F-35的电气系统问题.doc

波音最新的波音787客机投入航班使用不久，就遇到锂电池冒烟起火的问题，加上其他问题，被美国FAA下令停飞，全世界其他国家的波音787也跟着停飞，折腾了几个月后才复飞。这是70年代道格拉斯DC-10客机全球停飞后第一次新的民航客机全球停飞的事情，可见问题之严重。波音787采用锂电池而不用久经考验的镍镉电池，除了锂电池重量轻外，还有放电电流大、充电速度快的优点。和传统客机相比，波音787是高度电气化的飞机，用电量比同级传统客机增加5倍，不用锂电池而用传统的镍镉电池的话，重量和体积受不了。无独有偶，战斗机世界里的F-35的机载系统的重量已经两倍于F135发动机的重量，也有很大的用电需求。F-35还没有锂电池的问题，但也有电气系统的问题。除了传统的雷达、机载电子系统和座舱显示系统等用电大户外，F-35是电控飞机，也就是说，除了起落架、舱门、刹车系统具有有限的液压备份之外，主要飞控没有液压后备，对电力供应需求大，所以采用270伏直流系统，160千瓦容量，10倍于通常的战斗机机载电力系统，大大增加电路发生电弧的危险。由于F-35对电力的高度依赖，机载电力系统的可靠性要求很高，采用四重冗余。传统上，战斗机发动机启动或者维修时机载系统所需电力需要外接电源的供电。民航飞机自备辅助动力系统（Auxiliary Power Unit，简称APU），用于在地面发动机不工作的时候提供电力，也用于启动发动机。现代战斗机也开始自带辅助动力系统，使得地勤保障的要求大大降低，有利于提高出动率。另一方面，发动机一旦启动，主发电机就由发动机带动。但在空中一旦发动机停车，需要备用动力帮助启动发动机，并维持基本飞控、航电的继续运行，直到发动机再次启动。F-35采用先进的发动机启动机/发电机（Engine Starter Generator，简称ESG），在启动发动机时作为启动机用，发动机转动后电磁逆转，改作发电机。ESG有两套，互为备份，但两者装在同一个轴上，形成单点故障节点，可能出现两者同时故障失效的问题。在可靠性设计中，最令人操心的就是单点故障。一旦这个关键点发生故障，一大片系统都会受到影响，而且没有备用系统可以分担。还好即使两台ESG同时故障的话，综合动力系统（Integrated Power Pack，简称IPP）还可以作为备用动力，可以用于启动ESG。IPP作为备用动力，可以提供80千伏安的电力。IPP也故障的话，还有一个90磅重的锂电池，用于启动IPP，同时锂电池作为不间断电源，对关键电子和电控系统提供断电保护。锂电池具有足够的电力，可以保证迫降所需的飞控动作。传统上采用高压气体，比如F-16采用肼驱动涡轮，作为空中的紧急启动动力。高压气体的存放不仅需要沉重的高压钢瓶，肼还有剧毒，而且易燃易爆，十分危险。采用锂电池作为备用动力比较安全。IPP和ESG的相关技术从90年代开始，以联合一体化子系统技术（Joint Integrated Subsystems Technology，简称J/IST）的名义在F-16上首先试验。270伏直流系统可以传输更大的功率，直流发电也取消了发电机恒速转动的要求，因此可以取消齿轮箱。不过这个IPP有奥妙。传统上，辅助动力、备用动力和冷暖空调是各自独立的系统。每一个系统都相当于一个微型喷气发动机，有独立的进气口和排气口。但隐身飞机需要尽量减少机身开口，相似但重复的系统也需要整合。IPP正是这样的整合系统，把备用动力、冷暖空调整合到一起。战斗机上的冷暖空调和座舱加压不仅仅是一个飞行员舒适的问题，也是维持机载系统正常工作的必须。机载雷达和计算机系统需要大容量空调系统，主动电扫尤其需要大功率的冷却能力。IPP将传统上分立的系统整合到一起，减轻了重量，简化了操作和维修。但IPP也成为一个单点故障节点，故障将导致主要航电过热、失去备用发电机、失去座舱加压，在空中出现的话，将导致严重的飞行安全问题。