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堡垒机器人(1)

  【基本信息】kXnkX

  名称:堡垒型特种战斗机器人(Type 090“Fortress”SpecialBattroid)kXnkX

  所属:人类联合(United Nation of Humanity,UNH)kXnkX

  类型:人形自律战术系统(H.S.T.S)kXnkX

  分级:特种(Special)、先进(Advance)、小批量生产(Small Scale Production)kXnkX

  研发商:赫尔墨斯重工(Hermes Heavy Industries,HHI)、先进工程研究所(Advanced Engineering Institute,AEI)kXnkX

  生产商:赫尔墨斯重工(Hermes Heavy Industries,HHI)kXnkX

  【性能数据】kXnkX

  高:2米kXnkX

  宽:0.12米kXnkX

  质量:480千克(标准战斗全重)kXnkX

  速度:35千米/小时(标准)kXnkX

  单次最大跳跃距离:3.75米(标准型)kXnkX

  自持力:无限(远程输电支持)、72小时(内置电容)kXnkX

  传动系统:kXnkX

  赫尔墨斯-世界树AT-X(HHI-Yggdrasil AT-X)先进多自由度自适应可编程电活性纳米聚合物运动控制系统kXnkX

  堕天使-罗伯茨动力L.M.E.S/RB-88(AAA-Roberts Dynamics L.M.E.S/ RB-88)背负式单兵机动增强系统kXnkX

  动力系统:kXnkX

  1×罗伯茨动力AMA-07(Roberts Dynamics AMA-07)正/反物质对湮灭反应堆(正电子-电子湮灭,磁流体/温差整合产能)kXnkX

  中压直流综合电力系统(IIPS)kXnkX

  罗伯茨动力SBRD微波输电系统kXnkX

  主系统:kXnkX

  神上智能“经络-16”(KAMIJO JL-16)通用计算环境kXnkX

  赫尔墨斯实验性自动化控制自主指令集(HHI EACAIS)kXnkX

  主机:kXnkX

  12×赫尔墨斯-P&T OQP22350(HHI-P&T OQP22350)通用分布式光量子计算机集群(A选择)kXnkX

  6×赫尔墨斯-P&T OQP22350(HHI-P&T OQP22350)通用分布式光量子计算机集群、1×先进工程研究所Core G9(AEI Core G9)高性能光量子计算模块(B选择)kXnkX

  赫尔墨斯-P&T统一战术网络系统(HHI-P&TUTNS)kXnkX

  电子系统:kXnkX

  1×赫尔墨斯-P&T“全视之眼Neo”(HHI-P&T EMOIS)完备型单兵级分布式战场态势感知能力套件【包含全周天光学传感器阵列、分布式合成孔径激光干涉引力波观测系统、多波段超宽带整合光量子检测电磁波相控阵传感器集群】kXnkX

  1×主/被动能量观测系统kXnkX

  全波段全向被动传感器监听网络kXnkX

  多个机载多用途传感器集群kXnkX

  1×P&T QFC-88整合式量子火控系统(加载光量子处理器集群辅助模块)kXnkX

  赫尔墨斯-P&T IECS综合增强通讯系统(整合脉冲激光通讯阵列、电磁波通用通讯天线、量子态传态系统、间歇式快子脉冲加密通讯系统、被动中微子成像阵列、中微子窄波束定向传感器、)kXnkX

  各类其他天线(包括战术数据链天线、数据链天线、战略GSNAS通讯天线、敌我识别天线等)kXnkX

  赫尔墨斯-P&T协同作战能力系统(HHI-P&TCECS)kXnkX

  P&T整合式全频段全向集成射频阵列(P&T IRFA)kXnkX

  P&T数据多重存取系统(SDMS)(光纤总线传输)kXnkX

  统一网络应用系统(UNAS)kXnkX

  热量控制:kXnkX

  热管理类型:表面被动隔热控制、封装箱被动隔热控制、散热格栅被动散热、多层次热管循环网络被动热管理、流体循环主动热控制、封装箱辐射/传导式主动散热、可抛式热容主动散热(应急)、冷却介质喷射主动散热(应急)、等离子体喷射/等离子体云团主动散热(主动防御护盾)kXnkX

