能 源 地 平 线 : 空 军 的 能 源 科 技 愿 景空 气 动 力 学推 进 和 动 力材 料 和 结 构航 空 操 作能 量 采 集新概念表 1 : 航 空 能 源 科 技 展 望 (L = 保 持 领 先 ;F = 保 持 跟 进 ;W = 保 持 关 注 )近 期 (2011-15 年 ) 中 期 (2016-20 年 ) 远 期 (2021-25 年 )整 流 装 置 (L) 保 形 天 线 (F) 层 流 化 ( 战 斗 机 ) (L)重 心 控 制 (L)层 流 化 ( 机 动 保 障 机 ) (F)升 力 分 布 控 制 (L)系 统 整 合 ( 机 动 保 障 机 ) (F)翼 梢 小 翼 、 尾 翼 片 、 导 流 片 (F)系 统 整 合 ( 战 斗 机 ) (F)斜 削 翼 (F)机 翼 机 身 融 合 体 (F)微 型 叶 片 (F)X- 翼 (F)产 生 升 力 的 机 身 (W)等 离 子 体 增 强 减 阻 (W)自 适 应 多 用 途 引 擎 技 术 (L) 高 效 嵌 入 式 涡 轮 引 擎 (L) 先 进 与 章 动 周 期 (L)高 效 小 型 推 进 器 (L) 引 擎 特 定 改 进 (L) 涡 轮 风 扇 复 合 (W)重 油 (F) 子 系 统 整 合 (L) 超 高 旁 路 (W)齿 轮 传 动 涡 轮 风 扇 (F)按 需 供 力 ( 机 动 保 障 机 ) (F)按 需 供 力 ( 战 斗 机 ) (L)开 式 转 子 发 动 机 (W)混 合 / 电 力 推 进 器 (W)替 代 和 生 物 燃 料 质 量 评 定 / 认 证 (L)替 代 和 生 物 燃 料 批 量 生 产 (W)先 进 发 电 技 术 (F)飞 机 部 件 ( 系 留 装 置 、 托 盘 、 机 架 ) (L)多 功 能 材 料 (F)照 明 (F)无 线 控 制 系 统 与 电 气 作 动 器 (W)复 合 材 料 (L)复 合 集 装 箱 (F)变 形 材 料 (F)混 合 材 料 / 高 级 铝 材 (F)编 队 飞 行 (L)持 续 补 给 改 进 (L)任 务 指 标 飞 行 (F)分 布 式 任 务 训 练 和 互 动 式 模 拟 器 (L)有 助 于 人 力 表 现 改 进 方 面 的 考 量 (L)遥 驾 飞 机 (RPA) 任 务 执 行 能 力 扩 大 (L)天 气 预 报 、 探 测 、 规 避 能 力 的 改 进 (F)加 强 任 务 执 行 效 率 的 更 好 方 式 (F)任 务 规 划 软 件 (F)用 于 冷 却 的 热 电 (L)小 型 RPA 的 能 量 收 集 (L)光 伏 电 池 (F)电 磁 制 动 (F)热 电 废 排 回 收 (F)通 用 热 电 再 生 (F)声 能 (W)混 合 型 飞 艇 (F)分 离 式 系 统 (L)目 标 包 括 层 流 化 机 翼 设 计 ( 可 实 现 节 油 15%)和 非 传 统 机 体 设 计 , 例 如 机 翼 机 身 一 体 化 、盒 式 机 翼 , 以 及 升 力 体 结 构 。推 进 和 动 力表 1 的 第 二 部 分 展 现 推 进 技 术 为 多 种 平台 提 供 降 低 油 耗 的 可 能 性 。 在 这 个 领 域 , 空军 将 引 领 许 多 技 术 , 或 者 紧 紧 跟 进 未 来 民 间现 成 技 术 。 例 如 , 自 适 应 多 用 途 发 动 机 技 术已 经 改 进 了 压 缩 机 和 一 个 第 三 气 流 , 它 们 有可 能 使 战 斗 机 节 省 大 量 能 量 ( 降 低 15-25%耗 油 率 )。 此 外 , 高 效 嵌 入 式 涡 轮 发 动 机 有 可能 将 机 动 保 障 飞 机 和 其 它 平 台 的 耗 油 率 改 善25%。 中 期 和 远 期 技 术 发 展 势 必 形 成 突 破 ,超 越 传 统 的 布 雷 顿 (Brayton) 发 动 机 ( 空 气喷 气 ) 概 念 , 取 得 更 高 效 率 , 比 如 混 合 压 力61
空 天 力 量 杂 志增 益 燃 烧 循 环 、 混 合 涡 轮 复 合 循 环 、 热 交 换循 环 ( 中 间 冷 却 与 再 生 式 )、 内 涡 轮 燃 烧 导 致等 温 膨 胀 循 环 , 以 及 正 排 量 压 缩 内 核 等 技 术 。对 于 较 小 型 的 飞 行 器 , 像 高 效 小 型 推 进 装 置等 项 目 , 期 望 能 降 低 大 约 25% 的 耗 油 率 , 尤其 对 遥 驾 飞 机 而 言 。 空 军 在 其 机 群 全 部 通 过费 托 /JP-8 50/50 混 合 燃 油 认 证 后 , 将 继 续 领先 探 索 新 型 可 持 续 发 展 燃 料 的 使 用 和 认 证 。