飛發綜合能源和熱管理系統（簡稱綜合能熱系統）作為保障飛行器和發動機可靠運行的關鍵系統，涵蓋飛機、發動機中能源和熱相關的子系統。其中，飛機子系統包括飛機的電源、液壓、環控、燃油以及輔助動力等系統；發動機子系統則涉及機械傳動、燃油控制及熱管理系統等。隨著戰機對于飛行速域更寬、飛行時間更長、多電化、智能化、高能武器攜帶以及紅外隱身等的發展需求，飛機/發動機面臨熱負荷大幅度增加、瞬時高功率（兆瓦級）提取以及熱量排散難度大等問題，導致現有的能源與熱管理系統設計架構存在可用熱沉及能源供給嚴重不足的難題，亟需開展立足于飛發一體化的能熱綜合設計與動態管理。

隨著飛機性能的不斷提高，能熱系統設計技術正從傳統的飛發獨立、系統分立向飛發聯合、系統綜合方向發展。飛發綜合能熱技術依據飛機和發動機的頂層需求，從系統角度出發，對飛機與發動機、發動機子系統或部件間功、熱、電等能量進行分配與協調，在保證發動機安全可靠工作的前提下，提高能量利用效率。通過對能源和熱量的生成、轉換、存儲、傳輸及分配耗散等能量分配和控制策略進行頂層設計，實現能源與熱管理的集成，進而達到整機能量綜合利用的目的 。

一、飛發綜合能熱技術研究現狀

1.1 國際技術研發進展

以美國為代表的航空發達國家自20世紀80年代起就開始了一系列綜合能熱技術研究計劃。早期的"熱油箱"燃油熱管理系統計劃針對電子設備熱載荷增加的情況，充分利用JP8+100耐高溫燃油作為熱沉的蓄熱作用，減少環控系統對發動機引氣的需求，成功應用于F-22戰機，顯著降低了燃油代償損失，提高了熱管理效率。這一系統通常在大燃油流量下使用，能夠滿足特殊的飛行包線或隱身需求。

20世紀90年代，美國空軍開展的多電飛機計劃旨在研究利用電能取代飛機上的液壓能和氣壓能技術，以提高可靠性、維護性和保障性。該計劃重點發展內置起動發電機技術、270V高壓直流電源技術、高功率密度電氣負載管理技術等，其研究成果在F/A-18和F-16等飛機上進行了飛行試驗，并已應用于F-22、F-35戰斗機及A380等民用飛機。據統計，通過將非推進功率改為全部采用電能，可將飛機的可靠性提高1400%~1900%，功率密度提高200%。

聯合攻擊機綜合子系統技術計劃則進一步解決了傳統機電系統功能分立的問題。該計劃將輔助動力裝置、應急動力裝置、環境控制裝置和熱管理系統的功能集成為一個系統，利用同一個渦輪機提供動力和冷卻，在減少體積、質量、成本的同時，增加了可靠性和能量利用率。

2008年啟動的"飛行器能量綜合技術計劃"提出了"能量優化飛機"的概念，實現了從系統級能量優化向全機層面能量優化技術的跨越。INVENT計劃改變了現有的設計理念，采用按需方式進行設計，取代傳統的按峰值功率設計方法，使得平均功率約為峰值功率的12.5%~20.0%，顯著減小了發電機的體積和質量。該計劃建立的"從頭到尾"全機仿真模型由發動機系統、飛控系統、功率與熱管理系統、燃油熱管理系統、電作動系統以及魯棒電源系統六個子系統構成，不僅展示了子系統之間機械能、熱量和電能的信息交換流，還體現了各系統之間高度的關聯性，實現了動態、按需管理的系統架構。

近年來，美國空軍推出的"下一代熱、電力與控制計劃"和"支持經濟可承受任務的先進渦輪發動機技術計劃"進一步推動了綜合能熱技術的發展。ATTAM計劃首次納入了完整的綜合動力與熱管理要素，旨在滿足未來發動機支撐更多電力系統、定向能武器、功率更大的傳感器等需求，其目標是將發動機的燃油效率提高10%~30%、電力和熱管理能力提高2~20倍。

