戰斗機用輔助動力裝置的發展

■ 馬強 田宏星/中國航發動研所

輔助動力裝置（APU）是指為主發動機的起動和飛機的環控、液壓、電力等系統提供輔助能源的動力裝置。結合戰斗機的發展，可以一窺輔助動力裝置發展的過程和趨勢。

輔助動力裝置（APU）本質上是一臺燃氣渦輪發動機，為主發動機的起動和飛機的環控、液壓、電力等系統提供輔助能源，并不直接為飛行提供動力，因此這類發動機被統稱為輔助動力裝置。輔助動力裝置誕生于20世紀50年代，最初的目的是滿足大推力/功率發動機對起動功率的需求，以取代質量大的電起動機、液壓起動機、活塞起動機及其附設系統。此后，隨著飛機需求的增加、航空技術水平的發展，輔助動力裝置的功能日趨多元化，從短時工作的單一起動能源，演變成為可長時間工作的能輸出多種能源的動力裝置。以下結合戰斗機的發展，就戰斗機用輔助動力裝置的應用情況和發展趨勢進行分析。

第一代、第二代戰斗機的起動方式

第一代戰斗機最大特征是突破聲障，實現馬赫數（Ma）1以上的飛行速度，主要作戰方式是近距離格斗，代表機種有蘇聯的米格-19和美國的F-100、F-104等。第二代戰斗機采用了更優設計的后掠翼或三角翼、梯形翼面，采用更強勁渦輪噴氣發動機，達到兩倍聲速的飛行速度和20000m的飛行高度，主要還是視距內作戰，代表機種有蘇聯米格-21、美國F-4和法國“幻影”Ⅲ等。第一代、第二代戰斗機的發動機推力較小，對起動功率的需求也較小，因此多采用電起動機，見表1。

電起動機的優點是結構及控制簡單、使用方便可靠，容易實現起動自動化；缺點是低速電起動機的總質量大，功重比不到0.3kW/kg，因此一般起動功率都低于30kW；蓄電瓶的質量大且對電壓降很敏感，在冬季低溫條件下蓄電瓶的電容量顯著下降且不可靠，受蓄電瓶容量限制，一般只能保證連續3～5次的起動。

第三代戰斗機用輔助動力裝置

第三代戰斗機采用以空氣動力學優化后的氣動外形,大量采用復合材料減輕質量、增加強度，都采用“尖頭”造型并裝備大型航空雷達，大量使用先進航空電子設備，最大飛行速度維持在Ma2左右，最大升限20000m左右，但機動性大大加強。這一代戰斗機以“超視距空戰”為主要作戰場景，代表機種有蘇聯的米格-29/31系列、蘇-27系列，美國的F-14/15/16/18系列，歐洲的“幻影”2000和“狂風”戰斗機等。第三代戰斗機使用的發動機較第一代、第二代戰斗機的推力增大，對起動功率的需求也增加，多采用功重比大的機械型APU（即燃氣渦輪起動機），見表2。

表1 第一、二代戰斗機發動機起動方式

表2 第三代戰斗機用輔助動力裝置

機械型APU是指該類APU直接輸出軸功率，通過機械傳動起動主發動機。該類APU的本身就是一臺微型燃氣渦輪發動機，自身的起動功率小，但輸出功率大；不需要特殊工質，可多次獨立起動主發動機；功重比大大增加，達到0.88～2.5kW/kg；對帶自由渦輪的燃氣渦輪起動機，其燃氣渦輪大部分時間處于穩定工作狀態，自由渦輪轉速變化平穩，保證主發動機在起動過程中平穩加速。缺點是APU必須盡量靠近主發動機安裝，不利于飛機布局，同時缺乏備用起動手段。此類APU功能比較單一，多數僅用來起動主發動機。

三代半戰斗機用輔助動力裝置

第四代戰斗機的典型特征是超聲速巡航、隱身性、短距起降能力、超機動性，代表機種為美國的F-22和F-35，但有些戰斗機僅部分達到了第四代戰斗機的特性要求，因此被稱為“三代半”戰斗機，典型機種有歐洲合作研制的EF2000、法國的“陣風”和瑞典的“鷹獅”等。三代半戰斗機采用的是空氣渦輪起動機（ATS）起動主發動機，使用氣壓型APU為空氣渦輪起動機提供壓縮空氣，見表3。

