卓戴VIEWS

APU，即輔助動力裝置，是一種小型燃氣渦輪發動機，獨立于提供動力的主發動機安裝及運行，位于飛機尾端，其作用是向飛機獨立的提供電源和壓縮空氣，當飛機在飛行過程中遇到發動機故障時，APU可重新起動，向飛機提供氣源或電源，并為發動機重起提供動力。

可以說APU為飛機的安全飛行保駕護航，必不可少。國外APU設計技術已相當成熟，APU呈系列化、多樣化發展趨勢，當量功率也覆蓋了幾十千瓦到上千千瓦，并在軍民用飛機上已得到廣泛應用。

國内APU研制時間相對較短、型号單一，雖然在APU設計及系統集成方面積累了一定的設計和工程經驗，但總的技術儲備還相當欠缺，在APU系統總體布局方面的研究國内尚屬空白。

文 | 鄧雯

編輯 | 張展

01

APU定義

輔助動力裝置，英文為Auxiliary Power Unit，簡稱APU。

APU是一種小型燃氣渦輪發動機，獨立于提供動力的主發動機安裝及運行，位于飛機尾端，其作用是向飛機獨立的提供電源和壓縮空氣，當飛機在飛行過程中遇到發動機故障時，APU 可重新起動，向飛機提供氣源或電源，并為發動機重起提供動力。

APU是保證發動機空中停車後再起動的主要裝備，飛機在地面時确保客艙舒适的必要保障。其種類多達百餘種，功率從幾十千瓦到上千千瓦，在軍民用飛機上廣泛應用，是當今軍民用飛機必不可少的重要組成部分。

結構和功能

結構：

APU與航空主動力發動機“技術同根、工藝同源”，其核心機（由壓氣機、渦輪、燃燒室組成）同樣在高溫、高速、高負荷的苛刻條件下反複工作，對零部件設計技術、工藝技術、材料技術和測試技術等都提出了很高的要求。APU一般由帶動發電機的附件傳動裝置、負載壓氣機、進氣機匣、壓氣機 、燃燒室、渦輪和排氣裝置組成。

功能：

地面提供壓縮空氣起動主發動機；

地面為環控系統提供壓縮空氣 ；

地面為機載設備提供電源、液壓源；

空中應急起動發動機；

空中應急提供電源、液壓源；

空中為環控系統提供壓縮空氣。

生命周期

APU的生命周期是從某型飛機選型後裝機使用開始，到該型飛機完全退役，APU不再使用為止，通常一型APU的生命周期約30~40年。

在APU裝機使用的第一個5年期，機隊在陸續引進，稱為引入期；随着機隊規模擴張，後續10 年市場逐漸擴大，稱為成長期；過後的10年，機隊穩定運行，新機交付量不再增加，為成熟期；然後進入衰退期（5~10年），APU随飛機逐漸退出運營；最後的 5 年為退出期，運營機隊很少，直到完全停止運營。

02

不同年代發展曆程

上世紀40年代末和50年代初，軍用飛機發動機推力愈來愈大，開始以氣起動系統代替電起動系統，由此産生為飛機主發動機起動提供氣源的輔助動力裝置。

20世紀50年代到80年代初

軸功率輸出型APU，也就是燃氣渦輪起動機 (GasTurbineStarter，GTS)，由于軸功率通過飛機附件傳動裝置和發動機附件傳動裝置的傳動鍊，直接驅動發動機的高壓轉子和有關飛機附件。

20世紀80年代至90年代

壓縮空氣輸出型APU成為主要發展方向，由于這是因為壓縮空氣輸出型APU安裝位置靈活，有利于飛機系統布局，并提供氣、電等多種能源。

上世紀90年代末至今

APU開始與應急動力裝置(Emergency PowerUuit，EPU)進行組合和綜合，為了适應電傳操縱對不間斷提供輔助能源的要求。

不同代戰鬥機起動方式

第一代、第二代

第一代戰鬥機最大特征是突破聲障，實現馬赫數（Ma）1 以上的飛行速度，主要作戰方式是近距離格鬥。代表機種：蘇聯的米格-19 、美國的 F-100、F-104 等。