歐洲同樣在飛發綜合能熱技術領域取得了顯著進展。英國羅?羅公司開發的內置式起動發電機項目將電動機完全嵌入燃氣渦輪發動機的核心機內，在節省空間的同時為未來戰斗機提供所需的大量電能。2017年，E2SG驗證機項目在雙轉子上安裝電機，通過組合電動機或發電機工作，不僅能夠產生電能，還可以通過電能在兩個轉子之間傳遞功率。該項目的第三階段將一套新穎的熱管理系統和多電發動機附件集成到推進系統內，開展了整機集成驗證工作。

1.2 國內技術研發進展

中國在飛發綜合能熱技術領域雖起步較晚，但近年來發展迅速，在關鍵技術攻關和系統集成方面取得了顯著進展。在2025年9月西安舉辦的第十三屆中國航空推進技術論壇上，混合動力推進技術成為焦點議題之一，涵蓋了譜系化發展、基于數字孿生的航空發動機全生命周期管理等前沿內容。

國內企業和科研機構積極布局混合動力推進系統關鍵技術。例如，新時達與國內985大學聯合開發的"油電混合分布式推進系統驗證平臺"代表了國內在該領域的先進水平。該平臺可驗證電源管理策略，模擬不同工況下的能量流動，并研究正常、極限及故障狀態下的電源管理，為航空油電混合推進技術研發提供了關鍵測試支持。該平臺針對五大典型技術挑戰提出了創新解決方案：多動力源柔性組網與功率動態分配、極端工況下的電源穩定性控制、高頻動態響應與能量流精準控制、復雜電磁環境下的低諧波與高可靠性、多系統協同控制與跨平臺通訊集成。

在高超聲速飛行器熱管理技術方面，中國研究機構針對TBCC發動機開展了系統研究。高超聲速飛行器由于大空域、寬速域的工作特點，要求其動力系統的速度必須能夠實現從零至規定最高馬赫數。針對飛行馬赫數為5時空氣滯止溫度達到1200K的極端條件，研究人員探索了主動熱防護、被動熱防護和半被動熱防護三種技術形式。其中，主動熱防護方式能夠持續使用熱沉進行熱防護，兼具可重復使用的優點，適用于長時間、高熱流密度的工作環境，成為高超聲速動力熱防護技術的研究重點。

湖南泰德航空技術有限公司等企業積極與中國航發、中航工業、中國航天科工、中科院、國防科技大學、中國空氣動力研究與發展中心等國內頂尖科研單位達成深度戰略合作，整合優勢資源，攻克多項技術難題。該公司從航空非標測試設備研制向航空發動機、無人機、靶機、eVTOL等飛行器燃油、潤滑、冷卻系統的創新研發轉型，不斷提升技術實力，體現了中國航空產業鏈在綜合能熱領域的積極布局。

北京航空航天大學開發的"基于第三流和燃油熱沉的自適應飛發一體化熱管理系統"采用閉式空氣循環子系統、燃油熱管理子系統和三涵道變循環發動機子系統的協同設計，實現了在不同飛行模式下的智能熱管理。當飛行馬赫數低于1.5時，系統開啟第三涵道，通過第三涵道散熱器冷卻機載電子設備熱載荷和高溫回油；當飛行馬赫數高于1.5時，第三涵道關閉，采用蓄冷油箱內低溫燃油作為熱沉，實現機載熱載荷冷卻。這種自適應調控技術有效提升了不同飛行模式下熱管理系統的冷卻性能，代表了國內在飛發一體化熱管理領域的創新成果。

