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APU，即辅助动力装置，是一种小型燃气涡轮发动机，独立于提供动力的主发动机安装及运行，位于飞机尾端，其作用是向飞机独立的提供电源和压缩空气，当飞机在飞行过程中遇到发动机故障时，APU可重新起动，向飞机提供气源或电源，并为发动机重起提供动力。
可以说APU为飞机的安全飞行保驾护航，必不可少。国外APU设计技术已相当成熟，APU呈系列化、多样化发展趋势，当量功率也覆盖了几十千瓦到上千千瓦，并在军民用飞机上已得到广泛应用。
国内APU研制时间相对较短、型号单一，虽然在APU设计及系统集成方面积累了一定的设计和工程经验，但总的技术储备还相当欠缺，在APU系统总体布局方面的研究国内尚属空白。
文 | 邓雯
编辑 | 张展
01
APU行业概况APU定义
辅助动力装置，英文为Auxiliary Power Unit，简称APU。
APU是一种小型燃气涡轮发动机，独立于提供动力的主发动机安装及运行，位于飞机尾端，其作用是向飞机独立的提供电源和压缩空气，当飞机在飞行过程中遇到发动机故障时，APU 可重新起动，向飞机提供气源或电源，并为发动机重起提供动力。
APU是保证发动机空中停车后再起动的主要装备，飞机在地面时确保客舱舒适的必要保障。其种类多达百余种，功率从几十千瓦到上千千瓦，在军民用飞机上广泛应用，是当今军民用飞机必不可少的重要组成部分。
结构和功能
结构：
APU与航空主动力发动机“技术同根、工艺同源”，其核心机（由压气机、涡轮、燃烧室组成）同样在高温、高速、高负荷的苛刻条件下反复工作，对零部件设计技术、工艺技术、材料技术和测试技术等都提出了很高的要求。APU一般由带动发电机的附件传动装置、负载压气机、进气机匣、压气机 、燃烧室、涡轮和排气装置组成。
功能：
地面提供压缩空气起动主发动机；
地面为环控系统提供压缩空气 ；
地面为机载设备提供电源、液压源；
空中应急起动发动机；
空中应急提供电源、液压源；
空中为环控系统提供压缩空气。
生命周期
APU的生命周期是从某型飞机选型后装机使用开始，到该型飞机完全退役，APU不再使用为止，通常一型APU的生命周期约30~40年。
在APU装机使用的第一个5年期，机队在陆续引进，称为引入期；随着机队规模扩张，后续10 年市场逐渐扩大，称为成长期；过后的10年，机队稳定运行，新机交付量不再增加，为成熟期；然后进入衰退期（5~10年），APU随飞机逐渐退出运营；最后的 5 年为退出期，运营机队很少，直到完全停止运营。
02
发展历程不同年代发展历程
上世纪40年代末和50年代初，军用飞机发动机推力愈来愈大，开始以气起动系统代替电起动系统，由此产生为飞机主发动机起动提供气源的辅助动力装置。
20世纪50年代到80年代初
轴功率输出型APU，也就是燃气涡轮起动机 (GasTurbineStarter，GTS)，由于轴功率通过飞机附件传动装置和发动机附件传动装置的传动链，直接驱动发动机的高压转子和有关飞机附件。
20世纪80年代至90年代
压缩空气输出型APU成为主要发展方向，由于这是因为压缩空气输出型APU安装位置灵活，有利于飞机系统布局，并提供气、电等多种能源。
上世纪90年代末至今
APU开始与应急动力装置(Emergency PowerUuit，EPU)进行组合和综合，为了适应电传操纵对不间断提供辅助能源的要求。
不同代战斗机起动方式
第一代、第二代
第一代战斗机最大特征是突破声障，实现马赫数（Ma）1 以上的飞行速度，主要作战方式是近距离格斗。代表机种：苏联的米格-19 、美国的 F-100、F-104 等。
第二代战斗机采用了更优设计的后掠翼或三角翼、梯形翼面，采用更强劲涡轮喷气发动机，达到两倍声速的飞行速度和20000m的飞行高度，主要还是视距内作战。代表机种：苏联米格-21、美国 F-4 和法国“幻影”Ⅲ等。
米格21
第一代、第二代战斗机的发动机推力较小，对起动功率的需求也较小，因此多采用电起动机，见上表。
优点：结构及控制简单、使用方便可靠，容易实现起动自动化；缺点：低速电起动机的总质量大，功重比不到 0.3kW/kg，一般起动功率都低于30kW；蓄电瓶的质量大且对电压降很敏感，在冬季低温条件下蓄电瓶的电容量显著下降且不可靠，受蓄电瓶容量限制，一般只能保证连续3~5次的起动。
第三代
第三代战斗机采用以空气动力学优化后的气动外形，最大飞行速度维持在Ma2 左右，最大升限20000m 左右，机动性大大加强。这一代战斗机以“超视距空战”为主要作战场景，代表机种：苏联米格 -29/31系列、苏 -27系列，美国F-14/15/16/18 系 列， 欧 洲“幻影”2000 和“狂风”战斗机等。
米格29
第三代战斗机使用的发动机较第一代、第二代战斗机的推力增大，对起动功率的需求增加，多采用功重比大的机械型 APU（即燃气涡轮起动机），见上表。
机械型 APU 直接输出轴功率，通过机械传动起动主发动机。该类 APU 就是一台微型燃气涡轮发动机，自身起动功率小，但输出功率大；不需要特殊工质，可多次独立起动主发动机；功重比大大增加，达到0.88～2.5kW/kg。缺点：APU必须尽量靠近主发动机安装，不利于飞机布局，缺乏备用起动手段。功能比较单一，多数仅用来起动主发动机。
