孫友師：美空軍開展支持兆瓦級飛機的推進、動力與熱管理綜合技術研究

作者|孫友師，中國航空工業發展研究中心

來源|空天防務觀察授權《首席戰略官》發布

在美國國防部「依託21」科研框架中，飛機推進／動力／熱管理與固定翼飛行器、旋翼飛行器、高速／高超聲速飛行器一起作為航空平台技術領域的4個子領域予以重點發展。2016年9月1日，美國《航空周刊與空間技術》網站公開報道稱，美國空軍正開展「綜合推進、動力與熱管理」（INPPAT）計劃，將通過演示驗證，促進完全綜合的動力與熱管理系統技術成熟，為2017年即將啟動的「兆瓦級未來空中優勢」計劃提供支持。可見，美國空軍正在通過推進系統與機電系統的綜合來支持兆瓦級飛機研發。

一、研究背景

為增強戰鬥機各項任務能力，特別是支撐定向能武器裝機，美空軍在20世紀90年代初就提出在戰術飛機上實現兆瓦級發電功率的目標，並為此實施了多個研發計劃。至今，美國空軍已認識到推進、動力與熱管理綜合，是實現這一目標的關鍵。

1．美空軍為實現定向能武器裝機持續開展兆瓦級供電和熱管理技術研究

為了在戰術飛機上配裝和使用定向能武器，在機電領域必須解決供電和熱管理問題，且兩者密切相關（用電功率增加會加劇散熱問題），形成動力與熱管理技術。為此，供電和熱管理技術在美空軍多個技術專項計劃中都作為關鍵技術來解決。

「多電飛機」計劃。20世紀90年代初啟動，其中提出該計劃第三階段目標是提供兆瓦級電力以支持定向能武器裝機。當時將實現時間定在2012年，應用對象定為F-35戰鬥機。但目前「多電飛機」計劃已結束，據判斷，該計劃最初設定的第三階段目標並沒有實現。

「子系統綜合技術」計劃。該計劃與「多電飛機」計劃同期開展，開發了熱／能量管理組件和發動機風扇涵道換熱器。熱／能量管理組件和發動機風扇涵道換熱器在設計之初就考慮了與發動機的綜合，但僅是初步的綜合。該計劃於1999年結束，研究成果在F-35的動力與熱管理系統中獲得應用。

「高功率飛機」計劃。2006年左右啟動，繼續針對包括定向能武器在內的應用開展兆瓦級供電技術研究。美空軍2007－2009財年預算均安排了經費，研製了基於高溫超導技術的兆瓦級發電機驗證機。該計劃已結束，相關信息對外公開得很少。

「飛行器能量綜合技術」（INVENT）計劃。2008年左右啟動，提出以下一代戰鬥機安裝定向能武器為目的，研發自適應動力與熱管理系統和魯棒電源系統等，並強調與先進循環發動機的綜合。按進度安排，該計劃將於2016年完成自適應動力與熱管理系統的地面綜合試驗，2017年該計劃將結束。

以上計劃並沒有完全解決戰鬥機安裝定向能武器的供電和熱管理問題。為此，美空軍又開展了INPPAT計劃，旨在為2017年即將啟動的「兆瓦級未來空中優勢」計劃做先期技術評估。

2．美軍已將推進、動力與熱管理綜合識別為重點技術

美國國防部在2014年2月建立了跨國防部整個科研體系的「依託21」科研框架，框架中明確了科技執行委員會和17個科技利益共同體，後者覆蓋先進電子、航空平台、自主性、電子戰、能量與動力、感測器、航天、武器等17個技術領域，並圍繞這些技術領域組織資源開展技術研發。

美國國防部在2014年2月公布了國防系統內部科學與技術事業的「依託21」科研框架，以便在整個國防系統內部建立聯合的科技事業規劃與協作流程。在該框架下成立了17個科技領域共同體，實施了各自領域的科技路線圖規劃等工作（美國國防部圖片）

其中，航空平台技術領域又細分為4個子領域：固定翼飛行器，旋翼飛行器，高速／高超聲速飛行器，飛機推進、動力與熱管理。這清楚地表明：美國國防部已將飛機推進、動力與熱管理綜合技術列為重點技術子領域，而且已提升到與平台級技術並重的地位。