  散热设备:kXnkX

  能源系统磁约束等离子体循环散热网络kXnkX

  电子和武器系统循环散热网络kXnkX

  动力系统液态金属快速循环散热网络kXnkX

  封装箱综合主动热控制系统(整合热控百叶窗、热控旋转盘、接触导热开关、可变热导热管等主动式辐射/传导热控制技术)kXnkX

  毛细抽吸两相流体环路热控系统kXnkX

  2×肩部散热格栅kXnkX

  1×可抛式热容(应急散热组件)kXnkX

  电子战:kXnkX

  全频段综合射频管制系统(All-band Integrated RF Control System,ARFCS)kXnkX

  赫尔墨斯-P&T“闪长岩”(HHI-P&TIEEWS)综合增强型电子战系统(包括多组ECM/ESM共型天线阵面、多组电子战天线阵列、特种型服务器机组)kXnkX

  赫尔墨斯-穷奇防务2K14(HHI-QQD 2K14)光电集成诱饵系统kXnkX

  搭载武装:kXnkX

  1×赫尔墨斯-机械动力“赫拉克勒斯”(HHI-PWRM IGK)超重型集成混合套件【套件集成三防屏蔽、2×机械动力ESD-45(PWRMESD-45)工程型精密操作套件,4×单兵级重型装备标准插槽,1×近战用短刃及其可调角度电磁弹射装置。kXnkX

  装备插槽可选装:kXnkX

  重锤兵器TCW-50(SW TCW-24)60mm重型榴弹发射器kXnkX

  重锤兵器MK-24(SW MK-24)4联装30mm电磁转管速射机炮kXnkX

  穷奇防务单兵突击套件(QQD-IAK)“十字军”重型防爆防弹盾牌(可折叠存放)kXnkX

  联合建投IPB2301(UCIG-IPB2301)工业等离子切割机kXnkX

  近战短刃可选装:kXnkX

  鸣神工业SEE-28(NAISEE-28)单分子反装甲军刺kXnkX

  坂田兵造二十九式(SAP Type-29)高周波振荡短刀kXnkX

  中州光绘DJQ-95(ZZOMDBZ-95)等离子战刃】kXnkX

  2×穷奇防务特种套件(QQD-SK)模块化电磁弹射导弹发射器套件【可选8联装SIM-40通用拦截/打击弹药(常规高能战斗部),战术级热核武器(惯性约束点火)或战役级反物质弹头(质子-反质子湮灭)】(肩部插槽)kXnkX

