孙友师 ¦ 美空军研究实验室实施新的机载能量系统基础科研计划
机载能量系统是航空器上涉及能量供给、能量转化、热量排散系统的总称。这些系统不仅保证和支持当前飞机机载系统的正常工作，极大影响其作战效能，并直接决定未来作战飞机能否安装定向能武器，以及高超声速飞机是否能投入实用等。美空军一直十分重视机载能量系统技术研究，并已实施多个科研计划。2018年10月25日美空军研究实验室又开始了“电力、能量、热、综合和控制”计划（PETIC计划）招标，以继续推动相关技术发展，使之成为美军未来航空装备的关键优势技术。
美空军研究实验室在美国“联邦商机”网站上发布“电力、能量、热、综合和控制”计划征求书（美国联邦政府“联邦商机”网站图片）
一、计划的投资背景与研究基础
1．以满足未来军用航空平台能量与电力需求为目标
美空军认为，为了在未来对抗环境中保持空中优势，下一代战斗机必须具备电子攻击、激光打击、更高隐身等先进能力，这对电力系统和热管理系统都提出了严峻挑战。此外，复合材料蒙皮、高效率发动机和高度嵌入式的系统将使得飞机散热更加困难，加剧了对热管理技术研究的挑战。为此，须围绕实际作战需要，通过持续科研工作寻求机载能量系统技术新突破，使之成为未来航空装备的促进性而非瓶颈性技术。
美空军在2015年提出的机载激光武器技术路线图（美空军图片，中国航空工业发展研究中心汉化）
2．已连年实施多个综合演示验证计划，促进部件和子系统技术成熟
美空军已针对未来装备需求，实施了多个预研计划和演示验证计划，促进了部件和子系统技术的成熟。
针对第五代战斗机需求，从1990年左右开始先后实施了多电飞机计划、子系统综合技术计划和“联合攻击机综合子系统”演示验证计划。这些计划研究并验证了高压直流电机、电作动器、动力与热管理系统等机载能量系统关键技术，并在F-35等型号上获得应用。
针对未来空中优势平台需求，实施了“飞行器能量综合”计划（INVENT）、“综合动力与热管理验证机”计划等。前一计划重点发展自适应动力与热管理系统、鲁棒电源系统和高性能电作动系统三大子系统，2016年年底完成地面综合演示验证；后一计划2011－2014年实施，重点开发了包含电气模拟器和武器载荷模拟器等的综合验证平台，并集成到前一计划形成的系统综合设施中。
美空军在“飞行器能量综合技术”计划中，围绕能量综合，通过基于模型的设计，针对发动机（ENGINE）、燃油热管理系统（FTMS）、自适应电力与热管理系统（APTMS）、飞行器系统（AVS）、高性能机电作动系统（HPEAS）、鲁棒的电源系统（REPS）建立了综合模型（美空军图片）
3．持续投资机载能量系统基础科研，探索推动新技术发展应用
除了上述演示验证机计划，美空军还先后实施了多个基础科研计划，探索和研究机载能量系统相关的基础科学和材料、器件、建模仿真等技术。
2003－2010年，实施了“航空航天电力与热技术”计划，在发电、电能管理与分配、储能和子系统综合四个技术领域开展基础科研，先后开展了电力组件、固体氧化物燃料电池、用于电绝缘的纳米填充聚合物、高温超导体、高性能永磁体、高能量密度聚合物薄膜电介质、先进导体和热科学等研究。
2012年起，启动了“电力、能量和热科学研究”计划，继续在上述四个技术领域开展研究。招标书中规定该计划在2012～2018年实施，目前还在进行当中。已经公开的一项研究为电力、热与控制技术与工艺实验研究，包括飞控机电作动器热管理研究、评价飞控机电作动系统的实验室设备等内容。
二、计划的主要内容
1．计划概况
2018年10月25日开始招标的PETIC计划为“航空航天电力与热技术”和“电力、能量和热科学研究”两个计划的后续计划，面向兆瓦级远程空中优势飞机、长航时无人机、高超声速飞机、定向能武器及“高效中等尺度推力”（EMSP）等应用。其中，高效中等尺度推力平台是一个开发和验证用于MQ-9“死神”和其他中高端无人机先进推进技术的研究计划，其目标是使功率翻一番、增加航程、延长留空时间，并去除当前MQ-9所需的保障设备。
