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  F-22是率先种在环控/热管理种类上行使燃油热

2019-09-13 10:03

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Integrated Aircraft Subsystem中国航空附件研究所路多摘要:本文对综合机载机电系统做了概念性描述,说明实现机载机电系统综合技术的目的和意义。根据国外的情况,归纳出机载机电系统综合化技术在发展过程中共分为四个阶段,对综合机载机电系统的一些关键技术做了简要说明。关键词:机载机电系统综合系统综合机载机电系统是指把飞机上执行飞行保障功能的环境控制、燃油、液压、机轮刹车、供电和第二动力等系统,从功能、能量和物理方面实现综合化,并完成这些机电系统全部功能的一个综合性系统。综合机载机电系统主要由热/能量管理组件、启动/发电系统和电动静液作动器系统组成,并由飞机管理系统控制,从而使机载机电系统在布局、能量利用、和控制信息共享上实现最优化。一、综合的目的和意义目前飞机上的各种机电系统都是独立发展的,而且飞机系统和发动机系统之间也是相互独立的。虽然在设计时考虑了各系统之间的接口关系和相互影响,但是从来没有把机载机电系统作为一个整体发展。这种传统的设计方法必然会产生下述问题:一种机载机电系统所要利用的能量虽然正是另一种系统所废弃的,但是又无法把废弃的能量作为一种能源加以利用;飞机系统所产生的功率无法用于发动机系统,反之亦然;各机载机电系统的控制信息无法共享;各机载机电系统的部件通用性差。正是上述问题使得机载机电系统显得重量大、采购和保障费用高、维修性差、能量管理水平低和故障弱化水平低,并且使机载机电系统成为飞机上摊子最大、最杂乱的系统。另外,次级功率系统在布局上也显得重复。在使用现有的机载机电系统的情况下,为了提高飞机性能,只能在系统和部件一级进行优化,或减轻其重量,或提高其性能,但是这种方法通常是以牺牲飞机经济承受性为代价的;若是既要提高飞机的性能,又要维持飞机一定的成本和重量,就要牺牲机电系统的性能。另外,现在的机电系统各成独立体系,这样使硬件利用率低下,连线错综复杂,导致可靠性下降。此外,未来飞机的性能要求越来越高,机载机电系统不得不在更高的温度下工作以提供更大的功率,因而这些高性能的机载机电系统也必然排出更多的热。传统的散热手段有燃油、冲压空气等,但是它们的散热能力已经饱和。未来战斗机的高性能发动机燃油流量较小从而限制了发动机燃油的散热能力;隐身要求排除了采用冲压空气冷却的可能性;复合材料结构则降低了飞机直接向外散热的能力。总之,由于未来战斗机的机载机电系统冷却要求提高和飞机散热能力下降引起了能量管理问题。飞机性能和经济承受能力将成为今后发展新飞机的两大目标。机载机电系统是使飞机的性能和经济承受性都得到改善的技术领域之一。但在采用现有机载机电系统的情况下,上述两个目标是难以协调的。机载机电系统综合技术,或称为子系统综合技术正是解决上述问题的有效方法。采用综合的机载机电系统,把几种现有的机载机电系统的功能组合到一个系统中去。这是一种在飞机一级进行优化的做法,以整个飞机性能最佳为设计目标,这样将会提高效率,减少零件数量,从而使飞机更轻、更小、更经济。F-35就是按照"更快、更好、更省钱"的要求研制的。与使用常规机载机电系统的F-16相比,使用综合机载机电系统的F-35所获得的效益是非常显著的。以后勤保障为例,现在24架F-16的保障设备需要16架C-141大型运输机来运输,而通过使用子系统综合技术,原先用于F-16的大部分地面保障设备都可以省去。F-35由于采用了T/EMM,省去了飞机对地面供电和空调设备的需求。在发动机停车时,只需用压缩空气来起动T/EMM,无须采用目前F-16需要用的肼燃料。F-35因采用EHA可以省去原来的液压保障设备;因采用开关磁阻式发电机,省去了发动机点火所需的外部高压空气。由于对地面保障设备需求的减少,最终减少了部署F-35所需的运输机的数量。子系统综合技术在其他方面的效果也是可观的。随着子系统综合技术的不断成熟,与使用常规机载机电系统的F-35相比,采用综合子系统技术的F-35的子系统零件数量可望减少40%,并可减少维护需求,因此,使得采购成本降低3%~5%;寿命-周期成本节约3%~4%;飞机最大起飞重量减少5.5%以上;飞机体积缩小9.1%以上;航程增加20%。二、国外的发展情况国外机载机电系统综合化技术的发展过程分为下面四个阶段,其中前两个阶段的目标已基本实现。1.在控制方面的综合采用公共设备管理系统。在数字电子技术迅速发展的基础上,机载机电系统首先在控制方面实现了综合化,从而在飞机上出现了一个新系统,即公共设备管理系统。F-22的公共设备管理系统为飞机管理系统的一个组成部分,由飞机分系统综合控制器对燃油、供电、第二动力、环控、刹车和液压等系统进行控制。2.在能量方面的综合采用综合环境控制/热管理系统。F-22采用由开式空气循环系统、闭式蒸发循环系统、液体冷却系统和燃油热管理系统组成的全综合系统。加大飞机次级功率系统的功率。