T901贏得美國陸軍主役直升機換發(fā)項目

■ 劉博維 / 中國航發(fā)研究院

2019年2月，美國國防部宣布GE公司的T901渦軸發(fā)動機贏得陸軍“改進渦輪發(fā)動機項目”（ITEP）競標，用于替換UH-60“黑鷹”武裝直升機和AH-64“阿帕奇”攻擊直升機所用的GE公司T700渦軸發(fā)動機。憑借此型發(fā)動機，GE公司或將幫助美國陸軍進入旋翼航空的新時代。

項目背景

訂單量可能會超過6200臺。

UH-60“黑鷹”武裝直升機和AH-64“阿帕奇”攻擊直升機是美國陸軍的主力裝備。隨著服役年限的增加，越來越多的新裝甲、彈藥和航空電子設備被添加到機體中，這些直升機的質量在不斷增加，雖然提供了更高的生存能力和性能，但卻犧牲了有效載荷和機動性。為了盡快提升這兩種直升機的作戰(zhàn)能力，美國陸軍航空應用技術理事會從2007年開始發(fā)起“先進經濟可承受渦輪發(fā)動機”（AATE）計劃（2007—2015年）和“改進渦輪發(fā)動機項目”（ITEP）（2012—2024年），以盡快實現直升機換發(fā)，并為“未來垂直起降飛行器”（FVL）動力系統(tǒng)提供技術儲備。ITEP的目標是提供與T700-701D尺寸相同的替代品，功率輸出要從T700的1471kW提高50%至2240kW，耗油率降低25%，功重比提高65%，設計壽命提高20%，生產和維修成本均降低35%，且在更高溫度、更高海拔下保持高水平性能。預計，ITEP的低速率初始生產發(fā)動機將在2022—2023年下線，2027年達到全速生產能力，最終的

HPW3000和GE3000的競爭

在AATE計劃中，并行開展了兩個演示驗證發(fā)動機項目，一個是GE公司的GE3000，另一個是霍尼韋爾與普惠合資的ATEC公司的HPW3000。GE公司和ATEC公司須在預先研究階段為未來的ITEP發(fā)動機進行技術驗證，由美國陸軍航空應用技術理事會對兩種驗證機的初步設計、詳細設計和關鍵技術進行評審。ITEP則延續(xù)了這種競爭模式——在美國陸軍采購策略的指引下，在兩種不同技術特征和結構布局的候選發(fā)動機T901（前身為GE3000驗證機）和T900（前身為HPW3000驗證機）之間展開競爭，通過全面評估，最終選擇一型發(fā)動機進入工程和制造發(fā)展（EMD）階段。這種競爭方式促使參標公司竭力實現發(fā)動機技術和成本的優(yōu)化，以滿足美國陸軍對新型發(fā)動機的苛刻要求，同時驅動其自身不斷提升管理和技術水平，保持持續(xù)的技術創(chuàng)新動力。

2019年2月，GE公司獲得美國陸軍授予的一份總金額為5.17億美元的EMD階段合同。在前期的計劃實施中，美軍分別撥款給GE公司1.02億美元和ATEC公司1.54億美元用于制造68臺發(fā)動機，通過這些發(fā)動機的對比測試，最終GE公司T901-GE-900發(fā)動機綜合表現更好；ATEC公司雖然沒有得到最后的合同，卻獲得資金進行了大量的先進技術研發(fā)和前沿工程經驗積累。

GE公司按照EMD階段合同規(guī)定，被要求在2024年8月1日前完成T901渦軸發(fā)動機的研制工作，并提供小批量樣機。在獲得合同的同時，美國陸軍已從2019財年的研究、發(fā)展、試驗與鑒定（RDT&E）經費中撥付了1.3億美元用于T901的研制工作。GE公司航空軍事業(yè)務總裁兼首席執(zhí)行官托尼·馬西斯表示：“我們已經投入資源和基礎設施為研制工作提供保障，將立即開展研制工作，為軍方提供達到要求的T901。”

ATEC公司則向美國政府問責署（GAO）提出申訴請求，認為其方案技術風險低，且成本低于美陸軍的預期。ATEC公司表示其雙軸設計與GE的單軸設計方案相比，功率提升10%，耗油率降低3%～4%。

T901發(fā)動機設計特點

T901發(fā)動機計劃執(zhí)行董事羅恩·哈特（Ron Hutter）表示，T901在滿足ITEP的性能要求的同時，保留了T700完整的模塊化設計和更高可靠性的單轉子結構， 除了先進的設計和硬件外，T901還具有最新的模塊化診斷和預測工具，能夠更加靈活地在最低全生命周期成本下提高美國陸軍的戰(zhàn)備水平。上述特點使得UH-60“黑鷹”和AH-64“阿帕奇”直升機能夠在海拔更高、更加炎熱的環(huán)境中使用。