根据招标书，PETIC计划总经费为9900万美元，研究周期为7年，初始任务订单包括两个，总经费为4850万美元。第一个初始任务订单为PETIC分析、综合和目标系统科研计划。第二个初始任务订单为PETIC先进组件和子系统热物理、电化学和电磁实验学术研究。两个任务订单的研究目标都是推进PETIC组件和子系统技术发展，开展热物理、电化学、电磁学领域科学研究，使技术成熟度从1～2级提升至3～4级或更高，以满足先进军用平台的需求。
美空军研究实验室在计划征求书附件中，提供了其有关科研基础设施的介绍。上图为第19号建筑，原为1922年建于代顿的一座风洞，2010年3月由美空军委托埃莫森工程公司开展改装为综合能量与热实验室的设计，2013年2月由美陆军工程兵开始施工改造。该建筑物内的可用研究空间达到1.7万平方英尺，约合1580平方米（美空军研究实验室图片）
2．主要研究内容
PETIC计划研究领域包括基础材料与装置特性研究、组件原型开发与测试、子系统与系统级综合及综合演示验证、支撑高功率性能和能量优化的先进控制系统，以及每个领域相应的建模与仿真，以及整个军用平台效能评估。
具体而言，PETIC计划包含14项研究内容。
①机械子系统与能量转化：主要包括高温线缆绝缘技术、热电技术、碳纳米管技术、超导材料、机械和磁行为建模、磁材料开发和制造、无传感器算法和先进控制方法等。
②机电作动／电静液作动和液压作动系统：包括作动系统的热管理、双作动构型的力纷争减缓、功率特性描述和管理、性能评价和评估、飞行品质试验、以及故障模式和可靠性研究等。
③军用平台与定向能武器系统的PETIC相关子系统综合／概念分析和效益评估：包括综合／能量优化的先进储能、作动、鲁棒电源／电力电子器件等开发；进行初步的子系统和综合系统建模与仿真，开展实验室演示验证。
④应用温度范围更宽的电力组件开发：包括电力装置设计和可靠性评估、充电装置材料和封装、用于可靠的门电路订制的介电薄膜、宽禁带电力装置。
⑤电力管理与分配：其中组件技术包括固态开关装置、磁装置、电容器和能量转化装置；系统级技术包括用于电动机的先进逆变器、变换器和控制器、起动发电机、综合动力装置及磁悬浮轴承。
⑥先进导体研究开发和热科学研究：研究和开发高温超导体、热电材料、碳纳米管、热界面和磁性材料的属性测量技术和测量标准；建立新型工艺探索电子和热属性，以开发结构－属性－工艺的关系。
⑦储能科学研究：提高28伏至270伏储能系统中的电池性能；拓展热电池的主动运行时间，减轻重量以用于战术导弹或者飞机应急电源；提高长航时任务所需的高能、高功率燃料电池效率。
⑧锂离子／锂空气电池和燃料电池材料的合成与特性研究：开发和优化新型电解质和先进的电极技术；制造先进锂离子和锂空气电池的概念验证原型系统，并进行特性研究；确定电池寿命和性能。
⑨电力生成／处理和使用技术开发：通过实验研究来开发和优化从发电到用电的综合电力系统，预期的研究内容可能包括多个发电机控制技术。
⑩综合动力与热管理架构开发：研究、设计和分析自适应动力与热架构，开发飞行器能量控制器，这些架构或者其中一部分的建模与仿真，研究这些架构不同组件的技术规范。
⑪飞机子系统和航空航天定向能系统综合设施开发：识别和开发过程与设施，完善实验技术，建立兆瓦级驱动台，获得高可靠宽温度范围的测试能力。
⑫热管理研究与开发：开展科学研究，进一步了解热管理的基本原理，演示用于下一代军用平台的热管理组件和子系统支撑技术，识别与热能采集、传输、存储、排放和转化的相关技术。
⑬综合飞机系统的控制与估计：包括最优控制、预测控制、分布式控制、贝叶斯估计、形式综合、机器学习、分布式感知、误差传播、误差估计等研究，最终目标是将这些技术用于演示验证计划（如兆瓦级飞机验证机计划等）。
