機載能量系統是航空器上涉及能量供給、能量轉化、熱量排散系統的總稱。這些系統不僅保證和支持當前飛機機載系統的正常工作，極大影響其作戰效能，並直接決定未來作戰飛機能否安裝定向能武器，以及高超聲速飛機是否能投入實用等。美空軍一直十分重視機載能量系統技術研究，並已實施多個科研計劃。2018年10月25日美空軍研究實驗室又開始了“電力、能量、熱、綜合和控制”計劃（PETIC計劃）招標，以繼續推動相關技術發展，使之成為美軍未來航空裝備的關鍵優勢技術。
美空軍研究實驗室在美國“聯邦商機”網站上發佈“電力、能量、熱、綜合和控制”計劃徵求書（美國聯邦政府“聯邦商機”網站圖片）
一、計劃的投資背景與研究基礎
1．以滿足未來軍用航空平臺能量與電力需求為目標
美空軍認為，為了在未來對抗環境中保持空中優勢，下一代戰鬥機必須具備電子攻擊、激光打擊、更高隱身等先進能力，這對電力系統和熱管理系統都提出了嚴峻挑戰。此外，複合材料蒙皮、高效率發動機和高度嵌入式的系統將使得飛機散熱更加困難，加劇了對熱管理技術研究的挑戰。為此，須圍繞實際作戰需要，通過持續科研工作尋求機載能量系統技術新突破，使之成為未來航空裝備的促進性而非瓶頸性技術。
美空軍在2015年提出的機載激光武器技術路線圖（美空軍圖片，中國航空工業發展研究中心漢化）
2．已連年實施多個綜合演示驗證計劃，促進部件和子系統技術成熟
美空軍已針對未來裝備需求，實施了多個預研計劃和演示驗證計劃，促進了部件和子系統技術的成熟。
針對第五代戰鬥機需求，從1990年左右開始先後實施了多電飛機計劃、子系統綜合技術計劃和“聯合攻擊機綜合子系統”演示驗證計劃。這些計劃研究並驗證了高壓直流電機、電作動器、動力與熱管理系統等機載能量系統關鍵技術，並在F-35等型號上獲得應用。
針對未來空中優勢平臺需求，實施了
“飛行器能量綜合”計劃（INVENT）、“綜合動力與熱管理驗證機”計劃等。前一計劃重點發展自適應動力與熱管理系統、魯棒電源系統和高性能電作動系統三大子系統，2016年年底完成地面綜合演示驗證；後一計劃2011－2014年實施，重點開發了包含電氣模擬器和武器載荷模擬器等的綜合驗證平臺，並集成到前一計劃形成的系統綜合設施中。
美空軍在“飛行器能量綜合技術”計劃中，圍繞能量綜合，通過基於模型的設計，針對發動機（ENGINE）、燃油熱管理系統（FTMS）、自適應電力與熱管理系統（APTMS）、飛行器系統（AVS）、高性能機電作動系統（HPEAS）、魯棒的電源系統（REPS）建立了綜合模型（美空軍圖片）
3．持續投資機載能量系統基礎科研，探索推動新技術發展應用
除了上述演示驗證機計劃，美空軍還先後實施了多個基礎科研計劃，探索和研究機載能量系統相關的基礎科學和材料、器件、建模仿真等技術。
2003－2010年，實施了“航空航天電力與熱技術”計劃，在發電、電能管理與分配、儲能和子系統綜合四個技術領域開展基礎科研，先後開展了電力組件、固體氧化物燃料電池、用於電絕緣的納米填充聚合物、高溫超導體、高性能永磁體、高能量密度聚合物薄膜電介質、先進導體和熱科學等研究。
2012年起，啟動了“電力、能量和熱科學研究”計劃，繼續在上述四個技術領域開展研究。招標書中規定該計劃在2012～2018年實施，目前還在進行當中。已經公開的一項研究為電力、熱與控制技術與工藝實驗研究，包括飛控機電作動器熱管理研究、評價飛控機電作動系統的實驗室設備等內容。
二、計劃的主要內容
1．計劃概況
2018年
