孙友师 ¦ 美空军启动“飞机电力与热建模与分析”计划

2017年6月15日，美空军研究实验室（AFRL）的发布了“飞机电力与热建模与分析”计划招标书。“飞机电力与热建模与分析”计划是AFRL继2016年年底发布“飞行器能量管理”（AVEM）信息征询书和“下一代热、电力与控制”（NGT-PAC）计划招标书之后，启动的又一个电力和热相关的技术研究计划。“飞机电与热建模与分析”计划将在此前AFRL开展的相关计划（如INVENT计划等，见下文介绍）中建模仿真工作成果的基础上继续开展研究，并涵盖AVEM征询书中的内容。一、“飞机电力与热建模与分析”计划概况和背景1.计划概况“飞机电力与热建模与分析”计划（以下简称“该计划”）的研究目的是发展建模与仿真能力，通过领导电、热与控制系统综合和航空航天平台架构的研究，保障美空军维持空中优势的任务。该计划主要的研究目标有两个：一是通过快速开发电与热领域的建模、仿真、分析、控制和测试技术，减少开发时间和成本；二是验证未来飞机改善油耗的能力，将借助建模与仿真分析方法，演示一种飞行器能量管理系统改善油耗的潜力。研究涉及的平台包括第五代和第六代飞机、“未来空中主宰”（FAD）平台、高超声速飞行器和无人航空系统。根据招标书，该计划研究周期为39个月，总经费为1500万美元，密级为“秘密”（Secret）。此次招标将授出一个合同，预计合同签订时间为2017年11月20日。2.研究背景在招标书附件中，介绍了该计划的背景。AFRL在“兆瓦飞机”计划、“飞行器能量综合技术”（INVENT）计划等计划中高度重视电与热技术领域建模、仿真与分析技术的发展，并在建模与仿真工具开发、系统架构快速开发与评估、“整机”（tip-to-tail，“从机头到机尾”）建模等方面取得若干成果。AFRL希望通过这个新计划的实施，对此前研究成果加以利用，并开展深入研究，以满足当前和未来作战飞机电力与热管理的需求。美空军的INVENT计划2008年启动。INVENT计划的研究内容可以概括为两个方面：一方面是三个关键子系统的研制、集成与验证，另一方面是基于模型的设计方法。三个关键子系统分别是自适应动力与热管理系统（APTMS）、鲁棒电源系统（REPS）、高性能电作动系统（HPEAS）。基于模型的设计方法是针对以往飞机设计过程中采用插值表格“静态”模型的不足，用全机系统动态模型进行仿真与设计，从而实现对全机能量的优化设计。AFRL将这种建模方法称为“整机”建模。在INVENT计划中，美国PCKA公司专门制定了建模需求和实施计划（MRIP）。MRIP详细描述系统集成和动态／随机系统分析所需模型，实现政府和工业界之间建模的标准化，减少建模与仿真方面的问题。MRIP为政府／工业界建立一套统一的建模框架，规定了模型应当具备的精度，还规定了模型之间的接口定义，以及软件文档的需求。

图1  INVENT计划仿真框架（建模需求和实施计划）MRIP中包含了6个模块，分别为飞行器系统（AVS）、发动机（ENGINE）、燃油热管理系统（FTMS）、鲁棒电力系统（REPS）、自适应动力与热管理系统（APTMS）、高性能电作动系统（HPEAS）。同时MRIP还给出了模块之间的能量的传递关系，包括电能、热能和机械能的传递。所有模型和子模块的建模必须考虑热的因素。为了方便建模，AFRL还开发了热建模工具集，如图2所示。

图2  热建模工具集二、“飞机电力与热建模与分析”计划研究任务该计划的研究任务包括了五个方面，分别是建模工具与方法、五代机仿真与分析、模型综合研究、电力系统硬件在回路试验、飞机电力与能量控制。1.　建模工具与方法开发先进的电与热计算工具、方法和工作流，用于支持和加速数据驱动的决策。研究内容包括但不限于用于多为权衡空间的电与热工具和方法开发、用于替代解决方案分析的多精度模型、动态与多物理建模与仿真能力发展、降阶建模、动态和高精度模型的系统仿真、统一的电与热评估工具、模型验证与误差估计方法。2.　五代仿真与分析包括未来飞机升级、任务探索和关键问题研究三个子任务。未来飞机升级子任务通过INVENT计划中开发的“整机”系统模型开展提高F-35战斗机液冷回路冷却能力的权衡研究。任务探索子任务研究任务权衡空间，使用“整机”模型构建任务并分析任务可行性。关键问题研究子任务用“整机”模型研究当前和未来平台的关键问题，重点研究与电和热相关的关键问题。3.　模型综合研究为当前和未来空中主宰飞机开发和测试同一的电和热建模架构。发展快速、鲁棒和综合的仿真能力，以研究飞机作动器、燃油、热、电力、推进和飞行器系统。借助这些能力研究架构和子系统，评价设计策略。应用的对象包括“未来空中主宰”（FAD）、定向能武器和新的雷达系统等。4.　电力系统硬件在回路试验包括用于快速技术研究开发和评估的基于模型的设计（MBD）、硬件在回路（HIL）研究和实验、标准和最佳实践等内容。MBD是在硬件制造之前使用建模与仿真的方法增强系统工程流程的应用。5.　飞机电力与能量控制研究实现在飞机子系统之间动态分配电、热和机械能源的策略的技术。这项任务涵盖了“飞行器能量管理”（AVEM）征询的内容。主要包括“整机”模型控制综合、创建“模型预测控制器”工具集、分布式控制通信架构三个子任务。三、启示建模与仿真技术在飞机设计过程中，尤其在概念设计阶段，将发挥越来越重要的作用。美国防部正在推广使用基于模型的系统工程（MBSE）来加快军用飞机研制过程。在此背景下，美空军在INVENT中开展了基于模型的设计方法研究，该方法强调建模与仿真技术的应用。“飞机电力与热建模与分析”计划在此基础上继续和深化研究工作。飞机机电系统涉及电、热、机械和控制等多个学科。传统飞机设计过程中，各个机电系统的建模都局限在本系统范围之内，难以考虑系统之间的动态影响。飞机能量优化技术要求在全机层面综合考虑能量的传递和使用，这就要求建立全机层面、同时考虑电、热和机械能的模型，并且不同机电系统的模型具备协同仿真的能力。这是一项全局性和基础性工作，涉及不同机电系统的供应商的协同工作，同时对未来飞机系统设计也将产生深远的影响。孙友师先生此前已为《空天防务观察》提供2篇专栏文章，如下表：序号篇名发表日期1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2017年1月16日2美空军着力“飞行器能量管理”技术发展6月19日