  1×赫尔墨斯Z-2370型理想单兵作战武器(OICW)(手持)kXnkX

  1×赫尔墨斯D-2631型粒子束手枪(腰部左侧插槽,手持)kXnkX

  12×赫尔墨斯M184系列手雷(可选A1高爆破片手雷、A2电磁脉冲手雷、B1反重力手雷、C1智能制导手雷等多种款式)kXnkX

  2×赫尔墨斯-卡塔琳娜机械特种战术雾霾布洒器(搭载6枚赫尔墨斯M91系列战术雾霾抛射药)(背部上方插槽)kXnkX

  其他符合人类武装力量装备接入协议标准SAP/I-28778-2638的武器和装备设计kXnkX

  主/被动防护:kXnkX

  世界树F-CMS(YggdrasilF-CMS)特种型纳米强化钢-陶瓷复合材料框架(机体骨架)kXnkX

  赫尔墨斯ASP-45(HHIASP-45)单兵等离子护盾主动投射系统kXnkX

  赫尔墨斯ARS-15(HHIARS-45)高容量自变频电磁偏转护盾系统kXnkX

  赫尔墨斯“铁壁S”陶瓷框架整合光子晶体-智能可编程纳米金属-A级钛合金智能复合装甲系统kXnkX

  中州光绘LDC85(ZZOM LDC85)电塑性多频谱可变折射率低可探测性涂层kXnkX

  可抛式外挂光子晶体爆炸反应装甲模块(可选挂载)kXnkX

  其它:kXnkX

  神上智能MSF-18.8.7(KAMIJO MSF-18.8.7)主-从追随式动作捕捉系统kXnkX

  南宫仪器“天球”智能全息投影仪kXnkX

  南宫仪器“山水”(NKI SANSUI)蓝牙无线音响kXnkX

  内置的完善语言库和自译解系统(与全域联合战术网络实时连接)kXnkX

  自带的完善维修工具包kXnkX

  可外挂的合金储物袋kXnkX

  【基本介绍】kXnkX

  作为一种主要用于要地防御的战术战斗机器人/机械人,堡垒型机器人的诞生显然是人类联合充分总结了内战期间的经验与教训的体现。为了进行要地防御、VIP目标保护、反渗透和反特种作战、保密与防间谍等需要,堡垒型机器人设计的主要目的便是为了“守护”被指定的目标直至它们至死方休。为了达成这一目的,该型号机器人需要具备能够从海陆空天、核生化网等各种途径和来源的攻击中最大程度地保护指定目标的能力。而考虑到本时代传感器、平台航程和武器打击范围等方面的整体优势,秉承“进攻就是最好的防御”的人类联合认为,要实现预期目标,该型号机器人应同时具备强大的进攻能力以在防御乃至进攻作战中占据主动权。为达成这一目标,赫尔墨斯重工和先进工程研究所最初尝试通过已有光耀型的基本构造来兼容新的功能模块,但这一目标因需要集成的设备和功能复杂且种类繁多,随后被证明是不可能的,至少无法在光耀型基本平台上达成。为此,两家开发商不得不另起炉灶,对光耀型通用平台的构型进行一定程度的修改以适应新的任务、硬件和功能增量。这一计划最初被称为“光耀型防御性任务增量(DefensiveTaskIncrement,DTI)”,随后由于光耀型平台的各类改型和特殊型号过多,引发了军方后勤系统、研发系统和作战系统人员的普遍不满,这些人认为,基于光耀型平台的庞杂改型和各种“功能增量”已经使得光耀型家族的成员空前庞大,好消息是当初设定的通用性目标借此得以实现,坏消息则是其体系过于庞杂而导致后勤、前线作战和数据采集工作面临着巨大的困难。某些光耀型改型不仅需要独立的特种零部件保障,专业的软件工程师团队伴随,甚至连武器装备的弹药、补给等都与常规型号相去甚远。因此在这种“不是所有带了个光耀型名字的改型都能冠以光耀型称呼”的抗议下,联合议会重新统计了光耀型各类改型和特殊型号的数量和类别,并将很大一部分差异过高的型号分流出去并给予独立的工程和开发编号。而堡垒型机器人正是其中之一,被重新命名为“堡垒”型(工程编号090型)的超重型战术战斗机器人就此拥有了新的名字和独立的谱系,并最终于2650年宣告技术冻结,第一台量产型号于2652年下线。kXnkX

  整体构型:kXnkX

  作为基于光耀型平台的大幅改动,原名“光耀型防御性任务增量(DefensiveTaskIncrement,DTI)”的堡垒型超重型战术战斗机器人自然也沿袭了经典的人形设计,堡垒型整体呈人形,拥有辨识度较高的躯干、四肢和头部。考虑到尽可能减小受弹面积的需要,因此整体高度尽可能地降低,其高度仅有2米,但显然在横向上较作为原型的光耀型更加低矮和敦实。为使用包括重型武器在内的多种重型装备,堡垒型除自身机体外还外覆一层由赫尔墨斯、穷奇防务和机械动力联合开发的“赫拉克勒斯”超重型集成混合套件,该套件在集成了与光标型同规格的ESD-45工程型精密操作套件的同时,还提供了多达4个重型装备插槽及相应的电源制式,数据管线,振动、辐射防护等封装措施以容纳各类重装备。为支持庞大的身躯,在给定体积内实现预定的输出功率,堡垒型不得不替换掉了相对低效的核聚变反应堆,转而采用罗伯茨动力AMA-07正/反物质对湮灭反应堆作为主能源装置,并以主要热源的形式将磁流体-温差联合发电网络与喷气背包组件整合,这极大地增强了堡垒型的运动能力和低空机动能力。堡垒型还配备有来自货架的商用现货成品微波输电系统,不仅可以被动地接受来自友军的输电,自身也可作为输出端向编组中的其他类型装备输送电力。大量商用现货(COTS)的直接运用极大地降低了堡垒型的全寿命周期成本,并使得光耀型的多任务能力得到了进一步的提升。kXnkX

