当飞机遇上电——多电飞机的优势与展望，兼谈F35战斗机的电源和热管理系统(PTMS)系统

传统的飞机，除了燃油作为一次能源以外，还配备有电能、液压能、气压能以及机械能作为二次能源

波音787梦幻客机

传统的飞机，除了燃油作为一次能源以外，大多数还配备有电能、液压能、气压能以及机械能作为二次分配能源。而每一种二次能源都需要配备各地独立的生产、转换、分配、传输以及相对应的控制吧、保护设备才能构成一套完整的应用系统。但是由于诸多设备之间复杂的应用逻辑关系，给飞机的结构设计带来了许多不便。例如发动机附件繁杂、设备安装位置紧张、检修作业面不便等需要随之而来的问题。如果因为二次能源传输、管理等原因造成泄漏甚至会导致飞机失能以及坠毁。最典型的问题就是由于液压管理泄漏导致飞机操控面失效导致飞机坠毁等严重问题，因此为了避免此类问题的产生，飞机甚至配备了三套相互独立的液压系统才能保证绝对安全。如此一来，原本就紧张的机体空间更加捉襟见肘，为此航空业界提出了多电飞机(MEA)这一构想。让电力尽量多的取代原有的二次能源，相对应的液压、气压以及机械能等利用与传输都通过电力线缆。对于航空科技来说，它改变了传统飞机的设计理念，为航空科技的技术革命带来了新鲜血液。

在最新的波音787梦幻客机上，首次在大型民航客机上实现通过电动起动机带动发动机，改变了以往通过引用地面高压气源或者通过辅助动力单元引气启动飞机发动机的模式，不仅发动机的启动更加便捷，还能左右两台发动机同时启动。

随着技术的进步，飞机的发电机的功率也在逐步增强。从波音767/777上的单台120千伏安的发电功率，增长到波音787上单台功率达250千伏安，原来每台发动机带动1台发电机，到了787上每台发动机带动2台发电机，全机4台发电机能够带来多大1000千伏安的强大电力供应。

波音787上的宽变频启动发电机(VFSG)

在波音787梦幻客机上，每台通用电气的GEnX发动机都通过齿轮及轴传动至发动机下部的两台变频启动发电机(VFSG)，2台引擎搭配4台发电机，总计1000kVA的发电能力，不仅为飞机提供了强大的动力，还能利用发电机作为启动机带动发动机启动。实现了功能部件的功能复用，减少了组件数量也降低了重量体积。

由于发电能力升级，飞机的电网结构也需加强，才能与之匹配。在传统的飞机上，三相交流发电机输出115伏、400赫兹的三相交流电，与之匹配的飞机骨干电网也为115伏。在波音787上，发电机输出230伏、400赫兹的三相交流电，并且通过电力转换单元变换成270伏直流、28伏直流或既有的115伏交流电供应给不同的用电设备。

在辅助动力单元部分，安装了一台普惠公司的APS5000APU，他是业界首款用于大型商用飞机的全电动APU。通过一台单轴变速燃气涡轮机带动两台启动/发电机(ASG)，在海平面上可产生多达450千伏安的电力，系统能稳定运行至1万3千米高空。APS5000APU专为波音787梦幻客机设计。不仅是同类产品中最安静的APU，也具有业内最低的碳排放量。

APS5000APU可见其位于前部的双ASG启动\发电机

波音787梦幻客机利用位于机体后部的备用锂电池组，通过辅助动力单元内的动/发电机实现辅助动力单元的自启动。当辅助动力单元实现自启动后，就能通过辅助动力单元以及内部的两台启动/发电机向飞机提供电力，带动波音787梦想客机上的4台客舱空气压缩机(CAC)实现客舱的环境温度控制。

在波音787上，得益于供电容量充裕，客舱空调也首次实现了空调的电驱化。通过安装4台客舱空气压缩机实现客舱的制冷、制热及加压，通过控制单元调节压缩机转速以及各活门开关的角度，能够更加精确以及经济的方式控制客舱环境。

