F-35战斗机在使用中通过持续的软硬件更新来提升战斗力，随之带来了冷却需求的不断攀升，当前冷却问题已成为制约其战斗力提升的关键因素。

美国的F-35战斗机采用了1套名为动力与热管理系统（PTMS）的高度集成化的综合机电系统，通过该系统为航电设备以及雷达、电子战模块、探测传感器等任务设备提供冷却功能，随着这些设备的持续升级，冷却需求也快速增长，使得当前本就超负荷工作的PTMS更加不堪重负。F-35联合项目办公室（JPO）希望通过动力与热管理升级（PTMU）项目来彻底解决这个问题。

PTMS发展历程及作用

PTMS由霍尼韦尔公司研发并提供，集成了传统的辅助动力装置（APU）、应急动力装置（EPU）、环境控制系统（ECS）和热管理系统（TMS）等多个系统的功能，大幅减轻了质量（与上一代系统相比，使战斗机减轻454kg）并提高了系统利用率。

发展历程

燃气涡轮辅助动力装置本质上是1台航空涡轴发动机，广泛应用于各类型的固定翼飞机和直升机，为主发动机提供起动能源，以及为飞机短停检查、维护、环境控制提供所需的电能、液压能或压缩空气。应急动力装置则可被视为1台不带压气机的航空涡轴发动机，在飞机主电力系统、液压系统失效或主发动机熄火时，依靠自带的燃料和氧化剂在几秒内迅速起动并工作，为飞机提供应急电能、液压能或轴功率。传统的APU和EPU在飞机上分开布置并独立工作，APU工作时间长、工作高度有限（通常在13000m以下），而EPU则是全包线、短时间工作（通常在2min内）。在第五代战斗机F-22上，由加雷特公司(已并入霍尼韦尔公司）研制的APU和EPU首次被集成为1个组合动力装置（IPU），共用1套齿轮箱、液压泵和发电机，从而使整个系统的体积减小、质量减轻。IPU在大部分飞行时间内是不工作的，在其基础上，霍尼韦尔公司进一步将原EPU和APU各自的燃烧室集成为一个双模态燃烧室、原EPU和APU的涡轮共用并增加制冷涡轮，形成了PTMS并应用于F-35战斗机，进一步提升了系统利用率。

工作模式及作用

PTMS原理如图1所示^[1]，有14种冷却和供能模式，其中有4种主要的工作模式：自起动模式（SSM）、主发动机起动模式（MES）、冷却模式（CM）和应急动力模式（EPM）。

自起动模式。飞机上的电池供能，带动PTMS的起动/发电机，进而带动压气机和动力涡轮（两者同轴工作），达到一定转速后，PTMS进入自维持运转状态，该模式下供电能力为80kW，可用于飞机地面检修以及后续的主发动机起动。

主发动机起动模式。PTMS（此时其已完成自起动过程）带动自身的起动/发电机发电，输出额定电压为270V的高压直流电，产生的电能通过电网传输给主发动机的起动/发电机，并由其带动主发动机至一定转速，完成主发动机的起动。

冷却模式。主发动机起动后，PTMS进入冷却模式工作，不再使用自身的燃烧室，动力涡轮由主发动机的高压压气机引气驱动，压气机处于半闭环控制，压缩空气通过主发动机的风扇涵道换热器冷却后，进入制冷涡轮中进一步膨胀冷却。冷却后的气体一部分用于座舱环境控制（制冷与增压，为飞行员供氧）及对部分航电设备进行气体冷却，冷却能力达15kW；另一部分用于对部分航电及任务系统设备进行液体冷却，冷气通过换热器冷却聚α乙烯烃（PAO，是1种液体冷却介质），进而通过PAO对相关设备进行液体冷却，冷却能力达32kW。完成冷却任务的热空气再循环进入压气机工作。上述模式如图2所示。

应急动力模式。飞行中主发动机发生故障时，PTMS将进入应急动力模式，压气机压缩后的气体与飞机高压气瓶储存的气体一起泵入燃烧室，喷油燃烧后带动动力涡轮，进而带动起动/发电机发电，此时发电机的最大发电能力可达120kW，产生电力用于起动主发动机，也可给飞行关键设备供电。