  动力系统:kXnkX

  顾名思义,所谓的“正/反物质对湮灭反应堆”是通过正物质和反物质接触时产生的湮灭反应来提供能量的能源装置。鉴于湮灭反应是完全的质量-能量转换,其无论是在效率还是在规模上均远超人类以往所使用的任何能源装置。作为目前最先进的能源系统,正-反物质对湮灭系统拥有着极高的能量密度,这使得哪怕只有1g反物质与1g正物质发生湮灭,就能释放相当于4.3万吨TNT当量的巨大能量。当然,正如一切热力学系统一样,在湮灭所产生的能量中,只有约64%的光子所携带的能量能够被利用,其余约36%的能量都由π介子携带,不过考虑到庞大的基底,产生的能量和效率依旧可观。而湮灭后剩下的π介子还能继续作为热源加热位于堡垒型机器人背部喷气背包组件内的等离子工质,进而提升等离子脉冲推进的效率。kXnkX

  堡垒级使用的AMA-07湮灭反应堆由两套除反应室外相互独立的物质/反物质反应组件和外围支持设备构成,并采用3He-反3He的燃料组合。出于提高效率和安全性的需求,这套反应堆被布置于机体腹部的动力舱中,且并未为人类保留任何操作空间,全系统均交由自律计算主机进行管理和维护。kXnkX

  一套经典的物质/反物质反应组件的主要结构包括中央的磁箍缩反应室(正物质和反物质在这里进行湮灭反应并释放能量)和围绕反应室相对的两个结构完全一致的反应物注入器,用于从物质/反物质贮箱(彭宁离子阱构型)中提取物质/反物质的磁约束输送管道以及其他外围支持设施(如高能电源、冷却网络、自动化控制电路等)。鉴于反物质的高度危险性,从燃料贮箱到反应室的整个过程中,作为燃料的反物质都将处在多重磁场叠加的磁约束环境下以确保和构成反应装置结构的正物质不发生任何接触,否则不受控的剧烈湮灭反应将在瞬间毁灭机体和周边数十公里内的一切。而即便是用于承载正物质的燃料贮箱,由于考虑到机体在进行机动时可能会产生的水锤效应,加之提高组件通用性和冗余度的需要,以及预防加注燃料时出现的误操作。因此正物质贮箱也遵循了和同类反物质贮箱一模一样的配置,包括进行多重磁约束的多组线圈和用于推动燃料的磁泵组、用于定位和预结算反应截面的自动化控制模块和用于精确调整位置的精密约束线圈等结构。kXnkX

  当准备进行正/反物质湮灭时,物质/反物质反应组件将会从机体主燃料贮箱中提取燃料,在磁泵和两侧约束磁场偏移的挤压下,小股燃料将持续不断地从主贮箱流向反应组件,当进入反应组件后,磁箍缩段线圈阵列会挤压物质/反物质流,并将其分散为相互间距在10-15cm的多粒液滴,并与对面的反应注入器相对齐,使来自两股物质流的液滴在物质/反物质反应室内部三轴坐标完全一致的一点上碰撞,以此引发湮灭反应。kXnkX

  AMA-07型作为捆绑了两套反应组件的反应堆,采用了共用反应室的多组反应组件联携控制技术,两套反应组件的四个反应物注入器以90度间距相向布置。并引入了极低时延自动化联携控制来提高反应堆的安全性。采用捆绑90度布置的反应物注入器采用了不同于180度相向布局的自动化控制例程,相比于单个反应组件以相同的时间间隔向反应室内注入物质/反物质液滴,双联捆绑下的反应组件则采取间歇注入的控制例程,即“一组反应组件完成一次注入流程后,二组组件再进行注入流程,接着一组再进行注入,并以此往复”。当四个反应物注入器中的任意一个或两个出现意外性注入不连续状况时(这代表反应室内将会有一滴乃至多滴物质/反物质液滴未能马上完全反应,属于自动化控制中的黄色状况),实时控制的间歇注入例程就会迅速调整其他的反应物注入器的注射频率以保证在极短的时间内会有原理相反的一滴或多滴物质/反物质液滴与停留在反应室中的未反应液滴反应。kXnkX

  以AMA-07型反应堆标准的间歇注入流程为例,通常情况下1号注入器注射的氦三液滴将会和同属一组反应组件的3号注入器注射的反氦三液滴相互碰撞并反应。当1号注入器出现注入不连续状况时(这意味着反应室中将会有一滴来自3号注入器的未反应反氚液滴存在),自动化控制系统会实时调整注入顺序,使得属于另外一组反应组件的2号(或4号)注入器额外多注入一滴重氢/反重氢液滴以确保和停留在反应室中的反氚液滴发生完全反应。两组物质/反物质反应组件间的联携控制在提高了反应堆输出功率的同时也有效地保证了其安全性。复杂工况下精确到纳秒级的时序控制系统、进行数据传输的超流体液态光纤等多项突破性技术也体现了联合高超的自动化控制水平。kXnkX

