的研制团队从功能、控制、能量和物理4个方面考虑系统综合的各种可能性。通过系统化的分析，研制团队开发出一种合并了传统飞机上APU、应急动力系统和环境控制系统的新型系统——T/EMM。在T/EMM研制过程中，研究团队考虑了各种可能的动力和冷却循环，如发动机涡轮引气驱动和蒸发制冷循环，但最终选择的方案是采用发动机压气机引气驱动的闭环空气循环。
组成和工作模式
T/EMM由一个压气机、一个动力涡轮、一个冷却涡轮和一个双模态燃烧室以及控制器组成。动力涡轮和冷却涡轮与压气机同轴。T/EMM还包含一个直接驱动的发电机和两个附件机匣带动的液压泵。
T/EMM可以提供传统上由APU、飞机附件机匣和环控系统提供的功能。这些功能由T/EMM不同的工作模式提供。根据发动机是否运行，T/EMM设有5种工作模式。其中发动机运行时，T/EMM有巡航模式、作战模式和燃油冷却模式；发动机不运行时，T/EMM有APU模式和发动机起动模式。
在巡航模式下，采用发动机引气驱动T/EMM动力涡轮，引气量充足，可以满足飞机动力与冷却需求，不需要燃油冷却。闭环制冷空气循环使用少量冷却的引气作为补偿空气，用于座舱通风和增压。补偿空气和T/EMM压气机排出的空气通过不同的发动机风扇导管换热器进行冷却。用于座舱和航电冷却的空气通过T/EMM冷却涡轮扩张之前降低其温度，提高了排出空气的冷却能力。冷却空气返回T/EMM压气机，使制冷循环得以闭环。在作战模式下，T/EMM的运行与巡航模式类似，只是需要点燃T/EMM燃烧室，以提高引气温度，这可以在飞机动力需求高峰期（如作战时）的短时间（少于10min）内减小对引气量的需求。由于时间较短，T/EMM燃烧室只消耗少量的燃油。燃油冷却模式用于冷却返回油箱的高温燃油，由动力涡轮排出的空气直接通过燃油-空气换热器对燃油进行冷却。
在APU模式下，来自T/EMM燃烧室的空气驱动动力涡轮，压气机为空气循环冷却涡轮和燃烧室供气。T/EMM由来自存储模块的压缩空气起动。闭环的制冷循环运行方式同发动机运行时相类似，只是压气机同时也是作为动力循环的压气机使用。在APU模式运行时，T/EMM可以为主发动机空气涡轮起动机提供压缩空气。发动机起动模式也可以用于发动机空中重起。
提高技术成熟度
J/IST计划是一个技术演示验证计划，旨在降低作为JSF项目候选技术的风险。J/IST计划在1998-2000年共进行了4项系统级的演示验证，其中有两项涉及T/EMM。这4项系统级演示验证分别是T/EMM系统演示验证（1998年，霍尼韦尔公司）；电力系统综合演示验证（1999年，诺斯罗普·格鲁门公司）；电力与作动飞行演示验证（1999年，洛克希德·马丁公司）；T/EMM与发动机综合演示验证（2000年，普惠公司）。
在T/EMM系统级演示验证之前，美国空军在多个渠道已经开展了T/EMM部件和子系统级的演示验证，包括美国空军在多电飞机计划下进行了开关磁阻电动机/发电机的演示验证；霍尼韦尔公司和麦道公司进行了一个迷你T/EMM的演示验证；美国空军对双模态燃烧室的研究和开发，降低了T/EMM概念的风险；美国空军进行了增强型迷你T/EMM演示验证，研究了T/EMM封装和多模式控制问题。T/EMM系统级演示验证在霍尼韦尔公司进行，目的是解决许多特定的风险问题，并在将系统交付普惠公司进行发动机综合演示验证之前，对T/EMM所有运行模式进行全面的检查。
T/EMM与发动机综合演示验证是J/IST计划的最终演示验证。该演示验证是为了解决JSF发动机与T/EMM协同性相关的风险问题。在演示验证中，普惠公司使用了同样在SUIT计划中研制的发动机风扇导管换热器，这些换热器曾在F119发动机上进行测试。综合演示验证在地面进行，T/EMM安装在一个推力试验台上，其与发动机的相对位置与两者在飞机上的位置关系基本一致。
这些演示验证的结果肯定了子系统综合的概念，证明了子系统综合技术能够节省3%～5%的飞机采购成本和3%～4%的生命周期成本，降低5.5%的起飞总重量，减小飞机体积9.1%，而在飞机体积不变的条件下航程增加20%。这些演示验证为F-35战斗机项目采用这种新系统奠定了基础。
F-35战斗机的动力与热管理系统
霍尼韦尔公司于2002年获得F-35战斗机PTMS研制合同，2011年完成了系统研制与验证（SDD）阶段的设计工作。但是PTMS的研制并非一帆风顺。2007年8月，PTMS进行试验时在综合试验台上停机，导致试验台受损。同年10月，在PTMS的滑油样本中检测出不允许出现的镍合金痕迹，其原因被确定为转子和定子间隙出现问题。2011年8月，PTMS严重故障造成F-35机队停飞两周。
