重型直升機(jī)及其動(dòng)力的發(fā)展分析

■ 李炎 王旭 / 中國航發(fā)動(dòng)研所 李明 / 中國航發(fā)研究院

由于具備垂直起降、空中懸停、載重極大等特點(diǎn)，重型直升機(jī)成為關(guān)系國防安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的戰(zhàn)略性裝備，是體現(xiàn)國家綜合實(shí)力的標(biāo)志之一。

重型直升機(jī)一般是指起飛質(zhì)量大于20t，內(nèi)載和外吊掛能力大于8t，運(yùn)輸能力超過50人的直升機(jī)。作為國之重器，重型直升機(jī)在軍、民領(lǐng)域發(fā)揮了無可替代的作用：軍事方面，可遂行武器裝備的突擊運(yùn)輸，兵力物資的垂直補(bǔ)給以及醫(yī)療后送等多種重載、快速、遠(yuǎn)程投送任務(wù)；民用方面，在自然災(zāi)害應(yīng)急救援、大型/超長(zhǎng)設(shè)備定點(diǎn)運(yùn)輸、海洋/海島開發(fā)等機(jī)動(dòng)任務(wù)中不可或缺，如圖1所示。

重型直升機(jī)現(xiàn)狀

受需求、技術(shù)等因素的綜合影響，當(dāng)前擁有重型直升機(jī)完全自主研制能力的國家只有美國和俄羅斯。相比大型和中小型直升機(jī)，重型直升機(jī)的批產(chǎn)型號(hào)較少，主要有蘇聯(lián)/俄羅斯的米-6、米-10和米-26，美 國 的CH-53A/D（“ 海 種 馬 ”）、CH-54（“空中大吊車”）、CH-53E（“超種馬”）、CH-47（支奴干）和V-22（“魚鷹”）等，見表1。

圖1 米-26吊運(yùn)圖-134客機(jī)機(jī)體

表1 世界重型直升機(jī)和傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)主要參數(shù)

圖2 世界軍用重型直升機(jī)種類對(duì)比

圖3 世界軍用重型直升機(jī)分布

其中，現(xiàn)役的重型直升機(jī)主要包括米-26、CH-47、CH-53系列和傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)V-22，雖然是典型的軍、民兩用產(chǎn)品，但軍用的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過民用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2019年，全球現(xiàn)役軍用重型直升機(jī)1487架，以美國的CH-47為主（接近總量的3/5），CH-53系列其次（接近總量的1/5），如圖2所示。31個(gè)國家（地區(qū)）裝備了軍用重型直升機(jī)，其中，美國有945架，占總數(shù)的64%，日本、德國均為80架，英國、俄羅斯、伊朗分別為54、43、40架，如圖3所示。

除現(xiàn)役的之外，在研或即將批產(chǎn)服役的型號(hào)主要有兩個(gè)——美國的CH-53K和俄羅斯的米-26T2。

CH-53K是美國海軍陸戰(zhàn)隊(duì)根據(jù)提高運(yùn)輸能力的要求，以CH-53E為基礎(chǔ)改進(jìn)改型的新型重型直升機(jī)，如圖4所示。該機(jī)型于21世紀(jì)初開始研制，2015年首飛，2018年首架交付，現(xiàn)已接近擁有初始作戰(zhàn)能力。該機(jī)型最大起飛質(zhì)量高達(dá)39.9t，單點(diǎn)掛鉤額定載荷16.3t，雙點(diǎn)掛鉤最多承載11.4t，能在204km的任務(wù)半徑內(nèi)，承擔(dān)約12t外部載荷，該能力是CH-53E的3倍。美國海軍陸戰(zhàn)隊(duì)計(jì)劃采購200架CH-53K，接近290億美元，從2020年開始批量交付，將主要部署在8個(gè)現(xiàn)役隊(duì)、2個(gè)預(yù)備隊(duì)、2個(gè)發(fā)展/實(shí)操測(cè)試中隊(duì)，以及1個(gè)艦隊(duì)的替換。

米-26T2是米-26的改進(jìn)升級(jí)型，2010年開始研制，2018年首飛，2019年完成初步飛行試驗(yàn)，并進(jìn)入國家測(cè)試，如圖5所示。該機(jī)型升級(jí)了航電系統(tǒng)，對(duì)旋翼和傳動(dòng)系統(tǒng)也進(jìn)行了改進(jìn)，使其成為一型全天候直升機(jī)，能夠在復(fù)雜的物理、地理和惡劣氣候條件的地區(qū)執(zhí)行任務(wù)，并能適應(yīng)火力或信息對(duì)抗環(huán)境。米-26T2的最大起飛質(zhì)量為56t，有效載荷為20t，可搭載80名全副武裝的傘兵。俄羅斯空軍計(jì)劃采購26架米-26T2，將在2025年前后進(jìn)入服役。

圖4 CH-53K起吊聯(lián)合輕型戰(zhàn)術(shù)車

圖5 米-26T2V完成初步飛行試驗(yàn)