單軸設計

相比T900發(fā)動機采用的雙軸設計，T901發(fā)動機的單軸設計結構更加簡單，成本較低、質量較輕、可靠性較高、維修性好，但缺點是燃燒效率較低，因此耗油率相對較高。

作為T901發(fā)動機設計的關鍵之一，單軸結構意味著壓氣機和燃氣發(fā)生器中的所有旋轉部件在一個軸上，并以相同的速度旋轉，具有靈活的模塊化結構，拆裝簡單。相比之下，雙軸結構是將壓氣機分成兩個獨立旋轉的高、低壓轉子，并分別由獨立的高、低壓渦輪驅動。由于多了一個軸，所以需要更多的零件，這些都增加了發(fā)動機的質量和復雜性，使得拆卸難度更大，維修成本更高；質量的增加會使直升機性能降低，有效載荷減少，同時將這種發(fā)動機整合到飛機中也會帶來更大的挑戰(zhàn)。

單元體設計

T901發(fā)動機的單軸設計可實現完全模塊化、部件更少、設計更簡單，從而使T901更可靠、更易于維修、維修成本更低。完全單元體設計通過對發(fā)動機單元體的逐步改進，以較低的成本提高了發(fā)動機性能。

表1 GE3000和HPW3000發(fā)動機技術研究進展

戰(zhàn)場上的突發(fā)事件時有發(fā)生，因此快速恢復戰(zhàn)斗能力至關重要。T901的單元體設計使維修人員能夠在現場拆解，清洗或修理發(fā)動機并重新組裝發(fā)動機，所有這些都只需質量較輕的備用單元體便可完成。這意味著T901可以減少對作戰(zhàn)供應鏈的依賴，以及減少敵人對后勤保障實施攻擊的機會。

增材制造

GE公司憑借在先進渦槳發(fā)動機（ATP）、LEAP和GE9X發(fā)動機上積累的增材制造技術經驗，在T901發(fā)動機上也采用了大量的增材制造零部件。這些增材制造零部件質量更輕、性能更高、構型更復雜且更加耐用。例如，將T901上裝配在一起的51個零件打印成一個部件，質量減輕了20%。

陶瓷基復合材料（CMC）組件

T901發(fā)動機中采用陶瓷基復合材料（CMC）部件，以提高性能并減輕質量。這些部件能夠降低熱端部件對冷卻空氣的需求，從而以不同于增材制造部件的方式提高效率。增材制造組件和陶瓷基復合材料等創(chuàng)新技術將有助于T901達到或超過陸軍的“苛刻的性能要求”。

先進冷卻技術

先進冷卻技術有利于實現更低的金屬溫度，降低排放，減少T901發(fā)動機維持相同發(fā)動機溫度時所需的冷卻空氣量，從而輸出更大功率并顯著提高燃油效率，以提高T901的性能。

耐沙技術

UH-60和AH-64直升機可能在各種惡劣的戰(zhàn)場條件下飛行，比如沙漠地區(qū)。T901發(fā)動機采用新型進口粒子分離器可減少沙石攝入量和總壓損失，減少渦輪機械部件的磨損，并顯著提高了發(fā)動機在翼使用時間。T901運用的其他耐沙技術還包括：改進防腐蝕技術、采用堅固耐用的壓氣機和流通能力較強的冷卻孔尺寸。

UH-60和AH-64采用T700和T901的性能對比（高度2743.2m、 溫度35℃）

換發(fā)前后性能對比

T901發(fā)動機相比傳統(tǒng)渦軸發(fā)動機具有以下幾點優(yōu)勢：更長的航程以提供更多直升機戰(zhàn)術的選擇；更大的有效載荷能夠迅速進行大規(guī)模戰(zhàn)斗；更長的留空時間；增強機動性以提高生存能力；改進低空性能，擴大飛行員戰(zhàn)術選擇空間和安全邊際。T901的大規(guī)模運用，會為美軍更遠期的發(fā)動機提供扎實的基礎。

T700和T901的外部尺寸對比

安裝T901發(fā)動機后，UH-60直升機載重量提高150%、航程增加161%；AH-64的留空時間增加133%、作戰(zhàn)半徑增加115%。最終，UH-60直升機可多搭載10名士兵和93枚105mm炮彈，而AH-64在作戰(zhàn)空域的滯留時間可增加79min。

結束語

過去40年，GE公司通過T700發(fā)動機為UH-60和AH-64提供動力，積累了超過1億小時的飛行經驗。通過不斷的升級和技術進步，T901發(fā)動機符合所有ITEP要求，零件更少，設計更簡單，技術更可靠。憑借此款發(fā)動機，GE公司或將幫助美國陸軍進入旋翼航空的新時代。