10月25日開始招標的PETIC計劃為“航空航天電力與熱技術”和“電力、能量和熱科學研究”兩個計劃的後續計劃，面向兆瓦級遠程空中優勢飛機、長航時無人機、高超聲速飛機、定向能武器及“高效中等尺度推力”（EMSP）等應用。其中，高效中等尺度推力平臺是一個開發和驗證用於MQ-9“死神”和其他中高端無人機先進推進技術的研究計劃，其目標是使功率翻一番、增加航程、延長留空時間，並去除當前MQ-9所需的保障設備。根據招標書，PETIC計劃總經費為9900萬美元，研究週期為7
年，初始任務訂單包括兩個，總經費為4850萬美元。第一個初始任務訂單為PETIC分析、綜合和目標系統科研計劃。第二個初始任務訂單為PETIC先進組件和子系統熱物理、電化學和電磁實驗學術研究。兩個任務訂單的研究目標都是推進PETIC組件和子系統技術發展，開展熱物理、電化學、電磁學領域科學研究，使技術成熟度從1～2級提升至3～4級或更高，以滿足先進軍用平臺的需求。
美空軍研究實驗室在計劃徵求書附件中，提供了其有關科研基礎設施的介紹。上圖為第19號建築，原為1922年建於代頓的一座風洞，2010年3月由美空軍委託埃莫森工程公司開展改裝為綜合能量與熱實驗室的設計，2013年2月由美陸軍工程兵開始施工改造。該建築物內的可用研究空間達到1.7萬平方英尺，約合1580平方米（美空軍研究實驗室圖片）
2．主要研究內容
PETIC計劃研究領域包括基礎材料與裝置特性研究、組件原型開發與測試、子系統與系統級綜合及綜合演示驗證、支撐高功率性能和能量優化的先進控制系統，以及每個領域相應的建模與仿真，以及整個軍用平臺效能評估。
具體而言，PETIC計劃包含14項研究內容。
①機械子系統與能量轉化：主要包括高溫線纜絕緣技術、熱電技術、碳納米管技術、超導材料、機械和磁行為建模、磁材料開發和製造、無傳感器算法和先進控制方法等。
②機電作動／電靜液作動和液壓作動系統：包括作動系統的熱管理、雙作動構型的力紛爭減緩、功率特性描述和管理、性能評價和評估、飛行品質試驗、以及故障模式和可靠性研究等。
③ 軍用平臺與定向能武器系統的PETIC相關子系統綜合／概念分析和效益評估：包括綜合／能量優化的先進儲能、作動、魯棒電源／電力電子器件等開發；進行初步的子系統和綜合系統建模與仿真，開展實驗室演示驗證。
④應用溫度範圍更寬的電力組件開發：包括電力裝置設計和可靠性評估、充電裝置材料和封裝、用於可靠的門電路訂製的介電薄膜、寬禁帶電力裝置。
⑤電力管理與分配：其中組件技術包括固態開關裝置、磁裝置、電容器和能量轉化裝置；系統級技術包括用於電動機的先進逆變器、變換器和控制器、起動發電機、綜合動力裝置及磁懸浮軸承。
⑥先進導體研究開發和熱科學研究： 研究和開發高溫超導體、熱電材料、碳納米管、熱界面和磁性材料的屬性測量技術和測量標準；建立新型工藝探索電子和熱屬性，以開發結構－屬性－工藝的關係。
⑦儲能科學研究：提高28伏至270伏儲能系統中的電池性能；拓展熱電池的主動運行時間，減輕重量以用於戰術導彈或者飛機應急電源；提高長航時任務所需的高能、高功率燃料電池效率。
⑧鋰離子／鋰空氣電池和燃料電池材料的合成與特性研究：開發和優化新型電解質和先進的電極技術；製造先進鋰離子和鋰空氣電池的概念驗證原型系統，並進行特性研究；確定電池壽命和性能。
⑨電力生成／處理和使用技術開發：通過實驗研究來開發和優化從發電到用電的綜合電力系統，預期的研究內容可能包括多個發電機控制技術。
⑩綜合動力與熱管理架構開發：研究、設計和分析自適應動力與熱架構，開發飛行器能量控制器，這些架構或者其中一部分的建模與仿真，研究這些架構不同組件的技術規範。
⑪飛機子系統和航空航天定向能系統綜合設施開發：識別和開發過程與設施，完善實驗技術，建立兆瓦級驅動臺，獲得高可靠寬溫度範圍的測試能力。
