孙友师 ¦ 美空军着力“飞行器能量管理”技术发展
由于未来飞机可能要装载激光武器等高能耗系统，会带来用电量和热载荷的大幅增加且波动剧烈，而飞机发电容量和热管理能力有限，因此如何高效管理飞机能量成为一个亟待解决的问题。为此，美空军近期提出了“飞行器能量管理”（AVEM）的概念，指的是通过优化控制策略，实现飞机在整个飞行任务中及各子系统之间动态高效分配和管理电能和热能。
一、“飞行器能量管理”技术提出的背景和研究历程
1. “飞行器能量管理”概念提出的背景
未来飞机面临严重的电力和热管理挑战主要来自两个方面：一是多电飞机的发展使得飞机上机载系统用电量大增，同时产生越来越多的热；二是由于隐身和采用复合材料机身等设计要求，飞机排热受到了限制。这些问题如果得不到解决，将严重影响未来飞机执行任务的能力。
为此，美空军2008年启动了“飞行器能量综合技术”（INVENT）计划，提出了“能量优化飞机”的概念，试图通过发展自适应动力与热管系统、鲁棒电源系统和高性能电作动系统等先进技术来解决上述问题，但该计划没有过多考虑系统的控制策略问题。目前，INVENT计划即将结束，后续计划也将于2017年启动，但美空军没有透露出更多的信息。
美空军研究实验室在2012年对“能量优化飞机”的阐释（美空军研究实验室图片）
美空军认为，传统上仅通过各个组件的技术进步来提高系统能力的“孤立式”设计方式已很难再取得更大的效益。因此，未来飞机设计必须综合考虑系统之间能量的动态交互信息，探索新的控制策略，在飞机子系统内部和子系统之间更有效地利用能量，挖掘系统和子系统的潜力，提高未来飞机的用能效率。在此背景下，美空军提出了“飞行器能量管理”概念。
2. 美空军“飞行器能量管理”技术研究历程
在“能量优化飞机”相关计划中，美空军对能量的管理与控制提出了一些要求。如2010年发布的INVENT计划第二阶段招标书中，提出了自适应选择最佳热沉和动态进行热管理的能力要求；2015年发布的《混合循环动力与热管理系统》招标书中，包含了“控制策略”和“能量管理”的设计要求等。但上述要求涉及范围较窄，所提要求也较为笼统，对能量的控制与管理问题考虑不够深入。
美空军研究实验室在2012年提出的INVENT计划的近期、中期和远期目标（美空军研究实验室图片）
2016年12月，美空军研究实验室发布了一份题为《飞行器能量管理》的信息征询书。其中给出了AVEM具体定义，全面考虑了飞机上与电能和热能相关的子系统；提出了技术选择指导原则、目标和关注的技术领域。
2017年5月，在美国代顿市召开的“三军能量优化飞机”年度会议上，美空军研究实验室做了“飞行器能量管理系统”专题报告。该会议是美国防部推广飞机能量优化技术的重要会议，从2012年起每年5月在代顿市召开，密级很高，仅公开会议议程。从AVEM列为会议议程可以看出，美空军高度重视飞机能量的管理与控制技术发展。
二、“飞行器能量管理”技术的选择原则、目标及技术领域
《飞行器能量管理》信息征询书首页（美空军研究实验室图片）
1．技术选择的四个指导原则
美空军研究实验室提出发展AVEM技术有四个指导原则：能力、敏捷性、可靠性和经济性。
能力原则：通过对电和热相关子系统的控制，使这些子系统能够满足更大、变化更剧烈的电和热载荷需求，从而支撑更强的任务能力；通过整机资源共享来处理大的间歇性电和热载荷，同时保护飞行关键子系统不受影响。
敏捷性原则：实现快速对飞机能量系统进行综合和重构，要求不同厂商的新技术能快速应用到系统中，并能够根据战场变化修改能量控制策略。
可靠性原则：确保飞行和任务关键系统的鲁棒性和弹性运行。
经济性原则：通过降低开发成本、软件验证成本，以及飞机重量来降低总成本；通过使用更小型化、更便宜的子系统来降低采办成本。
2．三个目标及目标实现的挑战