PTMS冷却模式面临的问题、现有解决方案及未来发展

F-35战斗机投入使用以来，航电设备和任务系统已取得长足的进步，相应的冷却需求远远超出原始设计，PTMS通过增加从主发动机引气来提升冷却能力以满足当前的飞机需求，由此带来了维护成本增大的代价，即便如此，应对飞机未来的持续升级仍捉襟见肘，需要进行大的更改设计或者整体更换。

冷却问题产生的根源在于超出原始设计需求

在F-35战斗机的研发阶段，飞机对PTMS系统液冷能力需求是15kW，该需求决定了PTMS系统设计的一些关键细节，包括冷却系统电机的输出功率，以及将冷却剂输送到PAO/空气换热器的管道直径。PAO管穿过F-35战斗机内部舱壁和机身框架上的钻孔，如果增加管子直径，每个隔板和框架上的孔径都需扩大，将对飞机结构性能产生很大影响。然而，由于机载电子设备及任务系统越来越多、功率越来越大，对冷却的需求也快速增长，目前已达32kW，远超原始设计需求，由此产生冷却问题。

现有的解决方案大幅增加了维护成本

美国政府问责局（GAO）的一份报告中曾指出，洛克希德-马丁（洛马）公司早在2008年就发现了F-35战斗机存在上述冷却问题，并于2013年提出了设计修改方案以解决该问题，但美国国防部却拒绝了这一请求，理由是会影响F-35战斗机项目的成本和进度。现有的PTMS在未做大的调整情况下可为F-35战斗机的系统提供足够的冷却（即32kW），其解决方案为：提高主发动机涡轮前温度和总压，从主发动机的引气量也为原设计的2倍。该方案导致了主发动机寿命减少、维护成本增加，GAO在2024年5月发布的报告显示，预计由此导致的F-35战斗机全生命周期内成本增加将达380亿美元。

未来作战任务需求及飞发升级工作与PTMS系统升级深度交联

一是未来的特定作战任务执行需要以解决冷却问题为前提条件。截至2025年3月，F-35战斗机已交付1130多架，被美国空军、海军、海军陆战队以及英国、德国、日本等其他19个国家的军队采购，总飞行时间超过100万h，这些用户对F-35战斗机未来执行电子战、有人-无人协同作战等任务翘首以盼，而F-35战斗机的冷却系统问题已成为未来执行此类任务的瓶颈。

二是飞机的后续升级大幅增加了对PTMS系统的冷却能力需求。F-35战斗机于2019年启动第四批次（block 4）升级，升级内容如图3所示。该升级分阶段进行，大约每6个月进行一次新的软件升级、2年进行一次硬件升级， 8～10 年进行一次重大技术改造^[2]，预计该升级最终可于2029年完成。第四批次升级完成后，信息处理能力将提高25倍，航电及任务系统的液冷能力需求将达47kW，随后F-35战斗机还将进行一系列未披露的能力升级，21世纪30年代时冷却能力需求将进一步提高到62～80kW，即PTMS的冷却能力缺口将会进一步扩大，因此需对PTMS系统进行能力升级或者更换替代系统。

三是当前的主发动机升级项目研发工作需要与PTMS系统密切协调。对于F-35战斗机的换发升级问题，2023年3月，美国空军宣布选择普惠公司的F135发动机核心机升级（ECU）方案，放弃自适应发动机方案；2024年7月，F135发动机ECU项目通过初步设计审查（PDR）并进入详细设计阶段；升级后的发动机将于2029年配装F-35战斗机投入使用。为了普惠公司能够及时调整F135发动机ECU项目以避免再次发生后续冷却能力不足的问题，需要明确PTMS对主发动机的引气量需求，而这又需要F-35联合项目办公室明确其对PTMS的需求。