二、飛發綜合能熱系統架構發展

飛發綜合能熱系統的架構演進經歷了從獨立設計到一體化綜合的深刻變革，其發展路徑充分體現了航空動力系統對高效能量管理和熱管理的持續追求。隨著飛機性能的不斷提高，能熱系統設計技術正從傳統的飛發獨立、系統分立向飛發聯合、系統綜合方向發展，這一轉變不僅解決了早期架構存在的能量浪費和系統冗余問題，更為未來高性能飛行器提供了技術支撐。

2.1 從獨立設計到一體化綜合的演進

早期的二代、三代飛機的能源與散熱需求量相對較小，飛機上的主飛控作動大多采用液壓作動系統，能源需求在100kW以下，基于液壓的飛機二次能源為最優方案。環控系統散熱采用的熱沉以沖壓空氣為主，部分飛機采用燃油作為熱沉。與此同時，二代、三代飛機發動機渦輪前溫度一般不超過1700K、壓氣機出口溫度在800K以下，發動機內部熱端部件采用簡單的空氣冷卻系統，冷卻形式多為簡單對流、氣膜冷卻等，滑油系統利用燃油、空氣等進行散熱。總體來看，早期的飛機及發動機能源的供給能力和可用冷源及熱沉大于能源及散熱的需求。

這種系統分立、飛發獨立的系統設計架構雖然滿足了當時飛機的性能要求，但也帶來了明顯的問題：系統分立導致能量消耗大，無法實現機載能量的綜合利用；各系統分散布局、硬件過多且利用率低，導致可靠性和維修性很低。隨著飛機性能要求的不斷提高，這種傳統設計架構已無法滿足第四代、第五代戰機的需求。

2.2 一體化綜合架構的技術特點

飛發綜合能熱技術依據飛機和發動機的頂層需求，從系統角度出發，對飛機與發動機、發動機子系統或部件間功、熱、電等能量進行分配與協調，在保證發動機安全可靠工作的前提下，提高能量利用效率。通過對能源和熱量的生成、轉換、存儲、傳輸及分配耗散等能量分配和控制策略進行頂層設計，實現能源與熱管理的集成，進而達到整機能量綜合利用的目的。

自適應動力與熱管理系統（APTMS）是一體化綜合架構的典型代表。該系統在結構及功能上綜合了輔助動力系統、環境控制系統和應急動力系統，通過采取多能量自適應的組合動力裝置，能夠依據實時能效需求，實現系統內引氣、功率提取、燃油、電能等多能量形式的交聯和管理。APTMS應用包括燃油、沖壓空氣和風扇涵道空氣在內的多種熱沉形式，為座艙及電子艙制冷，大幅提升了系統效能。

基于變循環發動機的綜合能熱系統架構進一步拓展了一體化綜合的潛力。變循環發動機是一種能夠根據不同飛行任務條件，通過改變自身結構部件的尺寸與幾何形狀以適應需求的自適應發動機。通過改變其自身熱力循環參數，使發動機能夠在跨度較大的速域和空域范圍內，以較高推力和較低耗油率進行工作。基于變循環發動機的第三涵道結構，可以在不同的飛行狀態下進一步改變發動機結構，實現發動機熱管理能力和燃油經濟性的全面提升。

2.3 燃油熱管理系統的架構創新

燃油熱管理系統作為飛發綜合能熱系統的重要組成部分，其架構設計直接影響整體系統性能。美國F-22飛機采用的先進燃油熱管理系統將環境控制系統、液壓系統、機電系統緊密交聯，各系統廢熱均由燃油熱管理系統輸送并處理。與傳統的空氣制冷循環系統相比，該方式的代償損失顯著降低，體現了綜合架構的優越性。

蓄冷油箱技術是燃油熱管理系統架構的重要創新。在三涵道工作模式下，系統使用蓄冷油箱收集低溫回油，并作為熱沉在其他工作模式下冷卻機載熱載荷。這種"熱量儲存與再利用"的理念打破了傳統熱管理系統的時空限制，實現了熱沉能力的跨時段調配，大大提高了系統應對峰值熱負荷的能力。