第二代戰鬥機采用了更優設計的後掠翼或三角翼、梯形翼面，采用更強勁渦輪噴氣發動機，達到兩倍聲速的飛行速度和20000m的飛行高度，主要還是視距内作戰。代表機種：蘇聯米格-21、美國 F-4 和法國“幻影”Ⅲ等。

米格21

第一代、第二代戰鬥機的發動機推力較小，對起動功率的需求也較小，因此多采用電起動機，見上表。

優點：結構及控制簡單、使用方便可靠，容易實現起動自動化；缺點：低速電起動機的總質量大，功重比不到 0.3kW/kg，一般起動功率都低于30kW；蓄電瓶的質量大且對電壓降很敏感，在冬季低溫條件下蓄電瓶的電容量顯著下降且不可靠，受蓄電瓶容量限制，一般隻能保證連續3~5次的起動。

第三代

第三代戰鬥機采用以空氣動力學優化後的氣動外形，最大飛行速度維持在Ma2 左右，最大升限20000m 左右，機動性大大加強。這一代戰鬥機以“超視距空戰”為主要作戰場景，代表機種：蘇聯米格 -29/31系列、蘇 -27系列，美國F-14/15/16/18 系 列， 歐 洲“幻影”2000 和“狂風”戰鬥機等。

米格29

第三代戰鬥機使用的發動機較第一代、第二代戰鬥機的推力增大，對起動功率的需求增加，多采用功重比大的機械型 APU（即燃氣渦輪起動機），見上表。

機械型 APU 直接輸出軸功率，通過機械傳動起動主發動機。該類 APU 就是一台微型燃氣渦輪發動機，自身起動功率小，但輸出功率大；不需要特殊工質，可多次獨立起動主發動機；功重比大大增加，達到0.88～2.5kW/kg。缺點：APU必須盡量靠近主發動機安裝，不利于飛機布局，缺乏備用起動手段。功能比較單一，多數僅用來起動主發動機。

三代半

有些戰鬥機僅部分達到了第四代戰鬥機的特性要求，稱為“三代半”戰鬥機，典型機種：歐洲合作研制的EF2000、法國的“陣風”和瑞典的“鷹獅”等。

EF2000

三代半戰鬥機采用的是空氣渦輪起動機（ATS）起動主發動機，使用氣壓型APU為空氣渦輪起動機提供壓縮空氣，見上表。

氣壓型APU輸出壓縮空氣，通過管路去沖擊 ATS，然後由 ATS 輸出軸功率帶動主發動機起動。好處：APU 的安裝位置靈活，可遠離主發動機，有利于飛機系統布局。同時ATS使用的壓縮空氣來源豐富，可由APU提 供，也可由已起動的主發動機或機場地面氣源車提供，使用靈活。缺點：整個系統轉化效率低，要求APU 的額定功率較大，機體内需布置較粗的空氣管道。

第四代

第四代戰鬥機典型特征是超聲速巡航、隐身性、短距起降能力、超機動性，代表機種：美國的 F-22 和F-35。

F-22

一些戰鬥機上除了有 APU 外，還有一種應急動力裝置（EPU）為飛機快速提供短時應急功率。傳統 APU和 EPU 在戰鬥機上分開布置、分時工作、優勢互補，共同降低飛機的維護使用費用和保證飛機的飛行安全。

APU 使用飛機上的燃油和外界空氣工作提供起動和輔助能源，工作高度有限（通常低于13000m），起動時間較長（通常在30s以上），優點是可長時間工作 ；

EPU則是一台沒有壓氣機、使用飛機上的燃油和機載壓縮空氣工作或主發引氣的渦輪動力裝置，由于其工作介質都來自機上，因此可在飛機飛行全包線内工作，起動時間短（2～5s），缺點是機載壓縮空氣瓶體積有限，工作時間受限（2min 内）。