IPP应该具有无故障间隔至少2200小时，但在美国空军的试飞中，已经出现11起必须全换的故障，其中8起是在12个星期里集中出现的，使得无故障间隔降低到不可接受的13小时。IPP的故障还不是罢工那么简单。2011年8月3日的故障中，IPP发生爆炸，飞出的部件击穿了油箱，迫使全部F-35停飞两星期。肇事部件统统更换了，但如何确保IPP一旦爆炸不至于击穿油箱还没有找到办法。最简单的当然就是对IPP增加保护装甲外壳，确保破损部件不会击穿外壳，但重量代价太大。IPP的更换工序也太复杂，需要48小时连续苦干。低可靠性加上高维修工作量使得IPP需要全面重新设计，对于已经交付的F-35来说，又多了一个返工项目。F-35电气系统的难题不光在发电能力和可靠供电方面，也在散热能力方面。机载电子系统的用电量大了，但很大一部分并不是转换为所需的电磁波能量、机械能、光能、计算能力，而是转换成热能了，需要有效和可靠的散热才能保证系统正常工作。这对喜欢倒腾电脑的人也不陌生，随着CPU速度的提高，机箱散热成为重要挑战，有时增加风扇的数量和直径就可以，有时则要液冷系统才行。除了系统散热外，座舱空调也是散热的重要部分。空军型的问题还好一些，海军和海军陆战队型的F-35的座舱空调则不仅仅是飞行员舒适的问题。深海的水温较低，即使在盛夏，北方大海的水温也远远低于适合人类生存的极限。在海上飞行时，飞行员必须穿着寒冷水域的救生装具，否则一旦被迫跳伞，将无法在寒冷的海水中生存。但在夏季陆地低空飞行或者起飞、着陆和地面待机阶段，座舱空调不足就会使穿着这样救生装具的飞行员热得不堪忍受，甚至中暑。战斗机的系统散热不是一个新问题，但隐身战斗机的散热是一个新问题，在F-35设计之初估计不足。F-35的散热要求比F-16要高5倍，F-22也是一样。F-16为代表的第三代战斗机的散热设计比较简单，外挂系统（比如“狙击手XR”光电吊舱）暴露在空气中，自然容易解决散热问题；机内系统可以在机体表面开进风口，用空气动压实现空气对流，也可以有效散热。F-35是隐身飞机，主要系统能安装在机内的统统不外挂，机体表面也不能随便开孔进风。IPP是有单独进气口和排气口的，但这是供IPP的微型燃气轮机使用的，没有余力用于系统散热。从发动机引出压缩空气可以解决一些散热问题，但这要影响发动机的推力。F-35的冷却系统是液冷的，循环的冷却液把系统热量带走，然后与燃油的热交换，把系统的热量排入温度较低的燃油。在飞行中，燃油有正常消耗。吸收了系统热量的燃油会升温，燃油升温有利于提高燃烧效率，燃油在发动机中燃烧并通过喷气排出，是排出热量的主要途径。但巡航油耗不足以吸收系统散热的全部要求，剩余的散热需求只有和油箱内的燃油换热。油箱里的燃油是冷的，油箱和机体、机翼蒙皮之间也有一定的导热能力，可以向环境空气散发一定的热量，这在寒冷的高空尤其有效。但F-35的热力学平衡没有做好，散热能力低于散热要求，导致油箱里的燃油在整个飞行过程中持续升温。在试飞中，F-35飞行员和地勤报告，座舱和电子设备舱空调不足，宽幅下视显示器会由于过热而死机。F-35B在STOVL状态更加空调不足，身穿身穿寒冷水域救生装具的飞行员热得不堪忍受，被迫在夏季限制海上飞行。更加严重的是，如果空调不足导致发动机全权数控过热，可能导致发动机停车。飞控系统的机电作动器件同样有散热问题，过热会导致飞控失灵，这问题就大了。主动电扫雷达是另一个发热大户，缺乏适当的冷却也要造成故障。由于油箱内燃油在整个飞行过程里持续升温，导致热交换不力，只有油箱里继续保留大量燃油才能满足最低散热要求。但这样一来，最低机内燃油不再由返航要求决定，而是由剩余冷却容量决定，严重限制F-35的实用作战航程。不顾散热限制而继续耗用燃油的话，将逐步使机载系统因为过热而失灵，从一般任务系统升级到关键任务系统，最后影响到飞行系统。