重型直升機(jī)動(dòng)力現(xiàn)狀

當(dāng)前在役的直升機(jī)動(dòng)力裝置主要有4類型號(hào)，包括CH-47的T55系列、CH-53D/E的T64系列、V-22的T406和米-26的D-136發(fā)動(dòng)機(jī)。即將服役的CH-53K采用了全新的T408發(fā)動(dòng)機(jī)，米-26T2采用了D-136的發(fā)展型D-136-2發(fā)動(dòng)機(jī)。這些重型直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)主要由美國和蘇聯(lián)/烏克蘭的幾家公司研制，單臺(tái)起飛功率大約在3000～8000kW，除CH-53E/K外，一般是雙發(fā)配裝，總功率大小直接與飛機(jī)載荷相關(guān)，見表2。

圖6 D-136-2渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)

T-55系列發(fā)動(dòng)機(jī)

T-55是美國萊康明公司（現(xiàn)霍尼韋爾公司）在20世紀(jì)五六十年代研制的自由渦輪式單轉(zhuǎn)子渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，原型機(jī)于1958年首次運(yùn)轉(zhuǎn)，生產(chǎn)型于1961年開始交付。隨著CH-47的質(zhì)量和載荷要求的不斷提升，T55不斷改進(jìn)發(fā)展，目前的功率范圍約為1700～3600kW，詳見表3。

表2 世界在役/即將服役重型直升機(jī)用動(dòng)力裝置

表3 T55系列渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)特點(diǎn)

在2019年，霍尼韋爾公司表示已開發(fā)出T55的改進(jìn)型，在海平面時(shí)功率增加20%，在高海拔和炎熱地區(qū)功率增加近10%，耗油率降低9%，可靠性與維修性大幅提升，綜合使用和維修成本降低25%，大修時(shí)間間隔增至3000h。2019年，新的改進(jìn)型仍在開展優(yōu)化和風(fēng)險(xiǎn)減低試驗(yàn)。

D-136發(fā)動(dòng)機(jī)

D-136是蘇聯(lián)伊夫琴科設(shè)計(jì)局（現(xiàn)烏克蘭進(jìn)步設(shè)計(jì)局）于20世紀(jì)70年代研制的自由渦輪式雙轉(zhuǎn)子渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，1982年開始批生產(chǎn)，最大應(yīng)急功率高達(dá)8460kW，是迄今功率最大的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)。

D-136-2主要針對(duì)高溫環(huán)境和山區(qū)地形，基于D-136渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)和D-436渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展而來，在2012年形成初始能力，采用全權(quán)限數(shù)字式電子控制（FADEC）系統(tǒng)，尺寸、安裝節(jié)等與D-136一致，如圖6所示。

T64系列發(fā)動(dòng)機(jī)

T64是美國GE公司在20世紀(jì)50年代后期設(shè)計(jì)的自由渦輪單轉(zhuǎn)子渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)于1961年首飛，1963年投入使用，此后隨著要求的變化而不斷改進(jìn)和升級(jí)，功率范圍大概為2200～3500kW，詳見表4。

表4 T64系列渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)特點(diǎn)

圖7 T406發(fā)動(dòng)機(jī)

T406發(fā)動(dòng)機(jī)

T406是艾利遜公司（現(xiàn)羅羅北美公司）在20世紀(jì)80年代為滿足V-22動(dòng)力需求，在T56渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上衍生發(fā)展的自由渦輪式單轉(zhuǎn)子渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，如圖7所示。該發(fā)動(dòng)機(jī)于1989年首飛，2000年獲美國海軍陸戰(zhàn)隊(duì)陸上飛行合格證。

T408發(fā)動(dòng)機(jī)

T408是GE公司針對(duì)CH-53K需求在2006年開始研發(fā)的自由渦輪式單轉(zhuǎn)子渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，2011年首臺(tái)交付海軍陸戰(zhàn)隊(duì)，2014年被海軍授予生產(chǎn)合同。

2019年，在霍尼韋爾公司T55改進(jìn)型發(fā)動(dòng)機(jī)一再推遲交付的情況下，美國陸軍一度考慮替換CH-47F的發(fā)動(dòng)機(jī)制造商。波音公司、美國陸軍和GE公司在CH-47F上測(cè)試了T408，如圖8所示，以在飛機(jī)的第二批次原型升級(jí)計(jì)劃中增加升級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的計(jì)劃。

T408以GE27先進(jìn)技術(shù)驗(yàn)證機(jī)、T407渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)發(fā)展而來，融合了新的三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)、冷卻方案和先進(jìn)材料；同時(shí)采用了整體葉盤壓氣機(jī)、無螺栓轉(zhuǎn)子、高功率渦輪等，減少了發(fā)動(dòng)機(jī)零件數(shù)，如圖9所示。由于是針對(duì)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)特定作戰(zhàn)環(huán)境設(shè)計(jì)，T408還具有出色抗風(fēng)沙侵蝕和海水腐蝕能力。

