军事科技：APU辅助动力装置

军事科技：APU辅助动力装置
APU是辅助动力装置的缩写
在大、中型飞机上和大型直升机上，为了减少对地面（机场）供电设备的依赖，都装有独立的小型动力装置，称为辅助动力装置或APU。

APU的作用是向飞机独立地提供电力和压缩空气，也有少量的APU可以向飞机提供附加推力。

飞机在地面上起飞前，由APU供电来启动主发动机，从而不需依靠地面电、气源车来发动飞机。

在地面时APU提供电力和压缩空气，保证客舱和驾驶舱内的照明和空调，在飞机起飞时使发动机功率全部用于地面加速和爬升，改善了起飞性能。

降落后，仍由APU供应电力照明和空调，使主发动机提早关闭，从而节省了燃油，降低机场噪声。

通常在飞机爬升到一定高度（5000米以下）辅助动力装置关闭．但在飞行中当主发动机空中停车时，APU可在一定高度（一般为10000米）以下的高空中及时启动，为发动机重新启动提供动力。

辅助动力装置的核心部分是一个小型的涡轮发动机，大部分是专门设计的，也有一部分由涡桨发动机改装而成，一般装在机身最后段的尾锥之内，在机身上方垂尾附近开有进气口，排气直接由尾锥后端的排气口排出。

发动机前端除正常压气级外装有一个工作压气级，它向机身前部的空调组件输送高温的压缩空气，以保证机舱的空调系统工根同时还带动一个发电机，可以向飞机电网送出115V的三相电流。

APU有自己单独启动电动机，由单独的电池供电，有独立的附加齿轮箱、润滑系统、冷却系统和防火装置。

它的燃油来自飞机上总的燃油系统。

APU是动力装置中一个完整的独立系统，但是在控制上它和整架飞机是一体的。

它的控制板装在驾驶员上方仪表板上，它的启动程序、操纵、监控及空气输出都由电子控制组件协调，并显示到驾驶舱相关位置，如EICAS的屏幕上。

现代化的大、中型客机上，APU是保证发动机空中停车后再启动的主要装备，它直接影响飞行安全。

APU又是保证飞机停在地面时，客舱舒适的必要条件，这会影响旅客对乘机机型的选择。

因此APU成为飞机上一个重要的不可或缺的系统。

飞机发动机辅助动力装置启动原理
一、飞机发动机的启动。

航空燃气涡轮发动机的结构和循环过程，决定了它不能象汽车发动机那样自主的点火起动。

因为，在静止的发动机中直接喷油点火，因为压气机没有旋转，前面空气没有压力，就不能使燃气向后流动，也就无法使涡轮转动起来，这样会烧毁燃烧室和涡轮导向叶片。

所以，燃气涡轮发动机的起动特点就是：先要气流流动，再点火燃烧，也即是发动机必须要先旋转，再起动。

这就是矛盾，发动机还没起动，还没点火，却要它先转动。

根据这个起动特点，就必须在点火燃烧前先由其他能源来带动发动机旋转。

在以前的小功率发动机上，带动发动机到达一定转速所需的功率小，就采用了起动电机来带动发动机旋转，如用于国产运-7，运-8飞机的涡桨5、涡桨6发动机。

但是随着大推力发动机的出现，用电动机已无法提供如此大的能量来带动发动机，达到点火燃烧时的转速了，因此需要更大的能源来带动发动机，这时，采用APU，产生压缩空气，用气源代替电源来起动发动机成为了现在所有高涵道比发动机的起动方式。

二、压缩空气的来源
毫无疑问，压气机是压缩空气最好的来源。

采用涡轮带动压气机就可以连续不断的提供飞机所需要的压缩气源。

而由于这个燃气涡轮装置提供的气源只要能满足发动机起动的需要就可以了，所以功率，体积相比发动机要小得多，这就使这套燃气涡轮装置可以采用电动机来起动，然后再由这套燃气涡轮装置产生压缩空气来起动发动机，这样就解决了发动机起动时需要大的能量的问题。