  考虑到作为燃料的两种组分除自旋外其他指标完全相反的特性,AMA-07型湮灭反应堆采用的氦三-反氦三物质对组合在湮灭完成后将不会生成胶子(氦三由两个质子,一个中子,两个电子组成;和由两个反质子,一个反中子,两个反电子组合而成的反氦三的湮灭反应将会是完全的质量-能量转换,不会留下任何副产物),而只会释放能量,并以高能光子的形式向周围辐射,而这就给能量转换过程提供了方便。AMA-07型湮灭反应堆在反应腔外部,独立于物质/反物质反应组件的位置布置有外置线圈的磁约束管道。在这里,同样从燃料贮箱中被提取出来的液态氦三将会吸收湮灭反应产生的巨量高能光子,并在极短的时间内相变为等离子态。此时温度高达数十亿度的等离子态氦三将会随即被注入机体的磁流体发电网络中,在流经全舰的同时不断地做切割磁感线运动,为机体带来源源不断的交流电力。kXnkX

  有了湮灭反应作为能量来源,还需进行能量转换以将产生的热能转换为电能供全机使用。随着时代发展,人类在热管理材料、耐超高温材料等方面的进步促使人类终于得以彻底地抛弃“烧开水”式的低效“热能-机械能-电转换”方式,转而采用效率更高的“烧高热等离子体”式热-电直接转换方式。通过将AMA-07型湮灭反应堆采用的能量转换方式推广到全船,堡垒级采用的磁流体-温差综合电力系统整合了在推进和传动系统、武器系统、传感器系统等高产热区域使用的等离子体发电(也即磁流体发电)和利用其他低热区域与上述高热区域之间长期存在的高温差进行温差发电的整合式发电网络。这一分布式整合发电网络是革命性的,不再由单独、集中的发电机组向机体电网供给电能,而是将发电机与电网彻底融为一体,通过统一的机体电网为推进系统、高能武器系统、通信、导航与探测系统等机体子系统提供电能,实现全机能源的统一供应、分配、使用和管理。在有效利用了全机废热,提高了机体热管理效率的同时,也提高了电力系统的整体冗余度,对机体的生存性也是史诗级的提升。kXnkX

  在这一套分布式发电与电网整合的网络中,等离子体发电/磁流体发电部分的主要发电介质为高热等离子体(通常是被加热至数千度乃至更高温度的等离子态氦三),而等离子体可以通过多个来源获取,例如通过湮灭反应堆产生的高能光子加热获得,通过武器系统开火时被散热网络吸收的巨量热量获得……简而言之,只要机体内仍然存在多个高热源,等离子体发电网络就能从这些热源处源源不断地补充新的等离子体。获得高热的等离子体后,再将其通过外加多组线圈的导管网络。在受线圈产生的强磁场约束不与导管壁接触(以防导管壁不耐受等离子体高温而融化,高热等离子体溢出网络造成设备乃至人员的损害)的同时,因等离子体自身固有的物理特性,让其在磁场中高速流动时,切割磁感线,产生感应电动势。通过这样的热能直接转换成电流的能量转换方式,显著提高了磁流体发电技术相较于加热水使其相变成蒸汽再推动汽轮机发电的“烧开水”式能量转换而言的能量转换效率。kXnkX

  而发电网络中的温差发电部分则在技术上更加简单,考虑到其原理的特殊性,先进工程研究所的设计部门对这一部分的要求也非常简单:能够在舰船高耗能模块持续处于高功率运作状态时为同样处于高负载的舰船电网提供加成供电。作为设计用来“遇强则强”的发电模块,温差发电部分通过在武器、能源、动力等高耗能高发热子系统处构建与机体低耗能低发热子系统相联通的热力循环网络,并以此为基础安装规模覆盖大半台机体的热电堆,利用这两者间极其巨大的温差,使得其发电效率维持在一个相当高的水平,且可以一直工作下去。堡垒级的温差发电网络依托其“温差越高,产能效率越高”的特性,可以有效在电网高负载为高耗能的机载子系统提供增幅电力,确保它们在关键时刻可以保持运作。kXnkX

