5代机第2动力系统的发展趋势分析唐正府，王进，张新非，吕伯平（95899部队，北京100076）摘要：针对5代机的性能特征，分析了其对第2动力系统的能力需求。
通过深入研究第2动力系统发展历程，以及对美国F-22和F-35等先进战斗机典型第2动力系统功能综合集成和能量综合利用等发展规律并进行总结，分析预测未来5代机第2动力系统将沿着以“动力热管理系统”和“涡电综合能源系统”为代表的2个方向发展，并对未来中国第2动力系统提出了发展思路和措施建议，规划了其发展路线图。
关键词：5代机；第2动力系统；动力热管理系统；涡电综合能源系统中图分类号：V23文献标识码：Adoi ：10.13477/ki.aeroengine.2014.04.016Analysis on Development Trends of Second Power System for the Fifth Generation FightersTANG Zheng-fu,WANG Jin,ZHANG Xin-fei,LYU Bo-ping(95899PLA Troops,Beijing 100076,China )Abstract:Aiming at the fifth generation fighters characteristics,the demand of the second power system was analyzed.By analyzing the second power system ’s development,and aualysing the function and energy integration utilization of F-22’s and F-35’s typical secondpower system,the development trends of power thermal management system and turbine generator integrated energy system for the second power system in fifth generation fighters were predicted and analyzed.The ideas,measures,suggestion and roadmap of development for the Chinese Fighter engine second power system in the future were presented.Key words:fifth generation fighters;second power system;power thermal management system;turbine generator integrate energy system航空发动机Aeroengine第40卷第4期Vol.40No.4Aug.2014收稿日期：2012-08-04作者简介：唐正府（1980），男，工程师，主要从事航空发动机总体论证工作；E-mail ：gambittzf@ 。
0引言当今世界谁拥有先进战斗机，谁就掌握了航空武器装备的顶尖技术。
继4代机之后，为了扩展传统飞行包线和打击任务范围，使国家利益向临近空间和外层空间拓展，保持空中、空间优势，对潜在对手构成有效威慑与遏制，世界各军事强国纷纷开展5代机探索研究，连日本、印度等稍欠火候的航空国家也都大张旗鼓买票入场，力图加入“5代机俱乐部”，主要表现在：美国多年一贯奉行装备和技术都领先对手1代的指导思想，为了继续保持空中领先优势，并弥补F-22、F-35等4代机的产量与F-15、F-16等主力战机每年到寿报废量之间的差距，从2007年开始对5代机展开需求研究，并先后推出F/A-XX 和SM-36等5代机方案；俄罗斯力图东山再起，缩短与美国的技术差距，积极投身5代机的研究探索；日本计划自主研发，摆脱对美国的技术依赖，2010年发布《未来战斗机研究与发展趋势展望》，提出了智能化、信息化和瞬间杀伤的5代机发展概念；印度梦想向“军事大国”行列迈进，热衷不惜以各种方式和手段拥有最先进的装备和技术，2011年着手开展5代机研发[1-2]。
随着各国对5代机的“追捧”，催生了航电和武器系统飞速发展，飞机各种负载设备对能源需求越来越大，导致5代机对第2动力系统功能需求越来越多：一方面要求具备较好的高原部署作战、快速准备出动和自主后勤保障能力；另一方面要求能够为机载武器、通讯导航和电子对抗等任务载荷提供足够的能量；同时还第4期唐正府等：5代机第2动力系统的发展趋势分析要求能够拓展空中起动包线，并在临近空间正常工作。
为此，原有结构和功能单一的传统第2动力系统已难以满足5代机需求，新一代结构高度优化、功能综合集成、能量综合利用的先进第2动力系统应运而生[3-4]。
中国第2动力系统研究在辅助动力、应急动力、发动机起动和环控等专业建立了相应的试验、测试和生产设施，形成了较完整的研制体系，在仿真分析技术上也具备了相应的硬件和软件条件，并积累了大量的工程研制经验，初步具备了一定的研制能力，但对功能综合集成的第2动力系统研究才刚刚起步，对能量综合利用的第2动力系统研究尚未全面展开。
本文从作战使用需求出发，在以往相关研究基础上，结合国外发展规律，提出了国内第2动力系统发展思路，对推动技术进步，缩小与国外差距具有一定参考价值。