其一是采用功率更大的液压系统或变压力系统:目前F-22和EF-2000使用的是27.6MPa液压系统;法国"阵风"使用的是34.5MPa液压系统;F/A-18E/F使用的是20.7~35.5MPa变压力系统。其二是要求更大发电容量的供电系统:F-22使用270V高压直流供电系统,主电源为两台65kW发电机;"阵风"使用变频交流供电系统,主电源为30/40kVA发电机;EF-2000 使用变速恒频交流供电系统,主电源为两台40kVA的组合电源装置。其三是使用新型气压式第二动力系统:F-22采用新型气压式第二动力系统,辅助动力装置功率为335kW,能在12500m高空重新启动主发动机,可在任何高度提供应急液压动力和电力。3.在功能方面的综合多电飞机计划希望从功能方面实现机载机电系统综合化。在多电飞机上将尽可能用电力作动系统来取代目前飞机上使用的液压、气动和机械作动系统,因而在采用多电飞机方案后,减少了次级功率的类型,即在飞机上仅保留电力系统,取消了液压和气压系统,并通过使用组合动力装置,把主发动机启动系统、应急动力装置和辅助动力装置合并为一个部件,为主发动机启动和飞行应急动力以及辅助动力功能提供电力,把发电系统与发动机系统综合在一起,从而使机载机电系统在综合化的方向上又向前迈进了一步。美国已在发电、配电和电力作动等方面实行一系列的发展计划。在发电方面,270V /250kW的内装式开关磁阻启动/发电机已经制成,并正在试验。在电力作动方面,经过20年的发展,用于飞行控制、环境控制、刹车、发动机启动和燃油系统的电力作动系统都已得到验证,并将继续进行飞行试验。目前美国正在F-16战斗机上验证功率电传作动器能否用于F-35联合攻击战斗机。4.在能量、功能、物理和控制方面的全面综合目前美国正在执行的子系统综合技术计划共有三种方案。这些方案都在研究不同的系统功能共用一些部件的可能性以及合并分布在飞机各处的一些功能的可能性。其中最具代表性、综合得最全面的一种方案是由原麦道公司和洛克希德·马丁公司联合联信航宇、惠普等公司,为联合攻击战斗机开发的JSF飞机子系统综合技术。J/IST的主要组成部分包括T/EMM、启动/发电系统和EHA。其中核心部分是T/EMM。T/EMM提供辅助动力、应急动力、热管理和发动机启动的所有功能。T/EMM包括压气机、动力涡轮、双工作模式燃烧室和启动/发电机。其中压气机为气体系统和闭式空气循环冷却装置提供高压空气,动力涡轮和压气机与直接传动的发电机相连。T/EMM利用发动机引气带动动力涡轮旋转,动力涡轮驱动启动/发电机提供电力,同时向航空电子设备和机组提供冷却空气。飞机系统产生的热被引向安装在发动机风扇涵道换热器内。将发动机引气系统与风扇涵道换热器相连,为T/EMM省去了冲压空气进气口。发动机空中熄火的情况下,T/EMM可以利用飞机内存储的压缩空气起动;在T/EMM以燃烧模式运行时,T/EMM可以提供重新启动发动机所需的动力。启动/发电机共同用于启动发动机和T/EMM,在必要时也用于提供电力,这样可以省去用于启动发动机和供电的地面保障设备。在T/EMM熄火和发动机工作后,启动/发电机可以切换到向飞机供电状态。各分系统的控制将组合到飞机管理系统中,以使综合系统的性能更优和诊断信息共享。T/EMM目前正在验证中。三、关键技术1.公共设备管理系统摒弃现有的各系统单独控制的方案,为整个机载机电系统提供统一的控制和监控方法,从而在控制上实现综合化。2.综合环境控制/热管理技术第一步,首先把相互独立的机体热管理系统和发动机热管理系统综合在一起,并把环境控制系统的热负载也纳入燃油冷却系统。采用这种综合的热管理系统不但能更充分地利用燃油的散热能力,提高系统效率,改善发动机电子控制装置的可靠性和满足飞机系统的全部冷却要求,而且促进了机电系统的综合化。第二步,在开发出热稳定性更高、散热能力更强的新燃油基础上,开发"热油箱"燃油热管理系统。3.多电飞机技术用一套性能可靠而且抗损伤的发电和配电系统作为电力作动系统取代集中式液压系统。其中关键技术包括270V/375kW内装式开关磁阻启动机/发电机、新的电源管理和分配概念、高度容错的电力系统、电动静液作动器和组合动力装置。4.风扇涵道换热器综合子系统的基本设计原理是使用径向安装在发动机风扇涵道中的风扇涵道换热器,取消冲压空气换热器,因而取消了所有的冲压空气回路,因此必须用燃油作为环控系统的热沉。在任何工作情况下发动机风扇使气流通过风扇涵道。在地面空转时,大量的空气流过风扇涵道换热器。实际上,在地面空转时的气流量能够使系统冷却30~40kW的电子设备。在巡航时,虽然风扇空气温度较高,但是气流量大,风扇涵道换热器的效率是非常高的。因此,在巡航过程中风扇涵道是很有效的热沉。只有在低空冲刺时,风扇涵道的温度较高,降低了可用的热沉量,但是此时燃油流量很大,在燃油没有再循环回到油箱的情况下,被作为热沉。只要稳态的发动机热载荷不超过燃油热沉能力,燃油热问题就可以解决了。5.磁性轴承磁轴承系统是一个全新的支撑旋转设备的方法,采用可控磁场力,将转轴无机械摩擦、无润滑地悬浮起来并高速旋转的一种高性能轴承。磁轴承是无接触技术,几乎没有摩擦损失,也没有磨损,而且可靠性更高。它还能够获得原来从未达到过的表面速度。在国外,磁性轴承已被用于发动机、环控系统、组合动力装置和开关磁阻发电机中。