波音787上的空调进气口

在客机上客完毕、推出后，波音787梦想客机还能利用辅助动力单元提供的澎湃动力，利用发动机内部的启动电机，不仅取代了以往辅助动力单元通过引气方式启动发动机，更进一步的实现同时启动两台主发动机，降低了以往由一台启动完毕后再启动另外一台发动机的冗长时效。

主发动机由APU发电启动

当飞机两台发动机均完成启动后，启动/发电机变随机转换模式进入发电模式，飞机供电由发动机带动的4台变频启动发电机提供最高1000千伏安的电力供应能力。

正常飞行情况下各部件的状态

此外，得益于电力驱动环境控制压缩机和多电结构，机场只需要利用地面电源插座直接向波音787梦幻客机提供115伏交流电即可实现客舱环境控制系统的运作以及发动机的启动等作业。不在需要传统的地面空调、地面电源、地面气源等繁杂的供应，简化了保障流程，提高了系统的可靠度。

在波音787梦幻客机上，不仅环境控制系统实现了电力化，在液压部分，也利用电动液压泵实现了无中央液压结构。

与传统黄绿蓝三余度液压系统类似，787上也有三套独立的左、中、右液压系统共同执行飞机主要的飞行控制系统以及起落架收放、前起落架转向等操作。左、右液压系统与传统飞机一直，利用安装在发动机附件机匣内的液压泵提供液压压力，除此之外，还通过两台电力驱动的液压泵提供高峰时期以及地面操作要求。而787与传统飞机不同的地方在于中液压系统两台独立的液压泵由电力驱动，在飞行过程中仅需开启一台液压泵即可满足飞行需要，在起飞和降落时需要更多的操作压力时额外开启另外一台液压泵就可以满足飞行需求，这大大的提高了能源使用效率。另外，传统的客机液压系统压力仅为21兆帕，而在空中客车A380和波音787上，液压系统压力提升至35兆帕，更高的操作压力能减小液压元件的体积及重量，为飞机的减重带来了福音。

得益于多电飞机结构，波音787上采用了电刹车系统取代传动的液压刹车系统，因为没有液压管路，避免了液压系统管路的泄露，极大的降低了检修、维修成本，提高了飞机全生命周期内的收益。

在传统的飞机设计中，飞机的辅助动力单元(APU)、应急动力单元(EPU)、环境控制系统(ECS)以及热力管理系统(TMS)是分开的四套系统。不仅占据了大量的机内空间，也让飞机付出了更多的重量负担，对于作战飞机这样的体积及重量敏感的设备来说，这是一个致命的缺点。辅助动力单元在飞机升空后将失去作用，就会成为飞机的重量损失；而应急动力单元只有在主发动机发生故障时才会发挥其效力，在其他时间均是飞机的重量损失。利用多电飞机结构，不仅使飞机上的功能部件实现功能复用，减少死重，更能利用充沛的功率储备添加各种设备更好的为乘客服务。

传统的飞机结构

这样的构思在美国最新的F-22“猛禽”及F-35“闪电Ⅱ”战斗机上均有体现。

美国空军在F-22上初步的实现了辅助动力系统和应急动力单元的整合，形成了一套辅助动力生成系统(APGS)。传统的飞机通过水合肼(有毒燃料)的催化分解，利用喷气推动应急动力单元的动力涡轮来恢复辅助动力单元的部分动力来帮助辅助动力单元恢复运转。而F-22上，高压气瓶通过存储压缩气体，直接驱动辅助动力单元的动力涡轮帮助辅助动力单元实现自启动。辅助动力生成系统减少了一套动力涡轮，实现了两套单元的简化。