⑫熱管理研究與開發：開展科學研究，進一步瞭解熱管理的基本原理，演示用於下一代軍用平臺的熱管理組件和子系統支撐技術，識別與熱能採集、傳輸、存儲、排放和轉化的相關技術。
⑬綜合飛機系統的控制與估計：包括最優控制、預測控制、分佈式控制、貝葉斯估計、形式綜合、機器學習、分佈式感知、誤差傳播、誤差估計等研究，最終目標是將這些技術用於演示驗證計劃（如兆瓦級飛機驗證機計劃等）。
⑭項目管理：包括活動和里程碑進度安排、狀態描述、項目規劃、目標達成情況描述、技術突破記錄等。
美空軍研究實驗室在計劃徵求書附件中，提供了其有關科研基礎設施的介紹。上圖為其“建模、仿真、分析與試驗（MEST）實驗室”的介紹（美空軍研究實驗室圖片）
三、幾點看法
機載能量系統技術已成為航空裝備發展的“瓶頸”技術，嚴重製約軍機的飛行能力和作戰效能。但同時，超導技術、納米材料技術、寬禁帶半導體電力電子器件技術、新型控制技術等新興技術的發展和應用，或將為發電、儲能、熱管理等技術帶來新的突破，有望解決上述“瓶頸”問題。美空軍長期持續地投資機載能量系統的基礎科研，相關的研究成果支撐了型號的發展，為美軍航空裝備享有跨代能力和指標提升提供了關鍵基礎。
美國諾格公司提出的未來戰鬥機想象圖。該公司認為，熱管理技術是未來作戰飛機最為關鍵的技術之一。美空軍將其之前啟動的“下一代熱、電力與控制”（NGT-PAC）計劃內容被列為絕密級，很可能是因為該計劃涉及的內容會直面未來作戰飛機的熱管理等解決方案，未來或將成為美空軍的一項關鍵技術優勢（美國諾格公司圖片）
我國機載能量系統技術長期被視為“配套”，投入不足，當前存在諸多問題。這些問題得不到解決，將嚴重影響我國未來航空裝備的發展，使我未來空戰平臺等裝備與強敵之間出現大的能力差和指標差。借鑑美空軍經驗，我國應將機載能量系統技術視為須主動發展的獨立技術領域，按照科學規律，立足解決基礎技術問題並進行前沿探索研究，加強機載能量系統基礎科研，補齊短板，夯實基礎，滿足當前迫切需求，支撐未來跨越發展。
2017年11月，準備參加朱日和閱兵的中國人民解放軍空軍殲20戰鬥機（前3架）和殲16戰鬥機（後3架）。過去，由於認識、機制的等原因，更因為資源限制，我國航空工業將機載能量系統等技術和產品長期視為“配套”。隨著我國綜合國力提升、我軍和我國國防工業的發展轉型，加之機載系統日益成為軍機作戰效能和作戰適用性的決定性因素，我們必須尊重科技發展規律，將航空武器裝備所涉及的各項技術領域都視為獨立的，不受型號立項束縛實施領先發展，借鑑美空軍，不斷設立科技專項，不斷開展演示驗證，持續提高成熟度、技術指標和集成適應性，為航空武器裝備型號發展提供豐富的技術儲備。簡言之，一輪輪“跨代”思維屬於裝備，也只應屬於裝備；我們更需要的是從科技視角豎立“超越‘跨代’，以持續科技創新常態化引領戰鬥力生成與躍升”的新思維。同時必須認識到，我國資源投入規模與美國仍然難以相比，而裝備成本問題近來在我國日益突出。因此，除了軍方和政府應保持對機載系統技術發展的重視和投入，相關企業也應儘量尋求技術的通用性和跨域拓展應用，特別是考慮軍民融合，降低技術發展與應用的風險和成本，獲取更多的發展資源（中國空軍圖片）
孫友師先生已為《空天防務觀察》提供5篇專欄文章，如下表：
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（中國航空工業發展研究中心 孫友師）
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本篇供稿：系統工程研究所 運 營：李沅栩
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