  磁流体-温差综合电力系统这一革命性的集“发、输、变、配、用”于一体的智能电力管理系统大大提高了堡垒级机体的系统整合能力与生存能力。以往针对动力舱的精确打击将会让传统布局的联合机器人/机械人失去绝大多数的电力供应,变成任人宰割的活靶子。而采用新型分布式综合电力系统布局的机体由于可以接入多个热源,在面对同样的打击时可以调用其他热源来继续维持高热等离子体的产出,对机体整体发电量影响不大。而且,通过整合综合电力系统的相应功能,堡垒级机器人得以降低原动机的特征信号,提高自身的低可探测性。除此之外,采用综合电力推进的推进系统还能提高机载湮灭反应堆、聚变反应堆和等离子脉冲推进系统的效率,其燃料消耗量会较未采用IPS而安装相同原动机的机体下降10%到25%不等。kXnkX

  为提高机体的海陆空天四栖作战能力,堡垒型机器人采用的堕天使-罗伯茨动力L.M.E.S/RB-88背负式单兵机动增强系统内置有一台由堕天使先进气动研发的APE-9四涵道双循环等离子三维矢量组合循环发动机,并配备轴对称三元矢量喷口以提高机动性。APE-9属超导电磁混合式涡轮基组合循环发动机(Superconducting Electromagnetic Hybrid Turbo-Based Combined-Cycle,SEHTBCC),是涡轮基组合循环发动机(Turbine-Based Combined-Cycle,TBCC)大类的一种。作为空天一体化组合循环动力发动机,APE-9全系统拥有开循环(大气环境飞行)模式和闭循环(太空环境飞行)模式两种循环模式,并且可以在两种循环模式之间无缝切换。在开循环模式下,定向微波波束将会加热部分气流使其成为高热等离子体并以此加热气流,并将高热气流从后方喷出以赋予机体推力。在闭循环模式下,发动机将转为直喷状态,直接将机体自带的高热等离子体工质注入燃烧室,并从后方喷射出去,进而赋予机体推力。kXnkX

  一般而言,可依照大气/太空环境将APE-9分为两个部分。其中,核心机(也即APE-9A自适应变循环发动机)采用类H-MAGJET构型,用于在大气环境下(开循环模式)提供所有推力和各系统工作动力;而APE-9S可变比冲脉冲磁等离子推进系统则在太空环境下(闭循环模式)为机体提供所有推力。涡轮喷气式发动机外壁和VASIMR发动机内壁之间的空间则用于存储冷却剂和等离子燃料,以及放置电源系统、电磁传动系统、冷却系统等子系统的各控制件和冗余。在开循环模式下,APE-9可通过可调整流定子叶片、可动进气锥和各涵道间配备的活门来调节各部分的气流流量和流场,在不同工况下协同运转和切换。依托发动机自带的微波加热装置,APE-9得以采用新型等离子体喷注室,而非基于传统航空燃油的传统燃烧室作为自己的燃烧室。并与同样应用新技术的,采用注氢加力的加力燃烧室组合。从而使其成为一种技术先进,性能优秀的涡轮基组合循环(TBCC)动力装置。kXnkX

  由于APE-9的开循环模式本质上与传统的喷气式发动机并无不同,因此其核心机部分依旧保持着和传统喷气式发动机大致相同的结构,即“进气道、风扇、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管”六大部分。不过得益于航空航天技术的进步,APE-9在与以往涡轮喷气式发动机相同的部分也引入并集成了如磁流体加速环、超导起动发电机、三涵道构型以及随之而来的涡扇/涡喷双模式无缝切换功能、全电磁传动转子、用于燃烧控制的等离子电弧喷射等多项先进技术。且考虑到后勤和机载燃料的相关因素进行了“燃料革命”,将原有的航空燃油改为了现在的氢燃料。kXnkX

  通常情况下,一台标准且完整的APE-9发动机从前至后可主要由可动中心锥、中轴进气道&中心涵道、2级电动对转风扇、内中外三级涵道、6级电动压气机(2级低压、4级高压)、等离子体燃烧室、3级集成超导电机的电动对转涡轮(单级高压、单级中压、单级低压)、多级并联的磁流体加速环与轴对称三维矢量喷管组成。kXnkX

