F-35新冷却系统进入测试，决定下一代飞机能力的两大隐藏性能不可忽视

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在前不久举行的第54届巴黎航展上，雷神技术公司旗下柯林斯电力和控制公司总裁亨利·布鲁克斯表示，其正在研发的增强型动力和冷却系统（EPACS）可以为F-35带来性能提升，尤其是能够满足F-35服役生涯的冷却需求。

此前，雷神技术曾表示EPACS系统已经进入实验室测试阶段。根据雷神技术的公开信息，该系统的冷却能力是目前F-35发动机所使用的热管理系统（PTMS）的两倍以上，并能够支持计划中的F-35 Block4升级套件。

其实，在战术飞机的性能突破升级换代中，无论是要提升机动性在内的飞行性能，还是强化携带机载设备和武器的载荷航程能力，又或者让飞机变得更为可用；动力系统的升级换代，都是极其重要的核心部分。

有人为此总结了规律，称其为“一代发动机，一代战斗机”。

以F119发动机为代表，从三代机向五代机发展的过程中，发动机就至少出现了两个与三代涡扇差异显著的取向：超声速非加力状态下的高推重比、针对电磁波和红外辐射的隐身能力。

而从目前的趋势看，在从五代机向六代机发展的过程中，新一代先进发动机除了通过变循环架构，实现兼顾不同速度范围下的推力与油耗大幅度优化外，在热管理和机械轴功率输出两个方面的大幅度性能提升，也将会是其性能突破的核心重点。

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散热能力好坏

决定了隐身飞机的战斗力

在相当大的程度上，先进战术飞机的战斗力高低受限于其热管理系统性能。这种依赖主要体现在两个方面：

雷达是战术飞机上的关键发热源之一，失去冷却能力等同于失去探测能力，会导致飞机变成“瞎子”。

各种机载电子设备需要强制性的散热降温。穿着厚重闷热抗荷服的飞行员，需要足够大的座舱空气压力、分子筛制氧流量以维持生命和意识清醒；需要足够低的座舱温度，避免他们陷入过热导致驾驶能力（尤其是抵抗飞行过载的能力）急剧衰退、甚至高温晕厥的危险。

F-18电子设备舱的废热功率为19kW。

F-22电子设备舱的废热功率为55kW。

具体到实际使用过程中，一架热管理水平不佳的战术飞机，不可避免会遭遇这些问题：

恶劣气候环境适应能力差，在较高气温条件会面临更多的使用条件限制，直至不允许起飞执行任务。恶劣气候环境下可靠性差，机载设备故障率迅速上升，更多飞机只能选择趴窝。恶劣气候环境下可维护性差，很多地面检测无法充分进行。

比如苏联的一些战术飞机，由于电传飞控计算机没有设计冷气通道，在亚热带和热带的夏季部署时，甚至不能在地面进行长时间的飞控计算机开机检测——该设备核心又是大量使用分立器件的模拟电路，本身就易于出现部件故障和电气性能漂移，需要频繁在开机状态下进行检测和维护校正。

正如上述的例子，机载设备对于散热的需求非常容易理解。就像手机、电脑一样，一旦散热不足，轻则设备进入特定工作逻辑，降低性能、关闭部分功能以避免硬件损坏；重则直接导致芯片等器件损毁、焊点虚脱，出现各种故障、损坏，甚至诱发电气火灾。

同样的问题至今困扰着现代战术飞机——为了达成既定的飞行性能，现代战机必须进行非常极端的轻量化、紧凑化设计；没有任何一个型号可以避免这样的窘境：大量高功率高发热量的设备，全部拥挤在非常狭小的设备舱中。

F-35在不断改进的过程中，机载设备产生的废热功率也在猛烈增加。F-35 Block3的废热功率达到30kW左右，而目前预计F35 Block4的废热将继续提升到47kW左右。