F-22辅助动力生成系统地面点火自启动

F-22的辅助动力生产系统

F-22上还让环境控制系统以及热力管理系统的进行初步整合，通过设计了一套混合热量/能量管理系统(T/EMM)，让F-22拥有了一套较为先进的环境、热量控制处理系统。

而F-35采用了全新设计的飞机电力和热力管理系统(PTMS)以取代以往的飞机上四套系统提供的所有功能。采用同一个动力涡轮来为辅助动力系统和应急动力单元提供动力，为环境控制系统提供冷却气流，为热力管理系统带来支撑，这将极大的节省因设备闲置而带来的重量损失。

F-35上的PTMS系统简图

F-35上的PTMS组件

F-35上的PTMS系统的循环状态

在获得了强大的电力供应后，F-35也将飞机电网由115伏交流电网升级至270伏直流电网。发电机输出的270伏直流电还通过变换器变换为部分传统航空电子设备需要的28伏直流以及115伏交流电。

传统的飞机，除了燃油作为一次能源以外，大多数还配备有电能、液压能、气压能以及机械能作为二次分配能源。与前文所述的波音787梦幻客机类似，F-35上保留了许多液压驱动部件，例如起落架收放、起落架舱门或者机炮驱动等等部件。但是由于采用了多电飞机结构，F-35上不需要复杂的三冗余液压系统结构，只需要通过布置两套独立的左液压、右液压液压系统提供飞机操作液压压力。同时，利用发动机驱动的液压泵与电动机驱动的液压泵形成冗余系统，不仅能在发动机失效的紧急情况下提供液压压力，也利用电动泵提高燃油经济性。

F-35液压系统

而且得益于F-35开始在飞机上使用的多电结构，可以利用电动静液作动器(EHA)和机电动作器(EMA)来替代原来的液压机构为翼面等提供动作装置。不仅能替代冗余切沉重的液压管路系统，还能利用分布在机体各处的电力为各动作器提供冗余保障。

例如F-35C型舰载机上，机翼折叠结构利用机电动作器即可完成机翼折叠，不在需要布置复杂且冗余的管路即可完成收放。

与传动的液压系统又液压动作筒驱动机翼操作面不同，F-35上使用了电动静液作动器来替代部分机翼操作面的液压动作筒。

在襟副翼、水平尾翼及方向舵上就采用了电动静液作动器。且由于执行结构的复杂程度还区分了单动作筒及双动作筒。

电动静液作动器不仅不再需要布置液压管线，也通过更高的操作压力减小了动作筒的整体体积，实现更快的操作响应速度，这都极大地增强了飞机的操纵性及灵活性，为F-35的超机动打下了基础。

民用客机上的普及的多电飞机结构能够促进了军用飞机更安全可靠的使用多电飞机的结构。例如首先在客机上实现的35兆帕液压系统，在F-35上也有所体现，F-35虽然没有使用更高一级的35兆帕液压系统，但也较之传统的21兆帕的液压系统，将液压系统的压力提升至了28兆帕。

在F-16试验机上首先实验的270伏直流电网，波音787以及F-35上都得到了应用，利用方便快捷的直流输配电，能够更多的使用电驱动的执行单元或者驱动模组，机载设备都统一使用电力这一二次能源作为动力，减少了不同系统产生的复杂且冗余的配置。军用的先进技术下沉民用，民用成熟技术反哺军用，两者相辅相成，值得我们学习与思考。

F-35Overview|Defense&Space|HoneywellDefense&Space

F-35的采用了一套名为高度综合化的综合动力系统(IPP)的电力系统。整个电力系统的主要电力来源为两台发电机，既从主发动机通过传动轴连接至两侧的额定功率为80千瓦峰值功率120千瓦的直流发电机。额定输出电压为270伏的直流电，两台发电机将输出电力接入位于机体两侧的名为1#&2#的直流电网。

主发动机两侧各有一台名为SRS/G的开关磁阻电机/起动机。其中一侧的SRS/G串联着一套名为飞机电源和热管理系统Theaircraftpowerandthermalmanagementsystem的系统，简称PTMS。