  APE-9所采用的最为激进的革命在于使用电磁功率传输取代了传统的高低压机械轴功率传输。在这一全新的“电磁涡轮”概念中,风扇、压气机、涡轮等叶片旋转件之间没有硬件连接,每级风扇、压气机均由独立的与各级叶片绑定的环形超导电动机驱动,每级涡轮则分别驱动独立的环形超导发电机。藉由这一技术进行机械解耦后的发动机各级叶片在整个飞行过程中,能迅速响应不断变化的大气环境和飞行器性能的要求,分别调整至最佳转速。由于各旋转件能以最佳的转速运行,各部件能达到较高的效率,进而也能提高压缩比,进而减少压缩系统级数。kXnkX

  环形超导电动机是电磁涡轮概念中的核心技术之一。电动机由两个同心同面的内外圈构成。内圈是转子,主要包括风扇/压气机叶片、安装环、超导感应线圈,以及叶片和线圈的被动冷却通道,转子的支承和定位使用了磁悬浮系统。外圈是定子,包括大功率超导电磁体、液氢热交换器(冷却系统),以及用于悬浮和定位的海尔贝克(Halbach)阵列,能产生传统环形电机4至5倍的扭矩。由于取消了高低压机械轴,APE-9发动机在原有传动轴位置增设了中心涵道。通过前端可动中心锥的前后移动来控制进气流量及分配,在调节涵道比、改变循环参数以适应不同飞行条件的同时,也可以用于冷却燃烧室、涡轮等热端部件,并将涡轮产生的电力向前传输到风扇和压气机供电磁传动系统使用。kXnkX

  由于各级电动压缩系统在机械结构和电源上都相互独立,可以根据飞行条件,适时调节各级的运行。因此,APE-9可在达成0-4Ma宽速域工作区间的同时,实现“全工作区间内无推力鸿沟,多模式无缝切换”的最终目标。kXnkX

  除去在传统涡轮喷气式发动机框架内的改进外,需要考虑太空作战环境需求的APE-9还开拓性地将太空环境下使用的VASIMR(Variable-Specific-Impulse Magnetoplasma Rocket, 可变比冲磁致离子浆火箭)与传统的自适应变循环发动机结合在一起。在开循环模式下,APE-9A通过将等离子体电弧喷射用在燃烧控制上来达到喷气推进的目的,不过这一循环模式下的等离子喷射率低,主要通过少量高热等离子体在燃烧室中加热来流来实现喷气推进。预先被微波加热的高温等离子态空气将会随来流一起发动机燃烧室中,并通过格栅式热交换器加热来流,随后经过冷却的等离子流再与来流混合,并从喷口喷射出去。而等离子燃烧室本身则同时接收来自涡轮超导发电机的电能和等离子态氢燃料,氢燃料从机体自带的工质储罐进入发动机喷注器,在喷注室内通电电离,被电离的电等离子态气流随后则受燃烧室电磁线圈的约束控制以改变火焰结构尺寸等,进而主动控制和稳定燃烧过程,并使带电离子化燃料充分燃烧。通过燃烧室的高温高压等离子态气体则带动涡轮做功,同时产生电力和推力,随后则由磁流体推进(MHD)环加速喷出,进一步提高推力。而集成超导发电机的三级涡轮产生的电力除用于前方压缩机压缩空气外,还用于磁流体加速排气增强推力,以及为等离子燃烧室提供稳定的点火电源,使发动机在大气环境内任意飞行条件下均能起动并稳定工作,甚至用来对飞机流场进行主动控制、激波管理等。由于APE-9采用无轴电动设计,加上各旋转机构均由主动永磁空气轴承固定在适当的位置,因而得以省去机械支撑轴、滑油系统或齿轮等相关零部件系统。加上旋转机械的所有负载都由发动机的外骨架承载,因此涡轮发动机可以在很高的速度下运行。kXnkX

  APE-9还采用抗畸变风扇系统,保持了高级压比、高效率、大喘振裕度和轻质量。发动机外壁喷涂石墨烯涂层以降低热信号。通过在外涵道和冲压燃烧室内增加中冷器与热交换器,加上中心涵道和可变中心锥结合对发动机内部散热的共同作用,双管齐下使得APE-9能以同时利用气流和燃料进行流场稳定、来流冷却和发动机散热,进而提高发动机的燃油效率、热效率和热力学工况。使发动机的推力得到了极大提高。kXnkX