随着第四代戰鬥機複雜程度的增加，使得尺寸、質量、航程、隐身、新武器、多餘度、經濟性之間的矛盾愈加突出。要在有限空間内實現使用功能、性能的增加，除了在原有設備基礎上進行性能提升和小型化發展之外，另外一種思路就是将原有分散獨立、各司其職的系統或裝置進行有效綜合，實現一物多能，從而節省空間和減輕質量。

美國 F-22 和 F-35 戰鬥機基于上述理念，發展出了組合動力裝置（IPU），見上表。

03

主要型号

國外 APU 設計技術已相當成熟，APU呈系列化、多樣化發展趨勢，當量功率也覆蓋了幾十千瓦到上千千瓦，并在軍民用飛機上已得到廣泛應用。

國内APU研制時間相對較短、型号單一，雖然在APU設計及系統集成方面積累了一定的設計和工程經驗，但總的技術儲備還相當欠缺，在 APU系統總體布局方面的研究國内尚屬空白。

APU 的主要制造商有美國的霍尼韋爾、漢勝（Hamilton Sundstrand）、加拿大普惠（Pratt & Whitney）、法國的Microturbo和俄羅斯的Aerosila公司。

由于俄羅斯Aerosila公司的APU隻用于本國的運輸機和客機，法國 Microturbo的APU主要用于軍機 。所以主流的客機 APU 市場主要由霍尼韋爾和漢勝占有。其主要型号及裝用機型見下表。

典型APU性能參數

04

可靠性不斷提高

戰鬥機從采用燃氣渦輪起動機發展到采用壓縮空氣輸出型APU，采用可靠性高的單轉子結構 ，平均故障間隔時間延長30％。

提高APU使用高度

為了适應電傳操縱戰鬥機對不間斷提供輔助能源的要求，戰鬥機APU已向與EPU進行組合和綜合方向發展 ，在戰鬥機全包線範圍内為戰鬥機提供應急能源 。

循環參數逐步提高 、耗油率和重量

增加壓比，提高渦輪前溫度。目前，APU壓比達到8，渦輪前溫度為 1300K左右。

戰鬥機中APU與EPU進行組合和綜合

APU與EPU共用傳動齒輪箱和滑油系統，并驅動同一套輔助發電機和輔助液壓泵。APU的起動由EPU帶動，技術關鍵為帶高速離合器的齒輪箱的研制。

注重低噪聲、低排放的環保要求

采取低噪聲壓氣機設計技術 、低噪聲發散冷卻燃燒室設計技術 、低噪聲引射散熱器設計技術等降低噪聲指标。采用低污染燃燒室設計技術降低氮氧化物、一氧化碳等排放。

總 結

輔助動力裝置自誕生以來，功能由最初的提供單一起動能源，發展到現在為飛機提供起動、輔助和應急能源。

不論是性能還是結構 ，APU具有許多中小型航空發動機的設計特點 ，功率小、體積小、重量輕、空氣流量小、尺寸效應突出，而且燃油流量低，轉子轉速非常高，采用離心壓氣機，大量采用整體結構件，大部分技術與中小型航空發動機有通用性。

APU的研發主要依靠中小型航空發動機的設計技術開展。輔助動力裝置發展應充分借鑒中小型航空發動機型号研制的成功經驗，充分吸取中小型航空發動機預先研究成果，充分利用中小型航空發動機試驗技術基礎，發揮中小型航空發動機行業力量，協作發展。

APU有其自身的技術特點 ，涉及的關鍵技術較多，如高壓比高效率單級離心壓氣機設計、寬廣喘振裕度壓氣機設計、雙模态燃燒室設計、高效向心渦輪設計、雙金屬整體葉片盤制造、全權限數控系統設計等技術，應通過先期開展系統深入的預先研究，打好基礎，穩步發展。

APU産品有系列化發展的特點， 如美國霍尼韋爾公司的GTCP36型 APU，有40多種産品，功率從96．9kw到 370kW，廣泛用于戰鬥機、運輸機 、直升機和民航客機上 。

關注我，帶你了解更多行業資訊！

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!