一旦雷达、光电、火控和座舱系统因为过热而死机，即使还能继续飞行，F-35作为战斗机的生命力也就完了。美国空军研究实验室（US Air Force Reseach Lab，简称AFRL，美国空军的主要科研机构）投资1.5亿美元，正在推动一体化飞机能量技术（Integrated Vehicle Energy Techonology，简称INVENT），用动态模型实时估计机上冷却容量，帮助散热管理。动态预估实际上并不是一个新概念，人们在日常生活中早已使用。大冬天的时候，如果身上衣服没有穿暖，在外面时间太长了，自然要冻坏。但要是走出一个有取暖的大楼，快速进入另一个有取暖的大楼，中间间隔的时间不长的话，并不至于冻坏。冻坏是一个含糊的说法，准确的说法是体表温度低于容许的低限。在户内的体表温度是起点，走出户外后，体表温度随时间下降，下降到上述低限的时间就是中间的容许间隔时间，这个间隔时间和身上衣服的保暖程度和户外温度有关，保暖越好，户外温度越高，容许间隔时间越长。对于系统散热来说，道理是一样的，只是体表降温变成燃油升温，温度低限变为温度高限。动态模型是用于预估燃油升温的速度和达到温度高限的时间的，达到温度高限的时间近在眼前的话，就是系统冷却容量即将不足的时候，则自动建议飞行员把飞机升高高度，由高空较冷的空气帮助散热。不过这要受到战术态势的制约，不是什么时候都可以升上高空的。F-35主要是在低空活动的，这也是为什么F-35有严重的散热问题而F-22没有这样的问题，F-22主要是在高空活动的。帮助F-35的散热管理是INVENT的第一阶段任务，要求能够加长地面待机时间一倍，提高低空飞行时间4倍。第二阶段的要求增加系统耐久力10%，增加散热容量5倍，消除热力学限制。以后还将进一步增强功能，适应下一代战斗机装备定向能武器和大功率电磁攻击能力的要求，最终将通过新一代三涵道涡扇发动机解决散热问题。为了补偿不断攀升的飞机重量，F-35的发动机最终成为世界上单发推力最大的战斗机发动机，非加力的军用推力就达125千牛，加力推力更是高达191千牛（一说军用推力111千牛，加力推力178千牛）。但从F-22的F119涡扇发展而来的F135已经增推超过20%，进一步增推将越来越困难。AFRL正在推动“自适应灵活发动机技术”（Adaptive Versatile Engine Technology，简称ADVENT）计划，这是下一代战斗机发动机的预研，与传统涡扇不同的是，将采用三涵道结构。中涵道和内涵道相当于传统涡扇发动机的外涵道和内涵道，具有可变涵道比的能力，相当于变循环发动机，但新增的外涵道是最大的奥妙所在。外涵道具有可调导流叶片，用于根据需要调节空气流量，可以用于吸收进气道附面层，还可以通过背压调节进气口激波位置，用气动方式主动控制进气道工作状态，把进气道-发动机一体化设计水平提高到新的层次。这样不仅有助于简化进气口设计和增加隐身，还可以实时优化发动机工作状态，这就是ADVENT里自适应的出处。外涵道的排气通过专用孔道从内涵道喷气口的中心排出，把炽热但“实心”的喷流从中间“鼓吹”成环状喷流，降低排气温度，改善红外隐身。更重要的是，外涵道较大流量的气流是系统散热的理想去处，在低空低速时，外涵道流量达到最大，正好解决单靠燃油系统无法解决的散热问题。ADVENT将彻底解决隐身战斗机的系统散热问题。另一方面，AFRL也在散热管理上继续下功夫。机载系统的峰值用电和平均用电的差别非常大，未来使用定向能武器的话，情况更加严重，可以在毫秒之内骤升骤降5倍之多。现行的电力系统是按照峰值要求设计的，平时很浪费，平白增加散热要求，相当于增加电力系统耗油5-10%。未来的研究重点在于波峰-波谷管理，削峰填谷，甚至像混动汽车一样的回馈制动一样，在飞控翼面“随风飘动”的时候，电动驱动机构反过来向系统供电。另外，用增加的电池容量处理峰值要