三代半
有些战斗机仅部分达到了第四代战斗机的特性要求，称为“三代半”战斗机，典型机种：欧洲合作研制的EF2000、法国的“阵风”和瑞典的“鹰狮”等。
EF2000
三代半战斗机采用的是空气涡轮起动机（ATS）起动主发动机，使用气压型APU为空气涡轮起动机提供压缩空气，见上表。
气压型APU输出压缩空气，通过管路去冲击 ATS，然后由 ATS 输出轴功率带动主发动机起动。好处：APU 的安装位置灵活，可远离主发动机，有利于飞机系统布局。同时ATS使用的压缩空气来源丰富，可由APU提 供，也可由已起动的主发动机或机场地面气源车提供，使用灵活。缺点：整个系统转化效率低，要求APU 的额定功率较大，机体内需布置较粗的空气管道。
第四代
第四代战斗机典型特征是超声速巡航、隐身性、短距起降能力、超机动性，代表机种：美国的 F-22 和F-35。
F-22
一些战斗机上除了有 APU 外，还有一种应急动力装置（EPU）为飞机快速提供短时应急功率。传统 APU和 EPU 在战斗机上分开布置、分时工作、优势互补，共同降低飞机的维护使用费用和保证飞机的飞行安全。
APU 使用飞机上的燃油和外界空气工作提供起动和辅助能源，工作高度有限（通常低于13000m），起动时间较长（通常在30s以上），优点是可长时间工作 ；
EPU则是一台没有压气机、使用飞机上的燃油和机载压缩空气工作或主发引气的涡轮动力装置，由于其工作介质都来自机上，因此可在飞机飞行全包线内工作，起动时间短（2～5s），缺点是机载压缩空气瓶体积有限，工作时间受限（2min 内）。
随着第四代战斗机复杂程度的增加，使得尺寸、质量、航程、隐身、新武器、多余度、经济性之间的矛盾愈加突出。要在有限空间内实现使用功能、性能的增加，除了在原有设备基础上进行性能提升和小型化发展之外，另外一种思路就是将原有分散独立、各司其职的系统或装置进行有效综合，实现一物多能，从而节省空间和减轻质量。
美国 F-22 和 F-35 战斗机基于上述理念，发展出了组合动力装置（IPU），见上表。
03
发展现状主要型号
国外 APU 设计技术已相当成熟，APU呈系列化、多样化发展趋势，当量功率也覆盖了几十千瓦到上千千瓦，并在军民用飞机上已得到广泛应用。
国内APU研制时间相对较短、型号单一，虽然在APU设计及系统集成方面积累了一定的设计和工程经验，但总的技术储备还相当欠缺，在 APU系统总体布局方面的研究国内尚属空白。
APU 的主要制造商有美国的霍尼韦尔、汉胜（Hamilton Sundstrand）、加拿大普惠（Pratt & Whitney）、法国的Microturbo和俄罗斯的Aerosila公司。
由于俄罗斯Aerosila公司的APU只用于本国的运输机和客机，法国 Microturbo的APU主要用于军机 。所以主流的客机 APU 市场主要由霍尼韦尔和汉胜占有。其主要型号及装用机型见下表。
典型APU性能参数
04
发展现状可靠性不断提高
战斗机从采用燃气涡轮起动机发展到采用压缩空气输出型APU，采用可靠性高的单转子结构 ，平均故障间隔时间延长30％。
提高APU使用高度
为了适应电传操纵战斗机对不间断提供辅助能源的要求，战斗机APU已向与EPU进行组合和综合方向发展 ，在战斗机全包线范围内为战斗机提供应急能源 。
循环参数逐步提高 、耗油率和重量
增加压比，提高涡轮前温度。目前，APU压比达到8，涡轮前温度为 1300K左右。
战斗机中APU与EPU进行组合和综合
APU与EPU共用传动齿轮箱和滑油系统，并驱动同一套辅助发电机和辅助液压泵。APU的起动由EPU带动，技术关键为带高速离合器的齿轮箱的研制。
注重低噪声、低排放的环保要求
采取低噪声压气机设计技术 、低噪声发散冷却燃烧室设计技术 、低噪声引射散热器设计技术等降低噪声指标。采用低污染燃烧室设计技术降低氮氧化物、一氧化碳等排放。
总 结
辅助动力装置自诞生以来，功能由最初的提供单一起动能源，发展到现在为飞机提供起动、辅助和应急能源。
不论是性能还是结构 ，APU具有许多中小型航空发动机的设计特点 ，功率小、体积小、重量轻、空气流量小、尺寸效应突出，而且燃油流量低，转子转速非常高，采用离心压气机，大量采用整体结构件，大部分技术与中小型航空发动机有通用性。
APU的研发主要依靠中小型航空发动机的设计技术开展。辅助动力装置发展应充分借鉴中小型航空发动机型号研制的成功经验，充分吸取中小型航空发动机预先研究成果，充分利用中小型航空发动机试验技术基础，发挥中小型航空发动机行业力量，协作发展。
APU有其自身的技术特点 ，涉及的关键技术较多，如高压比高效率单级离心压气机设计、宽广喘振裕度压气机设计、双模态燃烧室设计、高效向心涡轮设计、双金属整体叶片盘制造、全权限数控系统设计等技术，应通过先期开展系统深入的预先研究，打好基础，稳步发展。
APU产品有系列化发展的特点， 如美国霍尼韦尔公司的GTCP36型 APU，有40多种产品，功率从96．9kw到 370kW，广泛用于战斗机、运输机 、直升机和民航客机上 。
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