美空军研究实验室为AVEM技术确定了三个目标：①创建响应更快的系统；②处理更大动态载荷的能力；③快速向一个平台综合新技术的能力。为了实现这三个目标，传统的飞机系统设计方式将面临不同程度的挑战，美空军研究实验室提出了一些可能的技术途径来应对这些挑战。
（1）创建响应更快的系统
挑战：由于以前飞机上电和热载荷变化缓慢，系统设计中主要采用伪稳态分析方法。未来飞机电与热相关子系统载荷具有更高的动态特性，比例积分控制、基于规则的逻辑等传统的控制方法很难实现理想的系统动态响应特性。
解决途径：采用多变量控制方法和预测控制算法来解决系统更快响应特性的问题。多变量控制方法可引入更高精度的系统信息和子系统间的交叉耦合。预测控制算法能针对预测的需求采取预期行动。
（2）处理更大动态载荷
挑战：当前飞机电和热相关子系统设计、开发和试验大多是相互独立进行。子系统设计需要留有较大余量，未来飞机可能面临更大的动态载荷，各子系统设计余量会很大，结果会导致整个系统重量和尺寸达到难以接受的程度。
解决途径：通过优化控制策略，各子系统之间共享载荷和能源等信息，在子系统之间根据需要动态分配能源，提高系统能源的利用效率，降低各子系统的设计余量。例如，可采用层级式和分布式控制架构在子系统间共享信息。
（3）快速综合新技术
挑战：传统的孤立式设计方式通过减少子系统耦合来回避系统综合的复杂度。这些松耦合的子系统仅需要少量的信息交换就足以协调系统控制策略，子系统及整个系统开放性考虑不足，新技术的快速应用受到制约。
解决途径：通过定义开放式、模块化接口可以降低新技术综合的难度。开放式架构寻求设计可分解性、可扩展性、交互性、可重构性、可重用性、可升级性等。模块化设计是开放式系统架构的关键，可克服由系统间紧耦合带来的复杂性。
3．重点关注的三个技术领域
美空军研究实验室认为，AVEM需要重点发展三个关键领域的技术：分布式控制、开放式系统架构、软件验证与确认。
分布式控制领域：该实验室倾向于将其他领域已经成熟的控制技术应用到电与热相关子系统的控制上。具体的技术有预测控制技术、自适应控制技术等。同时，该实验室也关心最近发展迅速的机器学习技术，例如可以支持控制系统在线重构的机器学习技术。
开放式架构领域：该实验室倾向于参考已有架构来设计电与热相关子系统架构，其中包括：外场总线、互联网协议、综合模块化航电、未来机载能力环境等。
软件验证与确认领域：该实验室倾向于采用现有标准开发电与热相关子系统的控制软件，可参考的标准有DO-178C、DO-178B、DOD-STD-2167A、IEEE 12207等。
三、启示与建议
1．我国应加强飞机能量优化技术的预研工作
自2008年启动INVENT计划以来，美空军已经围绕“能量优化飞机”技术开展了近十年的研发，目前地面综合演示验证即将完成。飞机能量优化技术是解决未来飞机电力和热管理挑战的关键技术，对未来飞机提高任务能力（例如下一代战斗机安装定向能武器）至关重要。我国应加强相关研究工作。
2．应进一步发展系统综合技术，在设计初期考虑系统之间的动态信息
INVENT计划提倡发展基于模型的设计技术，利用模型进行整机系统仿真，提升整机的能量利用效率。美空军在AVEM的信息征询书中分析了传统设计范式的局限性，强调利用子系统之间的动态交互信息来制定控制策略，克服传统范式中设计余量过大的问题。我国应充分利用建模与仿真技术，在飞机设计初期考虑系统之间动态特性问题，提高飞机能量利用效率。
《空天防务观察》还曾在2017年1月16日发表孙友师先生的另一篇专栏文章：“美空军开展支持兆瓦级飞机的推进、动力与热管理综合技术研究”，感兴趣的读者可点击题名直接访问。
（中国航空工业发展研究中心 孙友师）
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