这一问题在隐身飞机上正变得尤其严重：在电子设备在变得越来越复杂，总的功率和发热越来越大时；机体内部的散热设计，反而变得越来越不好做。

在非隐身时代，战术飞机上可以在机体表面上布设大量的小进气口，在高速飞行中，让外界气流冲进机身内部区域，有效实现强力的冷却效果。对于隐身飞机，这些进气口虽小，然而一旦处理不当，只需一个就足以使全机的隐身外形设计功亏一篑；因此不仅开孔数量和面积要小很多，在形状和位置上也要面临非常苛刻的制约，这都大大提升了隐身飞机的热管理设计难度。

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发动机轴能提供的功率

决定了飞机的发电功率

在现代战术飞机的发展上，信息化、网络化、去中心化，都是已被公认的方向。

很大程度上，去中心化的另一面，是将原本由E-3、RC-135这种极少数量大型特种飞机平台承担的诸多功能，不同程度地分散到类似F-35这样数量更多的小型战术飞机上。

霍尼韦尔公司的兆瓦发电机本体，最大持续功率1兆瓦，效率达到97%，重量仅有280磅（127千克）。

诸如此类的要求，都要求着更强的算力和储存能力、更强的射频功率，这些方面所有的性能提升，都需要更大的电源功率作为实现基础——包括机载设备越来越多的废热本身，也是消耗电源功率产生的。

追溯到底，这不仅需要极高功率密度的发电机，在根源更需要航空发动机在设计时，就规划了巨大的机械输出功率。

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发动机的基础框架

决定了飞机热管理能力和发电能力

上面提到的一系列问题中，设备散热、座舱压力温度、分子筛制氧，都需要源源不断的压缩空气作为基础。

在飞机上，没有任何设备比涡轮燃机发动机更适合作为主要气源——它本身就要依靠叶片旋转持续压缩空气并与雾化燃油掺混，才能维持燃烧形成有效推力。

F135发动机有限的热管理和发电能力提升余地，已经与F-35的远期发展形成尖锐矛盾。这是美军、洛马、普惠、通用电气近些年复杂矛盾爆发的核心环节。

但对于发动机本身来说，大量的引气会带来沉重的性能负担。因为它能吸纳的空气流量是有上限的，引气越多，能进入燃烧室与燃油混合产生燃气的空气就越少。还有些问题比推力下降、油耗增高更不可接受——比如喘振。

发动机的正常运转，需要将内部气流状态维持在一个稳定的流量和压力区域内；一旦过度引气，极易导致风扇、压气机无法正常工作，形成喘振。喘振一旦出现，轻则剧烈振动、推力急剧下降；重则发动机熄火停车，甚至部件破损断裂。

发电问题上，航空发动机也面临着类似的问题；要提取更大的功率，肯定就要向涡轮、轴施加更大的载荷，使发动机运转遭受更大的阻力。

通用电气推出的XA100，采用了非常复杂的三涵道结构设计。最外侧第三涵道的一个核心功能，就是提供大流量的低温气流；该机号称能达到F135两倍以上的废热回收能力，极大依赖于此。

包括F119甚至F135在内，传统构型的涡扇发动机，从目前趋势看，已经难以满足未来六代机甚至是五代机远期重大改进的散热和供电需求。即使是采用显著牺牲寿命等代价巨大的改进措施，能取得的相关改善——尤其是废热回收能力，也会相当有限。

未来的新一代发动机，必须具备更为复杂的调节功能、更灵活而且多变的循环模式——尤其是可以提供相当大压力、流量，但又能保持低温状态的气流，才能很好地满足未来新一代战术飞机的热管理和供电需求。

这是美国等西方国家普遍认为六代机需要配备自适应变循环发动机的关键之一，值得重视。

排版：陈奕煊

策划 | 文案：候知健

编审 | 监制：武晨、王兰

看航空融媒体工作室出品

原标题：《F-35新冷却系统进入测试，决定下一代飞机能力的两大隐藏性能不可忽视》

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