随 着 能 源 部 、 农 业 部 和 海 军 部 启 动 了 生 物 燃料 联 合 生 产 项 目 , 空 军 将 密 彻 关 注 和 利 用 生物 燃 料 的 生 产 。材 料 和 结 构从 表 1 的 第 三 部 分 可 以 看 到 , 在 合 成 材料 和 碳 纳 米 管 方 面 的 材 料 研 究 , 有 希 望 改 进飞 机 结 构 和 集 装 箱 性 能 , 从 而 减 轻 重 量 , 提高 抗 拉 强 度 、 传 导 性 、 热 管 理 和 能 量 储 存 ,这 些 都 有 助 于 降 低 燃 料 消 耗 。 改 良 材 料 有 时也 能 导 致 改 善 生 产 成 本 、 大 量 减 少 零 配 件 ( 比如 固 定 件 ) 数 目 、 降 低 维 护 成 本 , 以 及 减 少对 前 沿 部 署 的 后 勤 保 障 印 记 。 其 它 的 减 重 技术 包 括 无 线 控 制 系 统 、 电 动 ( 而 非 液 压 ) 致动 器 、 发 光 二 极 管 、 以 及 用 合 成 纤 维 系 缆 取代 笨 重 索 链 。 此 外 , 合 成 材 料 和 变 形 材 料 的柔 弹 性 有 可 能 使 某 些 飞 机 部 件 —— 比 如 翼 片和 涡 流 发 生 器 —— 能 根 据 气 流 和 飞 机 进 攻 角度 自 行 调 节 , 从 而 产 生 更 理 想 的 燃 油 性 能 。在 中 期 和 远 期 , 多 功 能 材 料 蕴 藏 着 令 人 向 往的 先 进 能 量 采 集 潜 力 , 可 以 阻 止 能 量 以 热 和噪 音 形 式 而 损 耗 掉 。航 空 操 作如 表 1 的 第 四 部 分 所 示 , 对 航 空 操 作 加以 改 进 , 相 对 降 低 其 前 期 成 本 可 取 得 良 好 的效 率 增 益 。 例 如 ,C-17 飞 行 编 队 试 验 已 经 证明 : 殿 后 飞 机 可 节 省 燃 油 5-10%, 而 对 机 组人 员 、 结 构 因 素 , 或 计 划 调 度 等 的 影 响 有 限 。此 外 , 在 商 业 航 空 公 司 的 带 动 下 , 空 军 实 施任 务 指 标 飞 行 , 旨 在 优 化 巡 航 飞 行 高 度 和 速度 , 以 及 针 对 飞 行 状 况 调 整 升 降 剖 面 线 。 充分 利 用 分 布 式 、 互 动 式 飞 行 模 拟 器 ( 例 如 连接 KC-135 和 F-16 的 模 拟 器 ), 不 仅 降 低 实战 的 训 练 成 本 , 而 且 能 模 拟 敌 对 及 拥 挤 空 域环 境 以 保 证 训 练 安 全 , 从 而 有 助 于 加 强 战 备完 好 率 。 改 进 的 作 战 规 划 软 件 更 加 关 注 任 务因 素 、 实 时 天 气 状 况 和 任 务 要 求 , 从 而 减 少飞 行 架 次 和 低 效 率 的 飞 行 路 线 规 划 。 另 外 ,未 来 的 遥 驾 飞 机 和 自 主 式 飞 机 可 以 按 照 目 前由 传 统 飞 机 执 行 的 机 动 保 障 和 战 斗 任 务 的 具体 需 要 来 定 制 组 配 , 这 样 做 还 能 减 少 飞 行 的能 量 总 印 记 。 最 后 , 优 化 任 务 规 划 和 飞 机 基地 分 配 , 可 以 更 合 理 地 向 前 进 基 地 安 置 维 护需 求 飞 较 少 的 飞 机 , 从 而 降 低 二 阶 效 应 成 本( 比 如 减 少 向 前 进 基 地 运 送 部 件 的 数 量 )。能 量 采 集表 1 的 第 五 部 分 表 明 , 空 军 通 过 科 研 努力 可 以 把 热 电 能 转 换 概 念 和 其 它 能 量 捕 获 概念 ( 如 从 电 磁 制 动 中 回 收 噪 声 / 振 动 的 能 量 )相 结 合 , 电 磁 制 动 有 可 能 降 低 维 护 成 本 和 系统 重 量 , 也 能 捕 获 制 动 能 量 再 用 于 飞 机 滑 行 。未 来 的 使 用 多 种 能 源 的 飞 机 有 可 能 采 集 多 种能 源 , 包 括 多 种 燃 料 、 太 阳 能 、 热 能 、 风 能和 振 动 能 , 从 而 减 少 甚 至 消 除 对 传 统 燃 料 的需 求 。 对 小 型 遥 驾 飞 机 来 说 , 一 些 新 概 念 ( 比如 飞 机 栖 息 充 电 , 或 者 从 热 源 或 电 源 中 收 集能 量 ), 能 保 持 它 持 续 自 主 运 行 。 能 量 采 集 新技 术 能 改 变 我 们 的 许 多 操 作 方 式 ; 然 而 设 计 、能 量 密 度 、 系 统 整 合 、 成 本 等 方 面 的 挑 战 也需 要 我 们 关 注 。革 命 性 新 概 念表 1 的 最 后 部 分 提 出 了 偏 离 传 统 飞 机 构造 的 替 代 概 念 。 在 中 期 , 可 能 发 展 出 混 合 型62