未来升级方案

2024年10月，F-35联合项目办公室发表声明，洛马公司已被确定为下一阶段动力与热管理升级项目的唯一领导者，目标是确保对所有可用的PTMU解决方案选项进行性能和经济可行性评估，以便集成到现役飞机以及未来新交付的飞机中，从而在考虑预算限制的同时最大限度地提高战斗机能力。但洛马公司航空部门则表示，其可以帮助JPO明确需求，但最终的解决方案应由美国国防部来做出选择。作为当前APU领域最大的两家供应商，霍尼韦尔公司和雷神技术公司分别提出了自己的竞标方案，此外，JPO在2023年12月发布的信息征询书显示，其要求洛马公司在2032年交付新的替代系统。

霍尼韦尔公司：持续升级PTMS

2023年10月，霍尼韦尔公司表示，冷却能力提升至47kW较为简单，只需升级电机和阀门使PAO冷却液流动得更快即可；冷却能力提升到62kW以上将需要大的设计更改，包括扩大通过主舱壁输送PAO冷却液的管道直径。然而，面对竞标对手的压力，2024年3月，霍尼韦尔公司宣布成功将PTMS的冷却能力提升至80kW。在此过程中使用了数字孪生技术，或许还使用了微蒸发（microvapor）冷却技术，此前霍尼韦尔公司已大力研发该技术。霍尼韦尔公司认为，其优势在于，升级后的PTMS整合了超过2500h的性能测试和超过100万h的飞行经验数据，不仅满足了F-35战斗机当前的作战需求，也与F-35联合项目办公室的远景规划相适配，未来与飞机集成所需要的重新设计、测试、认证等工作量较小，潜在风险较低，且现有的PTMS技术成熟度为9级。

雷神技术公司：推出EPACS竞标

雷神技术公司的子公司普惠公司是F135发动机的供应商，同时汉胜公司（已并入普惠公司）又是APU领域仅次于霍尼韦尔公司的第二大供应商，其迫切希望借此升级机会替代老对手霍尼韦尔公司的PTMS，于是提出了增强动力和冷却系统（EPACS）的竞标方案（见图4），该方案已历经6年的研发时间。EPACS由柯林斯宇航公司（雷神技术公司的子公司）牵头研发，柯林斯宇航公司提供空气循环系统、发电机和控制器，普惠公司提供APU，目前技术成熟度已达6级，具备进入工程与制造开发（EMD）阶段的条件。2024年1月，雷神技术公司在康涅狄格州温莎洛克斯展示了EPACS试验型冷却子系统，当一个闭环试验台在相邻的舱室中运行时，子系统冷却了模拟F-35战斗机电子系统发出的82kW热量。雷神技术公司认为，其优势在于，先前研发的APS5000（波音787飞机的APU，2011年投入使用）为其奠定了技术基础，EPACS可以满足F-35战斗机日益增长的冷却需求，对F135发动机的引气量需求也更小，可使F-35战斗机的航程和推力增加7%^[3]，也具有更好的耐用性。

结束语

对于未来的先进战斗机而言，隐身和超声速巡航能力的提升将导致可用热沉的减少，而态势感知、信息共享、快速决策和复杂战术能力提升又将导致航电和任务系统发热量的进一步增加，这一增一减导致冷却问题会更加突出，对相应的热管理系统及主发动机设计提出了更高的要求，电气化趋势及高能武器的发展还将进一步增加对电力的需求。动力与热管理系统技术对未来战斗机而言至关重要，美国于2018年开始实施的支持经济可承受任务能力的先进涡轮技术（ATTAM）计划重点关注该技术，并提出将该能力提高2～20倍的目标，相关进展及F-35战斗机PTMS升级情况值得持续关注。

（韩玉琪，中国航空发动机研究院，高级工程师，主要从事航空发动机科技情报与战略论证研究）

参考文献

[1] 郭生荣.航空机电系统综合技术发展分析[J].航空科学技术, 2013(5):5-10.

[2] 王子熙. F-35 Block 4升级与影响[J].国际航空,2022(2):62-65.

[3] 韩玉琪,郑小梅.2022军用航空动力进展[J].航空动力,2022(1):10-14.