未來重型直升機(jī)動(dòng)力發(fā)展

隨著對(duì)軍用直升機(jī)需求的不斷變化、要求的不斷提高，渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)歷了持久的改進(jìn)改型發(fā)展，綜合性能提升潛力也逐步降低，因此美國安排了不同功率量級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)研或研制計(jì)劃。針對(duì)重型直升機(jī)，美國主要開展了未來經(jīng)濟(jì)可承受渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)（FATE）計(jì)劃，屬于科學(xué)與技術(shù)類（S&T），旨在開展大功率渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)技術(shù)的開發(fā)與驗(yàn)證，預(yù)計(jì)在2020年啟動(dòng)型號(hào)驗(yàn)證項(xiàng)目。

FATE計(jì)劃的背景

圖8 CH-47F直升機(jī)換裝兩臺(tái)T408發(fā)動(dòng)機(jī)（短艙由圓轉(zhuǎn)方）

圖9 T408相比T64發(fā)動(dòng)機(jī)性能提升

圖10 FATE發(fā)動(dòng)機(jī)概念圖

由于作戰(zhàn)環(huán)境的不斷變化，在高溫、高原環(huán)境下，CH-47運(yùn)載能力明顯不足，嚴(yán)重影響了作戰(zhàn)效能，為提高CH-47性能以及為未來垂直起降（FVL）旋翼機(jī)動(dòng)力提供技術(shù)儲(chǔ)備，美國陸軍在2008年啟動(dòng)了FATE計(jì)劃。2011年，美國陸軍發(fā)布FATE計(jì)劃的征詢書，GE公司競(jìng)爭(zhēng)獲得價(jià)值超過4500萬美元的成本共擔(dān)合同，為期5年，主要驗(yàn)證用于3700～7400kW級(jí)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)，包括先進(jìn)氣動(dòng)設(shè)計(jì)、冷卻結(jié)構(gòu)、高性能材料等，如圖10所示。

FATE計(jì)劃的目標(biāo)

除增加功率、提高高溫/高原環(huán)境的載荷和性能外，美國陸軍還強(qiáng)調(diào)擴(kuò)大航程和續(xù)航能力，因此FATE計(jì)劃對(duì)耗油率、功率質(zhì)量比、壽命、研制成本、生產(chǎn)成本和維修成本等都提出了要求，且目標(biāo)設(shè)置均較為苛刻，如圖11所示。其中冷端部件壽命要求不低于15000循環(huán)；熱端部件壽命不低于7500循環(huán)；并且能兼容CH-47，以替換T55發(fā)動(dòng)機(jī)。

FATE計(jì)劃的發(fā)展進(jìn)度

圖11 FATE計(jì)劃目標(biāo)（2000年技術(shù)水平基準(zhǔn)）

2013年，GE公司通過FATE驗(yàn)證機(jī)的詳細(xì)設(shè)計(jì)評(píng)審。2014年，GE公司完成FATE發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口粒子分離器試驗(yàn)。2015年，完成壓氣機(jī)、燃燒室和渦輪關(guān)鍵部件臺(tái)架試驗(yàn)，包括在GE公司歷史上單軸最高壓比的壓氣機(jī)驗(yàn)證；通過廣泛使用陶瓷基復(fù)合材料（CMC）以減少冷卻空氣流量的燃燒室驗(yàn)證，CMC頭部和火焰筒具備了耐“前所未有”高溫的能力且質(zhì)量減輕；具有領(lǐng)先效率、先進(jìn)氣動(dòng)設(shè)計(jì)、優(yōu)化的冷卻特征的渦輪完成驗(yàn)證。2016年，首次開始全尺寸整機(jī)技術(shù)狀態(tài)臺(tái)架試驗(yàn)。2017年，完成所有主要既定目標(biāo)，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間超過40h，運(yùn)行了近1000個(gè)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)數(shù)據(jù)點(diǎn)。2020年，GE公司將完成所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析以及最后評(píng)估，并預(yù)計(jì)將啟動(dòng)型號(hào)研制。整個(gè)項(xiàng)目過程，大量使用了增材制造技術(shù)以加速建設(shè)過程和降低研發(fā)成本。

FATE計(jì)劃中的新技術(shù)

FATE驗(yàn)證機(jī)作為GE公司史上最先進(jìn)的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，融合了一系列先進(jìn)技術(shù)，包括先進(jìn)三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)和增材制造技術(shù)，采用了新的進(jìn)氣離子分離器、先進(jìn)控制技術(shù)、傳感器組件、飛行器高性能和保持所需的算法等。這些先進(jìn)技術(shù)還可在其他發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目中應(yīng)用共享，包括T408、T901等以及T700等發(fā)動(dòng)機(jī)升級(jí)。

結(jié)束語

縱觀重型直升機(jī)的發(fā)展，動(dòng)力系統(tǒng)是決定其能力的核心，飛機(jī)的每次升級(jí)換代幾乎都依賴動(dòng)力水平提升作保障。從世界研發(fā)能力看，大功率渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)難度大，仍是航空，乃至整個(gè)國防領(lǐng)域的尖端科技，目前僅有兩個(gè)國家能自主研制。在發(fā)展大功率渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的過程中，既需要改進(jìn)完善式的繼承性發(fā)展，也期待厚積薄發(fā)式的變革性發(fā)展，但具體途徑最終還是將由需求決定。