  而APE-9的软件部分则自然包括标配的多余度FADEC(Full Authority Digital Engine Control,全权限数字发动机控制)和集成热管理系统及发动机监测系统。发动机控制系统等附件布置在核心机机匣周围,考虑到外涵道的气路流畅需要加上整流罩,附件便设置于整流罩内部。由于采用内装起动/发动机省去了尺寸较大的附件机匣,附件因而可被分散布置于整流罩中相对狭小的空间内,当然也不可避免地导致了后勤维护的困难。kXnkX

  APE-9除了具备完善的状态监视和故障诊断能力外,还具备一定的状况预测能力。APE-9的发动机健康预测及管理系统(Prognostics and He alth Management,PHM)是发动机FADEC的一个子系统,其职责是接受各类传感器发来的包括发动机吸入屑末、电磁传动状况、发动机应力、轴承健康状态等信息,以及先进寿命算法(Advanced Lifetime Algorithm)和部件状况监测系统传来的信息,并进行融合和推理处理。APE-9的PHM系统集成了吸入碎片监控(IDMS)、发动机微粒监控(EDMS)、涡流叶片监控(ECBS)、电磁传动监控(EDM)等功能,可以在飞行中自动探测发动机的故障,自动调整发动机工作状态并通知飞行员。最新的Versio 6.0还额外具备通过机载的多功能先进数据链(MADL)将数据实时传递到基地的功能,从而使基地在飞机着陆前就能准备好需要更换的零部件。kXnkX

  此外,考虑到紧急出动的可能性,“夜莺”安装的每台APE-9均被加装了两个“莱顿闪电”快速起动器。当准备紧急出动时,依靠APE-9自身携带的起动器启动发动机需要相当长的时间,而这两个快速起动器能够在几秒内将发动机功率提升至60%,从而完成紧急起动。kXnkX

  在闭循环模式下,APE-9作为VASIMR推进器,工作方式与开循环模式稍有区别。这一模式下的高热等离子体由于无法从空气中提取,因此只能使用机体自带的工质燃料,预先离子化的燃料在“中部磁性单元”也就是燃烧室中,通过射频和磁场的共同作用进行离子回旋共振加热,达到所需要的温度和密度,这时,所有的能量几乎都分布在径向方向上。磁喷管将等离子体的能量转变为射流速度和保证等离子体从磁场中有效脱离,输出经过调整的推力,将径向的能量转换到轴向方向上。APE-9拥有三个磁性单元,其中前单元控制等离子体推进剂的喷射和(如果来流未被等离子化则)等离子化,中部磁性单元作为加热器,配合射频发生器进一步将等离子体加热至数百万摄氏度,以达到磁喷管所需的输入状态,后部磁性单元则作为磁喷管将流体的热能转变为具有方向的射流,同时又约束着射流的膨胀,保护喷嘴壁的同时将等离子体从磁场中有效的释放出来。从飞船后方向后高速释放的高热等离子体将会给予机体以相同的反推力,进而推动机体向前飞行。kXnkX

  APE-9作为VASIMR推进器,其最大的特点就是可在高推力、低比冲的化学推进器和低推力、高比冲的离子推进器之间调整其工作状态。在恒定功率下,APE-9可以通过调节离子化和加速两个阶段所占的射频能量的比例来调节推力和比冲,进而适应不同情景下的推进需求。若减少离子化阶段的射频能量而增加加速阶段的射频能量,则等离子体的出口速度会提高,从而提高比冲,但是等离子体密度会随之减小,从而减小了推力密度,也就是减小了推力。反之,如果加大离子化阶段的射频能量而减小加速阶段的射频能量,则比冲减小,推力增大。但总的射频能量不变。kXnkX

  虽然APE-9的基本原理跟前星际时代的VASIMR基本没有什么不同,但这并不代表两者在结构和设计上完全相同。APE-9通常并不自己加热等离子体,而是直接从堡垒型机器人使用的磁流体-温差综合电力系统中提取高热等离子体。其前部磁单元的“等离子化气体”功能实际上仅在极少数没有等离子体的状态下使用。加之APE-9通常也不只使用氢作为燃料,而是一视同仁地采用多燃料设计,各类温度涵盖数千度到数亿乃至数十亿摄氏度不等的等离子体均可以作为其燃料,这大大放宽了堡垒型机体对推进工质的需求。kXnkX

本章结束