北京航空航天大學提出的"基于第三流和燃油熱沉的自適應飛發一體化熱管理系統"采用閉式空氣循環子系統、燃油熱管理子系統和三涵道變循環發動機子系統的協同架構。該系統通過涵道散熱器，將空氣和燃油中吸收的熱量通過低溫涵道空氣排散到燃燒室或者是外界環境中，通過自適應調整工作模式保證飛行器熱管理系統在飛行馬赫數0～3.2范圍內穩定工作，增強了熱管理系統散熱能力。

2.4 多電/全電架構的發展

多電/全電架構是飛發綜合能熱系統架構發展的重要方向。美國多電飛機計劃的研究成果在F-22、F-35戰斗機及A380等民用飛機上得到了應用。多電飛機技術通過利用電能取代飛機上的液壓能和氣壓能，提高了可靠性、維護性和保障性，同時減小了系統的體積、質量并降低了系統復雜度。

羅?羅公司的內置式起動發電機項目（E2SG）代表了多電架構的最新進展。該項目將電動機完全嵌入燃氣渦輪發動機的核心機內，在節省空間的同時，為未來戰斗機提供所需的大量電能，同時規避了傳統發動機通過發動機齒輪傳動功率驅動發電機所帶來的零件數增多、動力輪廓尺寸變大等不利于飛機隱身的弊端。2017年，E2SG驗證機項目將另一個電動機與發動機其他轉子連接，同時在電網中加入一個儲電系統，使其可以智能管理所有系統間的電力供應，實現了雙轉子發電，不僅能夠改善發動機操作性、響應性和效率，還能通過智能控制系統實時優化發動機性能和電力分配。

三、未來飛行器對綜合能熱技術的需求

隨著航空技術向寬速域、智能化、多電化和隱身化方向發展，未來飛行器對綜合能熱技術提出了更為嚴苛和復雜的需求。這些需求既源于飛行器自身性能提升的內在要求，也來自新型作戰模式和應用場景的外在驅動，全面而深入地理解這些需求，是推動飛發綜合能熱技術持續創新的關鍵前提。

3.1 寬速域飛行帶來的熱管理挑戰

未來飛行器向著寬速域、寬空域的方向發展，要求動力系統能夠實現從零到高超聲速的全面覆蓋。不同馬赫數、不同動力系統的比沖特性存在顯著差異：渦輪發動機的馬赫數為0～3；沖壓發動機一般在馬赫數3～6工作；超燃沖壓發動機工作馬赫數則在6以上。這種寬速域飛行能力對熱管理系統提出了前所未有的挑戰。

當飛行馬赫數達到5時，空氣滯止溫度高達1200K，發動艙溫達到573K，而現有發動機外部附件工作環境溫度大部分在473K以下。這意味著常規的熱管理技術和材料已無法滿足高馬赫數飛行的需求。高超聲速飛行時，沖壓作用使得飛機環境溫度大幅提高，飛行器利用燃油作為冷源對航電等系統進行散熱，導致發動機入口燃油溫度大幅升高，這降低了發動機控制系統的控制精度和可靠性，并顯著降低了滑油系統的冷卻效率。

針對TBCC發動機從起動-爬升-模態轉換-巡航-返回的任務場景分析，發動機艙艙溫升高、進氣溫度和入口燃油溫度高等成為高超聲速動力面臨的主要熱管理需求。特別是在模態轉換過程及模態轉換后，飛機的能源供給成為新的技術難題，因為高超聲速飛行時，不能通過提取渦輪發動機的軸功來獲得能源供給用于驅動發電機、液壓泵等。

3.2 多電化與高能武器對能源供給的需求

未來戰機裝備的大量機載傳感器和定向能武器對機載能源系統提出了極高要求。美國"下一代熱、電力與控制"計劃的核心目標就是支撐未來兆瓦級戰術飛機對熱、電力和控制的需求。這種功率級別的需求遠超現有飛行器的供電能力，需要革命性的能源供給方案。