⑭项目管理：包括活动和里程碑进度安排、状态描述、项目规划、目标达成情况描述、技术突破记录等。
美空军研究实验室在计划征求书附件中，提供了其有关科研基础设施的介绍。上图为其“建模、仿真、分析与试验（MEST）实验室”的介绍（美空军研究实验室图片）
三、几点看法
机载能量系统技术已成为航空装备发展的“瓶颈”技术，严重制约军机的飞行能力和作战效能。但同时，超导技术、纳米材料技术、宽禁带半导体电力电子器件技术、新型控制技术等新兴技术的发展和应用，或将为发电、储能、热管理等技术带来新的突破，有望解决上述“瓶颈”问题。美空军长期持续地投资机载能量系统的基础科研，相关的研究成果支撑了型号的发展，为美军航空装备享有跨代能力和指标提升提供了关键基础。
美国诺格公司提出的未来战斗机想象图。该公司认为，热管理技术是未来作战飞机最为关键的技术之一。美空军将其之前启动的“下一代热、电力与控制”（NGT-PAC）计划内容被列为绝密级，很可能是因为该计划涉及的内容会直面未来作战飞机的热管理等解决方案，未来或将成为美空军的一项关键技术优势（美国诺格公司图片）
我国机载能量系统技术长期被视为“配套”，投入不足，当前存在诸多问题。这些问题得不到解决，将严重影响我国未来航空装备的发展，使我未来空战平台等装备与强敌之间出现大的能力差和指标差。借鉴美空军经验，我国应将机载能量系统技术视为须主动发展的独立技术领域，按照科学规律，立足解决基础技术问题并进行前沿探索研究，加强机载能量系统基础科研，补齐短板，夯实基础，满足当前迫切需求，支撑未来跨越发展。
2017年11月，准备参加朱日和阅兵的中国人民解放军空军歼20战斗机（前3架）和歼16战斗机（后3架）。过去，由于认识、机制的等原因，更因为资源限制，我国航空工业将机载能量系统等技术和产品长期视为“配套”。随着我国综合国力提升、我军和我国国防工业的发展转型，加之机载系统日益成为军机作战效能和作战适用性的决定性因素，我们必须尊重科技发展规律，将航空武器装备所涉及的各项技术领域都视为独立的，不受型号立项束缚实施领先发展，借鉴美空军，不断设立科技专项，不断开展演示验证，持续提高成熟度、技术指标和集成适应性，为航空武器装备型号发展提供丰富的技术储备。简言之，一轮轮“跨代”思维属于装备，也只应属于装备；我们更需要的是从科技视角竖立“超越‘跨代’，以持续科技创新常态化引领战斗力生成与跃升”的新思维。同时必须认识到，我国资源投入规模与美国仍然难以相比，而装备成本问题近来在我国日益突出。因此，除了军方和政府应保持对机载系统技术发展的重视和投入，相关企业也应尽量寻求技术的通用性和跨域拓展应用，特别是考虑军民融合，降低技术发展与应用的风险和成本，获取更多的发展资源（中国空军图片）
孙友师先生已为《空天防务观察》提供5篇专栏文章，如下表：
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序号 |
篇名 |
发表日期 |
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1 |
2017年1月16日 |
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2 |
6月19日 |
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3 |
8月23日 |
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4 |
12月11日 |
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5 |
美空军研究实验室实施新的机载能量系统基础科研计划（即本篇） |
2019年1月17日 |