15代机对第2动力系统能力需求预测自海湾战争以来，军用特种飞机，如预警机、电子侦察机、海洋巡逻机、电子干扰机、空中加油机和空中指挥机等倍受各国军界青睐，对电源、气源、液压源的需求不断攀升；而先进战斗机、远程轰炸机、高性能无人机、高超声速飞行器等高端武器的飞速发展，其对电力能源的需求既非机载电源系统所能供给，也不是换装大功率发电机所能胜任。
特别是5代机，要对4代及4代以前的作战飞机形成作战优势，需要在飞行包线、航程、机动性、隐身特性、武器效能、网络智能化等方面具有部分或绝对优势，从而要求具有更全面的隐身能力、更广阔的作战范围、更强大的态势感知能力和更出色的机载武器等典型能力特征。
正是由于5代机作战范围扩展，并可能装备包括高能微波脉冲武器或激光武器在内的定向能武器，使得对第2动力系统功能和性能需求更加苛刻，传统的第2动力系统已无法满足需求，迫切需要优化结构、减轻质量、提高性能和可靠性、降低成本，向着结构高度集成化、能量高度综合化方向发展，主要需求可以归纳如下。
1.1起动需求满足高推重比（或功重比）发动机快速起动需求，能够扩展发动机空中起动包线，缩短起动时间，存能力。
1.2自主保障需求满足飞机自主保障能力需求，能够不依赖地面支援设备完成地面维护和起动发动机，以及在较长时间内提供辅助功率；能够在地面发动机不工作时向飞机电源、空调等系统提供能源，完成飞机地面维护检测等任务，延长发动机使用寿命，降低全寿命周期费用。
1.3能源需求满足飞机电源、空调、航电、武器等系统耗能增大的需求，能够在所有飞行条件下不间断的向飞行控制系统提供电能和液压能，使飞机在空中当主液压系统和（或）主电源系统失效后几秒钟内，可以立即提供应急液压动力和（或）应急电能；能够满足飞机控制综合、功能综合、物理综合、能量综合的需求，提高能源利用率，实现能量再生。
2第2动力系统发展历程第2动力系统（Second Power System，SPS），是指独立于主发动机，为机载设备提供辅助及应急功率并能起动主发动机的整套装置，已成为现代战斗机必不可少的安全保障，能够生成、变换和传送飞机机电系统所需能源，对提高飞机高机动作战环境下的生存力、实现自主保障具有非常重要的作用。
从20世纪70年代开始，第2动力系统就已在战斗机上得到了普遍应用，其技术发展历程如图1所示。
2.1第1代，单组元第2动力系统第1代第2动力系统是单纯的发动机起动系统，以美国F-100、F-4，前苏联米格-21、米格-23等战斗机为代表，主要用于地面和空中起动发动机。
最初使用火药、电起动机等直接起动发动机；后来发展了图1第2动力系统发展历程技术发展脉络单纯的发动机起动系统由分立的第二动力装轩驱动的系统由分立的第二动力装轩驱动的系统火药、电起动机燃气涡轮起动机机械驱动结构布局气压驱动结构布局气压驱动结构布局电驱动结构布局国外50年代F-10060年代F-470年代F-15F1680年代F-182000年F-3590年代F-22核心产品的发展GTS APU+EPUSIPU计划IPU T/EMM（PTMS）85航空发动机第40卷工作提供应急功率2种功能。
其特点是单组元结构，质量较轻，结构简单，但空中辅助起动和应急能力有限。
2.2第2代，双组元第2动力系统第2代第2动力系统是分立的第2动力系统，以美国F-15、F-16、F-18等战斗机为代表。
随着辅助动力装置（简称APU）和应急动力装置（简称EPU）技术的发展，利用系统综合化技术将二者功能结合起来，采用机械驱动或气压驱动，构成独立的第2动力系统，除起动发动机外，同时具备在地面和空中有限高度提供辅助动力，在全飞行包线提供应急动力的能力。
其特点是由APU和EPU双组元结构构成，实现功能综合，但结构复杂，质量较大。
2.3第3代，集成的第2动力系统第3代第2动力系统是集成的组合动力系统，以美国F-22、F-35等战斗机为代表。
由于第2代第2动力系统为了将APU和EPU功能综合，采用了2套独立的涡轮动力装置及发电机、液压泵负载，结构复杂，体积和质量都较大，因此第3代第2动力系统在保持并拓展系统功能的基础上，在结构上大大简化。
2.3.1实现了物理综合按照美国Kevin等人提出的尽可能简化结构、节省空间的设计思想[5]，从20世纪80年代开始进行研究，对APU和EPU的2套涡轮系统结构进行简化，采取组合动力装置（简称IPU），以APU和EPU齿轮箱共用的结构方式进行集成，从而减少1套发电机和液压泵负载，使结构大大简化，此方案已在F-22飞机上取得成功应用。
2.3.2实现了能量综合未来先进战斗机，复杂程度逐渐提高，热负荷不断增加，引发保障性和热管理问题成为关注焦点。
美国Clifford ndreth等人通过对F/A-18等飞机进行评估，对辅助动力装置提出了优化结构、提高可靠性等要求[6]；美国空军实验室Philip M等人通过对辅助动力装置热排气进行计算分析，提出了对能量进行综合控制等需求[7]。
针对上述问题，随着多电技术的飞速发展和组合动力技术的日趋成熟，国外通过大量研究探索，提出将辅助动力系统与机电其他子系统进行综合，以满足飞机提高隐身、能效、有效载荷、可靠性、维护性等需求，具体方案即采用综合技术把辅助动管理等各自独立的系统功能合并到1个整体系统中，在共用齿轮箱组合动力装置基础上进一步集成，将原EPU燃烧室和APU燃烧室集成为双模态燃烧室，原EPU涡轮和APU涡轮共用，从而大大优化系统结构，由此诞生了以热管理型组合动力装置为核心的机电系统综合热能量管理的概念，使第2动力系统设计技术向前迈进了一大步。