为了保证飞机的安全，PTMS的无故障间隔时间应该至少达到2200h，但在美国空军的试飞中已经出现11起必须全换系统的故障，其中8起是在12个星期内集中出现的，使得无故障间隔时间降低到不可接受的13h。PTMS故障引起主要航电系统过热、失去备用发电机、失去机载制氧能力和座舱加压功能。如果在战斗机飞行时出现PTMS故障，将严重危及飞行安全。这些问题迫使霍尼韦尔公司对PTMS重新进行了设计。
F-35战斗机的PTMS有4个主要工作模式：自起动模式（SSM）、主发动机起动模式（MES）、冷却模式（CM）和应急动力模式（EPM）。在自起动模式下，PTMS使用飞机电池的电力起动涡轮机旋转。压气机工作在开环模式，压气机进口开放吸入周围空气，压气机出口空气送入燃烧室。燃烧后的燃气送入动力涡轮膨胀。动力涡轮通过膨胀吸收的动力驱动压气机并产生电力。当涡轮机起转到一个特定的初始速度，起动/发电机不再需要从飞机电池获得电力，PTMS就切换到自维持运行状态，此时PTMS能够仅通过消耗燃油来产生动力。
当PTMS完成了自起动模式，就准备进行主发动机起动或者地面检查。在主发动机起动模式下，PTMS通过消耗燃油产生的动力带动自身的起动/发电机，产生的电力输出至主发动机的起动/发电机来起动主发动机。
在主发动机起动之后，PTMS切换到冷却模式，不再使用燃烧室，PTMS由从主发动机来的高压引气驱动。压气机以半闭环构型运行，压气机进口对周围空气封闭，压缩空气经风扇导管换热器冷却，然后通过在冷却涡轮中膨胀进一步冷却。从涡轮出口出来的一部分冷空气送至座舱用于增压与空调，其余冷空气用于从航电装置和其他液冷热载荷中提取热量。此后，被加热的空气再循环到压气机进口。另一部分压气机进口空气是从高压级引气来的，并经过风扇导管换热器冷却。
如果飞行中主发动机发生故障，PTMS将重构至应急动力模式。在该模式下，压气机切换到开环模式，类似于主发动机起动模式。压气机进口开放吸入周围空气，压缩后送至燃烧室。压缩空气与燃油一起燃烧，产生的燃气送至动力涡轮，并在动力涡轮中膨胀产生动力来运行PTMS，同时产生的电力可以持续供给飞行关键设备，或者瞬间提供主发动机再起动所需的高功率电力。
开发自适应PTMS技术
2008年6月，美国空军研究实验室（AFRL）发布招标书，为INVENT计划第一阶段招标。招标书中提出，下一代战斗机为了实现能量优化，必须重点研究3个关键子系统，分别是自适应动力与热管理系统（APTMS）、鲁棒电源系统（REPS）和高性能电力作动系统（HPEAS）。
招标书要求APTMS应当在功能上与辅助动力（包括主发动机起动）和应急动力合并，提供飞机级别的热管理功能，以飞机效益作为目标进行优化。具体要求为：能够适时地使用“最佳”可用热沉（冲压空气、发动机第三涵道气流、空气、燃油）或者同时使用各种热沉，能够动态控制冷却，进行载荷和燃油系统热管理；能够进行瞬态高功率冷却，保障低工作周期的特殊任务设备载荷（如飞机自我防护系统、电子战系统）运行；能够使用燃油和/或主动冷/热回路冷却，支持高功率、低工作周期特殊任务载荷热管理，并考虑使用燃油储热；能够与发动机和发动机/飞行器燃油热管理系统进行综合，在飞机级别进行优化，并考虑潜在的热能存储方案；为发动机起动、应急动力和局部动力需求提供必要的动力；尽量减少内部热量的产生，在向飞机和发动机系统分配冷却剂时尽量减少损失，尽量减小对飞机综合性能产生影响（如质量、体积、生存性等）。
APTMS未来还将用先进的部件改善系统的整体性能，包括与飞机主要动力系统的集成，例如，主推力系统、主发电系统和飞控作动器等；采用低压级引气，减少耗油量；其涡轮可能采用高温轴承技术、高温涡轮技术、变几何涡轮技术、先进换热器技术、高效压气机和先进结构等。
2015年8月，AFRL发布了题为“混合循环动力与热管理系统”的跨部门公告，向美国工业界征询关于下一代战斗机PTMS的系统级解决方案。美国空军在公告中指出，通过使用混合空气循环和蒸发制冷循环系统，有望解决下一代战斗机面临的热管理问题。
公告要求中标者设计、开发和制造一个接近全尺寸的综合PTMS样机，用来进行关键属性的演示验证。系统演示验证目的是降低战术飞机PTMS风险，具体内容包括演示满足小型化和效率目标的途径、消除非任务引起的热约束、支持高功率/低工作周期的任务系统，以及实施能量和健康监控功能。公告中提出的具体工作内容包括了PTMS设计、硬件开发与测试、样机开发与测试、风险管理、制订实现“自适应”性能的控制策略、实现能量管理、实现自适应特征、系统架构分析、其他航空航天应用研究、技术开发和项目管理。
此次发布的跨部门公告是针对美国六代机的需求提出的，其目标是在美国空军20多年各种技术研发计划和型号研制的基础上，进一步推动PTMS技术向更高效、更优化的方向发展。美国空军希望通过本项研究，将六代机PTMS的研发推进到满足六代机型号进入“工程与制造发展”阶段的要求。
（孙友师，中国航空工业发展研究中心，高级工程师）
版权声明：原文刊载于《国际航空》2015年第12期。欢迎分享，请注明出处。