美空軍啟動「飛機電力與熱建模與分析」計劃

原標題:美空軍啟動「飛機電力與熱建模與分析」計劃

飛行器能量綜合技術模擬框架。

6月15日，美空軍研究實驗室（AFRL）發布了「飛機電力與熱建模與分析」計劃招標書。「飛機電力與熱建模與分析」計劃是AFRL繼2016年年底發布「飛行器能量管理」（AVEM）信息徵詢書和「下一代熱、電力與控制」（NGT-PAC）計劃招標書之後，啟動的又一個電力和熱相關的技術研究計劃。

「飛機電力與熱建模與分析」計劃將在此前空軍實驗室開展的相關計劃（如INVENT計劃等）中建模模擬工作成果的基礎上繼續開展研究，並涵蓋飛行器能量管理徵詢書中的內容。

「飛機電力與熱建模與分析」

計劃概況和背景

1.計劃概況

「飛機電力與熱建模與分析」計劃（以下簡稱「該計劃」）的研究目的是發展建模與模擬能力，通過領導電、熱與控制系統綜合和航空航天平台架構的研究，保障美空軍維持空中優勢的任務。

該計劃主要的研究目標有兩個：一是通過快速開發電與熱領域的建模、模擬、分析、控制和測試技術，減少開發時間和成本；二是驗證未來飛機改善油耗的能力，將藉助建模與模擬分析方法，演示一種飛行器能量管理系統改善油耗的潛力。研究涉及的平台包括第五代和第六代飛機、「未來空中主宰」（FAD）平台、高超聲速飛行器和無人航空系統。

根據招標書，該計劃研究周期為39個月，總經費為1500萬美元，密級為「秘密」。此次招標將授出一個合同，預計合同簽訂時間為2017年11月20日。

2.研究背景

在招標書附件中，介紹了該計劃的背景。空軍實驗室在「兆瓦飛機」計劃、「飛行器能量綜合技術」（INVENT）計劃等項目中高度重視電與熱技術領域建模、模擬與分析技術的發展，並在建模與模擬工具開發、系統架構快速開發與評估、「整機」（tip-to-tail，「從機頭到機尾」）建模等方面取得若干成果。AFRL希望通過這個新計劃的實施，對此前研究成果加以利用，並開展深入研究，以滿足當前和未來作戰飛機電力與熱管理的需求。

美空軍的INVENT計劃2008年啟動。INVENT計劃的研究內容可以概括為兩個方面：一方面是三個關鍵子系統的研製、集成與驗證，另一方面是基於模型的設計方法。三個關鍵子系統分別是自適應動力與熱管理系統（APTMS）、魯棒電源系統（REPS）、高性能電作動系統（HPEAS）。基於模型的設計方法是針對以往飛機設計過程中採用插值表格「靜態」模型的不足，用全機系統動態模型進行模擬與設計，從而實現對全機能量的優化設計。AFRL將這種建模方法稱為「整機」建模。

在INVENT計劃中，美國PCKA公司專門制定了建模需求和實施計劃（MRIP）。MRIP詳細描述系統集成和動態／隨機系統分析所需模型，實現政府和工業界之間建模的標準化，減少建模與模擬方面的問題。MRIP為政府／工業界建立一套統一的建模框架，規定了模型應當具備的精度，還規定了模型之間的介面定義，以及軟體文檔的需求。

MRIP中包含了6個模塊，分別為飛行器系統（AVS）、發動機（ENGINE）、燃油熱管理系統（FTMS）、魯棒電力系統（REPS）、自適應動力與熱管理系統（APTMS）、高性能電作動系統（HPEAS）。同時MRIP還給出了模塊之間的能量的傳遞關係，包括電能、熱能和機械能的傳遞。所有模型和子模塊的建模必須考慮熱的因素。為了方便建模，AFRL還開發了熱建模工具集。

「飛機電力與熱建模與分析」

計劃研究任務

該計劃的研究任務包括了五個方面，分別是建模工具與方法、五代機模擬與分析、模型綜合研究、電力系統硬體在迴路試驗、飛機電力與能量控制。

1.建模工具與方法

開發先進的電與熱計算工具、方法和工作流，用於支持和加速數據驅動的決策。研究內容包括但不限於用於多維權衡空間的電與熱工具和方法開發、用於替代解決方案分析的多精度模型、動態與多物理建模與模擬能力發展、降階建模、動態和高精度模型的系統模擬、統一的電與熱評估工具、模型驗證與誤差估計方法。

2.五代模擬與分析

包括未來飛機升級、任務探索和關鍵問題研究三個子任務。未來飛機升級子任務通過INVENT計劃中開發的「整機」系統模型開展提高F-35戰鬥機液冷迴路冷卻能力的權衡研究。任務探索子任務研究任務權衡空間，使用「整機」模型構建任務並分析任務可行性。關鍵問題研究子任務用「整機」模型研究當前和未來平台的關鍵問題，重點研究與電和熱相關的關鍵問題。

3.模型綜合研究

為當前和未來空中主宰飛機開發和測試統一的電和熱建模架構。發展快速、魯棒和綜合的模擬能力，以研究飛機作動器、燃油、熱、電力、推進和飛行器系統。藉助這些能力研究架構和子系統，評價設計策略。應用的對象包括「未來空中主宰」（FAD）、定向能武器和新的雷達系統等。

4.電力系統硬體在迴路試驗

包括用於快速技術研究開發和評估的基於模型的設計（MBD）、硬體在迴路（HIL）研究和實驗、標準和最佳實踐等內容。MBD是在硬體製造之前使用建模與模擬的方法增強系統工程流程的應用。

5.飛機電力與能量控制

研究實現在飛機子系統之間動態分配電、熱和機械能源的策略的技術。這項任務涵蓋了「飛行器能量管理」（AVEM）徵詢的內容。主要包括「整機」模型控制綜合、創建「模型預測控制器」工具集、分散式控制通信架構三個子任務。

啟示

建模與模擬技術在飛機設計過程中，尤其在概念設計階段，將發揮越來越重要的作用。美國防部正在推廣使用基於模型的系統工程（MBSE）來加快軍用飛機研製過程。在此背景下，美空軍在INVENT中開展了基於模型的設計方法研究，該方法強調建模與模擬技術的應用。「飛機電力與熱建模與分析」計劃在此基礎上繼續和深化研究工作。

飛機機電系統涉及電、熱、機械和控制等多個學科。傳統飛機設計過程中，各個機電系統的建模都局限在本系統範圍之內，難以考慮系統之間的動態影響。飛機能量優化技術要求在全機層面綜合考慮能量的傳遞和使用，這就要求建立全機層面、同時考慮電、熱和機械能的模型，並且不同機電系統的模型具備協同模擬的能力。這是一項全局性和基礎性工作，涉及不同機電系統的供應商的協同工作，同時對未來飛機系統設計也將產生深遠的影響。