氣壓型APU是指該類APU輸出壓縮空氣，通過管路去沖擊ATS，然后由ATS輸出軸功率帶動主發動機起動。這種氣壓型APU+ATS的起動方式的好處是，APU的安裝位置靈活，可遠離主發動機，有利于飛機系統布局。同時ATS使用的壓縮空氣來源豐富，既可由APU提供，也可由已起動的主發動機或機場地面氣源車提供，使用靈活。與機械型APU相比，氣壓型APU不僅可用于起動主發動機，還可以為飛機環控系統提供壓縮空氣、為電力系統提供電源，從而提高戰斗機的自主保障維護能力。缺點則是整個系統轉化效率低，要求APU的額定功率較大，機體內需布置較粗的空氣管道。

表3 典型第三代半戰斗機用輔助動力裝置

第四代戰斗機用組合動力裝置

一些戰斗機上除了有APU外，還有一種應急動力裝置（EPU）為飛機快速提供短時應急功率。傳統APU和EPU在戰斗機上分開布置、分時工作、優勢互補，共同降低飛機的維護使用費用和保證飛機的飛行安全。APU使用飛機上的燃油和外界空氣工作提供起動和輔助能源，工作高度有限（通常低于13000m），起動時間較長（通常在30s以上），優點是可長時間工作；EPU則是一臺沒有壓氣機、使用飛機上的燃油和機載壓縮空氣工作或主發引氣的渦輪動力裝置，由于其工作介質都來自機上，因此可在飛機飛行全包線內工作，起動時間短（2～5s），缺點是機載壓縮空氣瓶體積有限，工作時間受限（2min內）。隨著第四代戰斗機復雜程度的增加，使得尺寸、質量、航程、隱身、新武器、多余度、經濟性之間的矛盾愈加突出。要在有限空間內實現使用功能、性能的增加，除了在原有設備基礎上進行性能提升和小型化發展之外，另外一種思路就是將原有分散獨立、各司其職的系統或裝置進行有效綜合，實現一物多能，從而節省空間和減輕質量。美國的F-22和F-35戰斗機就是基于上述理念，發展出了組合動力裝置（IPU），見表4。

圖1 G250組成示意圖

G250組合動力裝置

F-22戰斗機上的G250組合動力裝置就是采用物理組合的方式將APU和EPU綜合到一起。與傳統分開布置的APU和EPU相比，G250至少節省了一套齒輪箱和一套液壓泵及發電機（如圖1所示），整個系統體積縮小，質量也減輕40%。

工作中，APU在有限高度內（12500m以下）提供軸功率給齒輪箱，驅動其上的發電機和液壓泵，也可在更低高度范圍內提供壓縮空氣用于主發動機的起動或是飛機的環控系統。EPU則用來起動APU或在飛行全包線范圍內、應急條件下驅動發電機和液壓泵（此時也以半速帶動APU空轉）。當飛機高度降低到APU工作高度時，APU點火起動接替EPU的工作，實現無縫切換。上述功能的實現都有賴于一個帶有兩速三離合器的齒輪箱。

F-22飛機上還帶有一個壓縮機，可在飛行中利用沖壓為EPU用的壓縮空氣瓶充氣。

G230組合動力裝置

F-35戰斗機上的G230組合動力裝置僅輸出電功率，采用更先進的設計技術使得APU直接綜合了EPU的功能，繼續優化系統的體積和質量（如圖2所示）。

綜合APU和EPU功能的關鍵是一個帶節流裝置的壓氣機，即在離心壓氣機進口帶有進口導葉、在壓氣機出口有擋板閥。當以APU模式工作時，壓氣機進口導葉和擋板閥打開，此時G230就是一臺自吸氣的燃氣渦輪軸發動機，吸入大氣與燃油在燃燒室點火燃燒后，沖擊渦輪去驅動一臺大功率（約130kW）的起動發電機發電，提供電源給主發動機的起動發電機和飛機其他電源系統。當以EPU模式工作時，壓氣機進口導葉和擋板閥關閉，機載壓縮空氣瓶的壓縮空氣進入燃燒室與燃油混合燃燒后，沖擊渦輪去驅動起動發電機發電。當飛機的飛行高度下降到APU模式的工作范圍時，G230還能從EPU模式切換到APU模式，不間斷地為飛機提供電源。

表4 第四代戰斗機用組合動力裝置

圖2 G230組成示意圖

結束語

輔助動力裝置自誕生以來，功能由最初的提供單一起動能源，發展到現在為飛機提供起動、輔助和應急能源，功能的增加不單單是由當時的技術水平決定，還與飛機系統設計的需求密切相關，即需求作為牽引，技術作為支撐，兩者相互制約與促進。

（馬強，中國航發動研所，工程師，從事輔助動力裝置設計研究）