美國"支持經濟可承受任務的先進渦輪發動機技術"計劃首次納入了完整的綜合動力與熱管理要素，旨在滿足未來發動機支撐更多電力系統、定向能武器、功率更大的傳感器等需求，其目標是將電力和熱管理能力提高2~20倍。這種數量級的提升不僅需要改進發電設備，更需要從整個能量鏈的角度進行系統優化，包括發電、儲能、配電和熱管理各個環節。

針對傳統機電系統按照峰值功率設計導致的效率低下問題，INVENT計劃采用了按需供給的設計理念，使用均值功率和熱載荷進行設計，使平均功率大約為峰值功率的12.5%~20.0%，可以顯著減小發電機的體積和質量。這種設計理念的轉變，對未來飛行器的能源系統架構產生了深遠影響

3.3 隱身性能與智能運維的需求

未來戰機對紅外隱身性能的要求日益提高，這對熱管理系統的設計提出了特殊約束。較低的第三涵道空氣溫度，以及避免沖壓空氣進氣開口，有助于提升飛行器的紅外隱身性。因此，如何在不影響隱身性能的前提下實現高效散熱，成為綜合能熱系統設計的重要考量因素。

北京航空航天大學提出的基于第三流和燃油熱沉的自適應飛發一體化熱管理系統，通過使用第三涵道散熱器而不是傳統的沖壓空氣散熱器，減少了飛行器的進氣開口，有助于維持飛行器的低可觀測性。這種設計在滿足熱管理需求的同時，也兼顧了隱身性能要求，體現了多目標優化的發展趨勢。

隨著飛機系統復雜度的提高，智能運維和健康管理也成為未來飛行器的重要需求。羅?羅公司開發的功率管理器智能控制系統采用算法實時智能研判如何在滿足當前飛機電力需求的同時，優化包括發動機效率在內的其他因素，從而實現降低燃油消耗或發動機溫度的目標，最終達到延長部件壽命的目的。這種智能化的能量與熱管理策略，不僅提升了系統性能，也增強了飛機的可靠性和可維護性。

四、飛發綜合能熱技術主要發展方向

面對未來飛行器日益嚴峻的能源與熱管理挑戰，飛發綜合能熱技術正朝著智能化、集成化、自適應的方向快速發展。這些技術方向既是對現有技術瓶頸的突破，也是對未來飛行器需求的積極響應，它們共同勾勒出了飛發綜合能熱技術的未來藍圖。

4.1 自適應智能能量管理技術

自適應智能能量管理技術是飛發綜合能熱系統的核心發展方向，其目標是實現全飛行包線內的能量與熱量的最優分配。美國INVENT計劃提出的動態按需管理概念是這一方向的典型代表，它通過精確建模和實時調控，改變傳統系統按峰值功率設計的思路，大幅提高了能量利用效率。

模型預測控制算法在自適應智能能量管理中發揮著關鍵作用。湖南泰德航空在其潤滑系統產品中開發的先進控制算法，通過采集超過2000組不同工況下的系統響應數據，建立了精確的數學模型。算法的核心創新在于引入了"學習-預測-校正"的閉環機制；系統不斷比對預測結果和實際響應，自動調整模型參數。在實際應用中，這套系統成功將某型發動機加速過程中的油壓波動從傳統的±5%降低到±1.2%，展現了智能控制在提升系統性能方面的巨大潛力。

4.2 多物理場緊密耦合與能量綜合利用

多物理場緊密耦合與能量綜合利用是飛發綜合能熱技術的另一重要發展方向。隨著飛行器系統復雜度的提高，氣動、熱、結構、電氣等多個物理場之間的耦合效應日益顯著，需要通過多學科設計優化方法實現系統性能的整體提升。