飛機推進、動力與熱管理子領域的研究目標包括：開發高效、高性能、輕型、可靠、可維護和經濟可承受的飛機推進系統；開發電力與熱管理技術及子系統，實現機載任務能力；開發發動機、動力和熱管理技術的綜合架構，支持相關技術演示驗證。

2016年4月，美國國防部主管研究與工程的助理部長約瑟夫·多恰克在美國國防工業協會主辦的第17屆科學與工程技術大會上介紹了航空平台技術領域的重大成就，其中在飛機推進、動力與熱管理子領域的成就之一就是啟動了INPPAT計劃。

美國國防部航空平台技術領域科技利益共同體在2016年4月，將啟動INPPAT計劃作為飛機推進、動力與熱管理子領域的成就之一加以列舉（美國國防部圖片）

二、INPPAT計劃的定位與進展

1．INPPAT計劃的定位

目前，美國空軍領導著兩個與能量和動力相關的國家級計劃：

一個是「三軍能量優化飛機」國家級計劃（簡稱EOA計劃），該計劃於2012年前後啟動，是一個為了在國防部範圍內推廣飛行器能量優化技術的技術推廣計劃框架，其核心是空軍的INVENT計劃，同時還涵蓋其他軍種相關計劃。

另一個是目前美國軍方與工業界正在規劃的「支持經濟可承受任務能力的先進渦輪技術」（ATTAM）計劃，該計劃是新的國家級航空發動機技術發展計劃，將作為已經實施十年的「通用經濟可承受先進渦輪發動機」（VAATE）計劃的後續。

INPPAT計劃是一個將EOA計劃和VAATE／ATTAM計劃綜合起來的計劃，表明INPPAT計劃是美國相關國家級科研計劃的重要組成，下圖顯示了該計劃的定位。

INPPAT計劃主要研究內容示意圖（美國國防部圖片，中國航空工業發展研究中心漢化）

2．INPPAT計劃的進展

美國空軍已為INPPAT計劃和「兆瓦級飛機」計劃至少準備了兩年。在2014年的「三軍能量優化飛機」年度會議上，美國空軍研究實驗室就提供了INPPAT計劃情況簡報，並彙報了兆瓦級飛機架構分析研究情況，召開了INPPAT計劃工作組與工業界會議。

INPPAT在2014年被美國空軍研究實驗室列為支撐《全球地平線》戰略燃油效率領域「改變遊戲規則」的計劃之一（美國空軍研究實驗室圖片）

據約瑟夫·多恰克介紹，美國空軍已為INPPAT計劃投入經費500萬美元，工作內容包括評估未來戰鬥機的推進、動力與熱管理系統，為規模更大的「兆瓦級未來空中優勢」計劃提供支持。從經費投入看，該計劃是在為「兆瓦級未來空中優勢」計劃做先期技術評估。

與此同時，美國工業界已針對未來戰鬥機的發展需求，提出了實現推進、動力與熱管理綜合的技術概念。其中，諾格公司提出的概念包括多軸功率提取、分布式發電機、先進熱沉技術等概念。以多軸功率提取技術概念為例，該技術是針對傳統發電機隨功率增大而體積迅速增大的問題提出的技術概念，設想在發動機高壓轉子和低壓轉子上同時安裝發電機，既不明顯影響發動機性能又減小高壓轉子軸發電機體積。在INPPAT計劃中將對多軸功率提取技術進行演示驗證。

美國國防部航空平台技術領域科技利益共同體在2016年4月公布的飛機推進、動力與熱管理領域技術發展路線圖（美國國防部圖片）

三、結束語

飛行器能量管理、動力和熱管理系統是未來戰鬥機裝載先進定向能武器的關鍵，必須及早開展技術攻關予以解決。從技術角度看，推進系統、動力和熱管理綜合是未來解決供電與熱管理問題的重要技術途徑。系統綜合使傳統上相對獨立的系統之間需要交換物質、能量或者信息，往往會帶來意想不到的問題。為了降低系統綜合風險，除了必須突破推進系統、動力與熱管理系統各自的關鍵技術，還需要強化系統綜合試驗與驗證，包括機電系統與發動機的綜合驗證。此外，該系統是跨技術領域的，需協調主機、發動機和機載系統研製單位之間的關係，從美國空軍的經驗看，實施主機牽頭、發動機和機載企業參與的技術發展專項計劃是解決上述問題的有效途徑。