该套系统有以下四种主要的运行模式：

1.自启动模式(SSM)、

2.主引擎启动模式(MES)、

3.冷却模式(CM)、

4.应急发电模式(EPM)；

5.其他辅助模式组成。

当飞机动力和热力管理系统(PTMS)处于自启动模式时，系统中的SRS/G起动机使用来自飞机电池的电力获得运转动力，压缩机处于开放模式运行，压缩机出口的空气被送至燃烧室，空气经过加热后被送往动力涡轮。动力涡轮与压缩机处于一根轴上，发电机与冷却风扇通过一根轴相连，两根轴通过一个可控制开断的滑套相连接。当涡轮动力转速达到一定转速后，发电机既能稳定的输出电力，动力和热力管理系统则将进入自我维持模式。这时飞机通过消耗燃油来获得电力。此模式下发电机能提供飞机地面检测所需要的电力以及为后续的主发动机启动模式提供相应的电力，此时飞机最大供电能力为80千瓦。此模式类似于其他飞机的辅助动力系统(APU)工作模式。

当PTMS处于主引擎启动模式时，飞机通过持续燃烧燃料来获得动力，并通过配电网络将电力提供给另外一侧的SRS/G电机，SRS/G电机此时处于电动机模式，带动主发动机运转。当主发动机运转到一定转速时，既能通过油泵给主发动机点火，主发动机则启动完毕。

当主引擎启动完成后，PTMS将进入冷却模式(CM)下工作，处于这种模式工作时，PTMS的燃烧室将停止使用，PTMS的动力涡轮由高压压气机相连的引气管压缩空气驱动，压缩机处于半闭环控制。如压缩机处于关闭状态时，压缩空气通过风管热交换器(FDHX)，而进一步膨胀而进入冷却涡轮。来自涡轮出口的部分冷却空气则被输送至驾驶室用于增压以及空气调节。剩余的冷空气则将用于冷却航空电子设备以及飞行关键设备和其他由液冷冷却的热负荷的热交换器。一个单独的气流也提供给压缩机入口，以取代用于座舱冷却和增压的空气。这种“补充空气”是通过一个单独的风扇管热交换器冷却后从高压压气机中获得的。

如果在飞行中主发动机发生故障，PTMS则自动将进入应急发电模式。在此模式下，压缩机将旁通阀打开，类似于主引擎机启动模式。压缩机则将空气与飞机高压气瓶存储的压缩气体一起泵入PTMS的燃烧室，应急燃油系统将燃气喷入燃烧室燃烧。经过加热膨胀后的高温高压气流驱动动力涡轮继而带动整个PTMS的发电机组从新恢复供电以及让PTMS整个涡轮系统处于稳定工作状态。PTMS将持续的为飞机关键的设备进行供电，并将发电机处于应急模式能额外提供40千瓦的供电能力。并让另外一侧的SRS/G电动机带动发动机从新恢复运转。

这套由霍尼韦尔公司开发的飞机动力和热力管理系统(PTMS)将辅助动力单元(APU)、应急动力单元(EPU)、环境控制系统(ECS)和热力管理系统(TMS)的功能集成在一个集成系统中。对于F-35飞机来说，与使用单独的“联合”二次动力系统的配置相比，这种方法大大减少了飞机的整体尺寸和重量。未来的飞机采用新的更多的电力架构(MEA)和节能飞机(EEA)的倡议可能也会受益于这种综合方法，但它们也可能需要增加发电能力，更大的冷却能力和更高的运行效率。此外，这些飞机可能需要一个自适应电源和热管理系统(APTMS)，可以重新配置，以优化各种飞行条件、不同的任务和用于各种平台的操作。为了满足这些未来飞机的需求，需要结合新技术和架构，进一步集成其他飞机系统，并考虑采用更先进的控制和保护算法。