  随着现代战斗机航电设备在性能上的不断进步,航电发热量也随之增加,尤其是发热大户有源相控阵雷达。传统的冲压空气热沉散热方式已逐渐不能满足电子设备的散热要求,需要采用更高效的散热技术,也就是液冷散热。

宋文骢院士——当之无愧的“歼-10之父”

【据英国《飞行国际》2010年7月13日报道】空军的研究人员也在从事其他几方面的工作,如采用层流技术降低10%的机身阻力。经过研究,将所有这些新技术,包括INVENT,全部应用到下一代飞机后,可使性能提升50%或更多。

  与传统的风冷技术相比,液冷散热的效率是前者的20倍以上,热耗更容易传到液体热沉。同时电子设备内部模块的热量也不会随空气传到其他地方,避免了互相影响。

3月23日前夜,惊悉宋文骢老总去世的消息,彻夜无眠。18年前的3月23日,歼-10首飞上天,飞机总设计师宋文骢将自己的生日改在这一天。

AFRL的目标是将这些技术发展成熟,应用到2030年后服役的飞机上。为实现这个目标,必须在2025年前使这些技术达到演示验证的水平,并在飞机上进行飞机试验。AFRL的战略发展时间表与空军目前一代战略和战术飞机的长期替代计划相吻合,被替代的机种包括B-2、F-22和F-35。

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我与宋老总相识,已有30多年。

按照INVENT项目文书的时间表, 2020年前一些关键技术将得到突破,从而进行一系列的插入改进计划,技术成果可以应用于多种机型,包括战斗机、运输机和情报/监视/侦查飞机。

  由于第五代隐身战斗机需要避免在机身开过多开口,这也使冲压空气的应用受到限制,综合这两方面因素,油箱内大量装载的燃油就成了首选热沉介质。

30多年前的一个初春,我刚到空军某论证部门工作,因为“新歼击机”立项论证工作需要,在成都611所附近一个简陋的部队招待所里,我见到了慕名已久的歼-7Ⅲ战斗机总设计师宋文骢。当时,宋老总绘声绘色地向我们介绍了他心中的“新歼击机”的蓝图,令大家振奋不已。

现役飞机如果不花费很大的资金不太可能从这些新技术中获益了,就象采用空气制冷和蒸发循环制冷系统的飞机如果改进成F-35 上使用的热管理系统,需要非常高的改进费用一样。

  F-22是第一种在环控/热管理系统上使用燃油热沉的战斗机,该机利用燃油的散热能力,把环控系统、液压系统和润滑油系统的散热都纳入统一管理,实现了综合热管理。升高温度后的燃油后被送入发动机燃烧,还有助于提高燃油效率。

宋老总说的是一款全新的无尾(一般将没有设置水平尾翼的飞机称为无尾飞机)气动布局歼击机,也就是当时称的歼-9飞机。

第五代战斗机对电能需求量的激增,说明了采用热管理技术的重要性,F-22和F-35这一代飞机产生的热量,是它们之前飞机所产生热量的3到5倍。战斗机的隐身设计,使散热问题变得很复杂,因为要减少飞机本身的红外特征,就不允许向机外排放热量,因此只有将燃油作为热沉,吸收多余的热量,较高温度的燃油送到发动机燃烧室还能提高燃油效率。

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在上世纪80年代初,改革开放使我们有可能通过公开渠道获取一点国外战斗机研制的信息。当时美国已经开始大批装备F-16,而法国有意将刚完成研发的幻影2000向我国出售。我国“新歼击机”的发展,应当走哪一条路,实在让我们纠结。

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