这套燃气涡轮装置被称作APU（Auxiliary Power Unit 辅助动力装置）。

三、起动过程
发动机的起动过程是一个能量逐级放大的过程。

先由蓄电池提供电源给APU起动电机，带动APU转子旋转；
APU达到起动转速后喷油燃烧，把燃料提供的化学能转变为涡轮的机械能，并通过压气机把机械能转换为空气的压力能。

由于燃料的
加入，APU产生的压缩空气的能量已远远大于蓄电池的能量了最后，发动机上的空气涡轮起动机把APU空气的压力转化为带动发动机核心机转子旋转的机械能，在达到发动机起动转速时喷油点火，最终靠燃料的化学能使发动机进入稳定工作状态。

所以，在整个起动过程中，带动发动机核心机旋转的大能量，从很低的蓄电池能量，通过燃料的加入，一步步升了起来，就象三峡大坝的梯级船闸。

这就是APU的好处：飞机本身只需要携带一个能量很低的，充足了电的蓄电池，通过APU，就能够自主的完成发动机的起动，而不再依赖于地面设备来起动发动机。

四、APU的特点
APU和发动机一样，都是燃气涡轮装置，但它们的目的不同，这是个很大的区别，
发动机用于产生推力，
而APU不需要产生推力，它主要用来提供气源，还有电源。

气源除用于发动机起动，还为飞机的空调系统供应连续不断的空气。

这个特点使APU不同于发动机。

它要求APU在设计时，使涡轮产生的机械能主要通过压气机转换为空气的压力能，还有一部分机械能通过齿轮传递给发电机以产生电能，而不是向后喷出产生推力。

所以，能量分配的不同，是APU和发动机的主要区别
五、APU的工作
和发动机不同的是，APU的工作状态很简单，在起动过程完成之后，就进入了稳定工作状态，即转速维持不变。

而发动机的却需要依据飞行情况不断的改变转速和推力。

APU的工作状态决定了APU的工作特点：保持转速不变
引气，是APU的目的。

就是把APU压气机产生的压缩空气引出去给飞机的空调系统和发动机起动。

由于引气，使APU的功率要受引气的影响，这就和APU的工作状态要求转速保持不变产生了矛盾，下面将讲诉这个问题
六、APU的发展
早期的APU，象发动机一样，气流从进气口先通过压气机，再到燃烧室和涡轮，最后从喷口喷出。

气流象一条线一样流动，没有岔路，串联起了压气机和涡轮。

如波音737的APU。

这个设计有个缺点，就是在给发动机引气以起动发动机时，由于负载突然变得很大，会使APU的转速发生大的变化，而自动调节器为维持APU转速的不变，会大幅增加供油量，使温度有大的升高，这对APU不好。

现在的APU，普遍采用进气分流，增加了负载压气机。

这个结构的特点是：进气道进来的气流分成两股，一股进入正常的增压压气机和涡轮，主要用来带动APU旋转，然后气流从喷口喷走，它是APU的功率部分；而另一股气流进入负载压气机，这部分气流由负载压气机增压，专门用于产生供飞机使用的压缩空气。

在这股气流的进口有流量调节活门（进口导流叶片），它根据飞机对压缩空气的需求，实时的对活门（叶片）开度进行调节，来控制进入负载压气机空气的多少。

这个设计使APU的负载部分和功率部份分开了，因此在大量引气时也不会早成APU功率部分转速和温度大的波动，这有助于增加APU 的寿命。

独立的负载部分和功率部分是现在APU的特点。

（注明一点，负载压气机依然由涡轮通过传动轴带动，说它独立是指气流分别进入两个部分，不再相干。

）
军机的发动机起动也需要外来能源的帮助。

一，发动机的起动方式：
1、使用起动电机
2、压缩空气
二，这里主要讲讲起动发动机的压缩空气的来源：
1、肼
2、APU
先说肼，它在催化剂的作用下能被分解成高温高压的气体，然后用它推动空气涡轮起动机来带动发动机，但它的起动功率也有限。

