美空军启动“飞机电力与热建模与分析”计划

飞行器能量综合技术与“兆瓦飞机”计划将为装备高能武器铺平道路。

飞行器能量综合技术仿真框架。

孙友师

6月15日，美空军研究实验室（AFRL）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。

“飞机电力与热建模与分析”计划将在此前空军实验室开展的相关计划（如INVENT计划等）中建模仿真工作成果的基础上继续开展研究，并涵盖飞行器能量管理征询书中的内容。

“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”。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。空军实验室在“兆瓦飞机”计划、“飞行器能量综合技术”（INVENT）计划等项目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。

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。

“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维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统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。

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。