多物理場耦合仿真平臺為能量綜合利用提供了關鍵工具。湖南泰德航空建立的多物理場耦合仿真平臺整合了流體動力學、結構力學、熱分析等多個物理場的計算模型。最具創新性的是"實時孿生"技術：實際運行數據會實時反饋到數字模型中，不斷修正仿真參數。這種技術在齒輪箱潤滑系統優化項目中發揮了關鍵作用，實現了虛擬與現實的深度融合。

4.3 新材料與新工藝應用

新材料與新工藝的應用是解決高超聲速飛行條件下熱管理挑戰的關鍵途徑。面對飛行馬赫數5時高達1200K的空氣滯止溫度，傳統材料和技術已難以滿足需求，必須開發新型耐高溫材料和高效率冷卻技術。

陶瓷基復合材料在高溫部件中的應用展示了良好前景。湖南泰德航空在高溫高壓氧化反應器中采用了特殊的陶瓷涂層技術，既保證了耐腐蝕性，又避免了金屬離子對油液的催化影響。這類材料能夠承受極高的工作溫度，同時具有較低的密度，有助于減輕系統重量。

微通道冷卻技術和相變材料在高熱流密度散熱方面表現出獨特優勢。針對高超聲速飛行器面臨的極端熱環境，研究人員探索了多種高效冷卻方案，其中微通道冷卻通過極大的比表面積實現了高效熱交換，而相變材料則通過潛熱蓄能實現了熱量的瞬時吸收與釋放。這些新工藝與材料的結合，大大提升了熱管理系統的性能邊界。

4.4 數字孿生與智能運維

數字孿生技術作為飛發綜合能熱系統的重要使能技術，正迎來快速發展。通過構建與物理實體完全對應的虛擬模型，數字孿生實現了系統全生命周期的實時監控、預測性維護和性能優化。

在2025年西安舉辦的第十三屆中國航空推進技術論壇上，基于數字孿生的航空發動機全生命周期管理成為重點議題之一。這項技術通過實時數據采集與分析，能夠動態預測系統狀態，提前識別潛在故障，并優化維護策略，從而顯著提高系統的可靠性和經濟性。

智能運維系統通過大數據分析和人工智能算法，實現了系統的預測性維護和健康管理。羅?羅公司的功率管理器智能控制系統不僅優化了能源分配，還通過實時監測系統狀態，預測部件壽命，優化維護周期，從而降低了全生命周期的運營成本。這種智能運維代表了未來綜合能熱系統的發展方向。

五、核心優勢與未來發展

飛發綜合能熱技術的核心優勢在于其打破了傳統飛機與發動機之間的能量壁壘，實現了全機能量的一體化管理和優化。通過功、熱、電等多種能量形式的協同分配與綜合利用，系統能夠在保證飛行器安全可靠工作的前提下，大幅提升能量利用效率，滿足未來飛行器寬速域、多電化、高隱身和長航時等苛刻要求。

面對下一代戰機對功率與散熱急劇增加的需求，飛發綜合能熱技術作為解決/緩解未來飛機能熱供需矛盾的核心關鍵，已成為制約我國軍用戰機及動力發展的技術瓶頸。對此，需瞄準未來先進飛行器及其對動力系統的需求，基于飛機和發動機正向自主研發體系，從飛發頂層出發，打破飛機與發動機設計壁壘，加大對綜合能熱核心關鍵技術的攻關力度。探索創新能源生成、提取、轉換以及高密度熱流排散等先進技術，綜合考量兩者之間的耦合方式，實現飛機發動機能熱管理系統的一體化綜合設計，解決能熱的需求與浪費并存、結構性不平衡等問題。從而引領系統設計理念由傳統的峰值設計向按需供給、動態調控變革，實現飛機平臺能量優化設計。同時，需要全行業（科研院所、高校、廠所等）聯合集智攻關，打破現有獨立發展格局，在管理和技術層面同步落實飛發綜合能熱系統融合設計理念，為我國未來先進飛行器及其動力研制提供技術支撐。

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