以F-20战斗机为例，飞行员发出启动指令后，高压氮气把储存在燃料箱中的H-70燃料（水合肼，70﹪N2H4＋30﹪H2O）压入装有催化剂的分解室。

在分解室里，水肼被催化剂分解成610℃温度的高压气体（主要是氮气、氨气、氢气及大量水蒸气的混合气）。

这种高温高压气体推动空气涡轮起动机，产生扭矩，带动发动机运转。

采用水肼的优点有：起动可靠性高，起动迅速，电源要求低
但缺点是：每次起动成本较高，并且水肼有毒，有腐蚀性
另一个是采用APU，和民机一样的燃气涡轮装置，在大推力涡扇发动机上采用，因为APU能提供更大的起动功率。

三，与民机APU的区别：
和民机不同的是，由于军机的体积小，采用的燃气涡轮式的辅助动力装置（APU）体积也小，所以它的APU的进气量小，因此在高空APU不能正常工作，也就不能提供压缩空气在高空起动发动机，如果发动机在高空空中停车，如何重新启动呢？
没有办法，只有让飞机先降低高度，直到APU能正常工作了，能提供足够的压缩空气了，才能重新起动发动机。

这也就是所谓的发动机空中起动包线，飞机必须进入这个包线内，才能空中起动发动机。

四，空中停车
在此先说说空中停车的危害。

而在这之前说说飞机的电源和液压源，
飞机正常的电源和液压源都来自发动机，由发动机上安装的发电机提供电源，液压泵提供液压源，所以一旦发动机空中停车，将失去这两个重要的能源。

电源的用处不用说了，液压源也极其重要，飞行操纵系统的舵面都由液压来操纵，它们是飞机不能失去的能源，否则飞机将无法操纵。

那么现在的问题就是：一旦空停，如何保证这两个重要的能源供应，使飞行员还能操纵飞机呢？
那就是用应急能源发挥作用的时候到了
五，应急能源有：
1、蓄电池
2、飞机的动能：即可以从飞机上应急放下一个螺旋桨，由急速的气流冲动这个螺旋桨，（原理和风车一样），来带动与它相连的电机或液压泵。

这个装置叫冲压涡轮（RAT）。

3、肼。

肼的能量虽然不足以驱动大推力涡扇发动机，但足以驱动应急电机和液压泵，提供应急的能量供应。

F-16战斗机上的EPU就是用肼来驱动。

在上面，冲压涡轮因为所占体积很大，一般用于民用飞机。

肼因为储存空间小，用于军用飞机。

当然，蓄电池是所有飞机必备的。

六：EPU
军机上的应急能源被称作：EPU
EPU就是在正常和备用的电源、液压源失效后，提供飞机最后应急的电源和液压源。

在高空发生空中停车后，可由EPU提供应急的电源和液压源，保证飞机能被操纵，飞行员将飞机降到可以用APU起动发动机的高度和速度后，重新在空中起动发动机。

如果空中起动不成功，EPU一直提供操纵能量让飞行员操纵飞机滑翔落地。

七，最后，来讲讲美空军未来的先进第二动力系统，IPU（综合动力装置）
过去，军用APU在地面直到7620米高度起动主发动机。

要在更大高度上提供足够的气动功率，就不得不增大APU尺寸，导致系统过大过重。

为避免APU过大，在高空利用应急动力装（EPU）提供液压功率和电功率用于飞机控制，在下降到低高度时重新起动主发动机。

而IPU，所谓的综合，就是把原来飞机上的APU和EPU合二为一，它的主要要求是：
1，系统在15200米压力高度能在2秒内实现起动并产生149千瓦的功率而不需要冲压。

2，同一个涡轮装置产生APU和EPU两种功能。

IPU的实质也是一个燃气涡轮装置，但在高空，IPU不吸入外界空
气，燃烧室由飞机上储存的压缩空气供气燃烧，提供飞机的应急电源和液压源，起EPU作用。

在低高度，IPU就是一个APU，吸入正常的外界大气经压气机增压后进入燃烧室燃烧，提供各种能源，是正常工作状态。

这个设计的关键在燃烧室，它必须具有好的双工作状态，处于研制中。

IPU的好处在于取消了EPU和APU的起动系统，简化了系统，提高了可靠性
下图。

美国F16的这种装置。