俄羅斯渦軸發(fā)動機(jī)的創(chuàng)新發(fā)展

■ 劉翠玉 / 中國航發(fā)研究院

新冠肺炎疫情期間，俄羅斯聯(lián)合發(fā)動機(jī)公司（UEC）穩(wěn)步推進(jìn)新型號研發(fā)和已有型號的生產(chǎn)，并對現(xiàn)有發(fā)動機(jī)進(jìn)行升級改造，計劃將渦軸發(fā)動機(jī)銷售額在公司總銷量的占比從2019—2020年的10%～12%，提高到2035年的18%～20%，主要的增長點是向市場推出VK-650V和VK-1600V，并使俄羅斯渦軸發(fā)動機(jī)的整個型號系列適應(yīng)其傳統(tǒng)銷售市場。

蘇聯(lián)解體前，TV2-117和TV3-117渦軸發(fā)動機(jī)及其改型共生產(chǎn)約5萬臺，創(chuàng)造了該級別發(fā)動機(jī)銷量的絕對紀(jì)錄。蘇聯(lián)解體后，俄羅斯和烏克蘭主要為卡-50和米-28戰(zhàn)斗直升機(jī)研制TV3-117VM和TV3-117VMA發(fā)動機(jī)，由克里莫夫公司負(fù)責(zé)設(shè)計，由烏克蘭扎波羅熱馬達(dá)西奇公司負(fù)責(zé)生產(chǎn)。2014年，俄烏關(guān)系緊張，國際政治形勢復(fù)雜，新機(jī)研制進(jìn)展停滯，促使俄羅斯致力于實現(xiàn)進(jìn)口替代。近年來，俄羅斯的渦軸發(fā)動機(jī)項目主要包括VK-2500P、VK-2500PS-03、VK-2500PS-02、TV7-117V、VK-650V、VK-1600V和VK-2500等，這些發(fā)動機(jī)可以滿足輕型和中型直升機(jī)動力的國產(chǎn)化需求。

代表機(jī)型及其主要特點

VK-650V輕型直升機(jī)發(fā)動機(jī)

俄羅斯聯(lián)合發(fā)動機(jī)公司（UEC）在輕型直升機(jī)動力裝置中最重要的創(chuàng)新是VK-650V發(fā)動機(jī)，該機(jī)型于2019年開始研制，2020年9月首次亮相，主要配裝安薩特（Ansat）、卡-226T、VRT-500等輕型直升機(jī)，用于替換這些機(jī)型配備的國外發(fā)動機(jī)。VK-650V發(fā)動機(jī)的起飛功率為478kW，采用模塊化設(shè)計、全權(quán)限數(shù)字式電子控制（FADEC）系統(tǒng)。與國外同類相比，雖然功率、耗油率基本相當(dāng)，但成本更低，質(zhì)量更輕，而且保持了俄制發(fā)動機(jī)在極端氣象條件下的安全性和可靠性。UEC還計劃利用VK-650V核心機(jī)為無人機(jī)和輕型飛機(jī)研制367～514kW的發(fā)動機(jī)。

VK-650V發(fā)動機(jī)

VK-650V發(fā)動機(jī)的研制依靠廣泛的行業(yè)合作，除克里莫夫公司外，全俄航空材料研究院（VIAM）、車爾尼雪夫機(jī)械制造企業(yè)和“禮炮”科研生產(chǎn)聯(lián)合體也參與其中。首臺演示驗證機(jī)中12%（質(zhì)量）的部件采用了增材制造技術(shù)，渦輪導(dǎo)向器、渦輪機(jī)匣零件、燃燒室旋流器均由VIAM研制的鎳基和鈦基粉末合金制成。2020年12月，烏法發(fā)動機(jī)生產(chǎn)聯(lián)合體為VK-650V發(fā)動機(jī)制造了自由渦輪轉(zhuǎn)子、燃燒室和渦輪支承等組件。2021年年初，VK-650V發(fā)動機(jī)首次點火成功，目前演示驗證機(jī)的第二階段測試已經(jīng)開始，計劃2023年取得型號合格證，2024年開始批量生產(chǎn)。

VK-650V發(fā)動機(jī)的主要創(chuàng)新點包括：新的FADEC系統(tǒng)；20%的零件使用增材制造技術(shù)以減輕質(zhì)量；采用移動式服務(wù)，主體是一個長度約12m的集裝箱，可容納各類生產(chǎn)設(shè)施且便于運(yùn)輸。

VK-2500PS發(fā)動機(jī)

VK-650V發(fā)動機(jī)預(yù)計年產(chǎn)160臺，占俄羅斯國內(nèi)市場需求的30%。目前，俄羅斯直升機(jī)控股公司表示有意簽署首批供應(yīng)合同，發(fā)動機(jī)將用于改型直升機(jī)的飛行測試，以實現(xiàn)換發(fā)目標(biāo)。

VK-2500中型直升機(jī)發(fā)動機(jī)

由于俄烏關(guān)系日趨緊張，俄羅斯未雨綢繆，早在1999—2001年就開始了米-28直升機(jī)的TV3-117VMA發(fā)動機(jī)的國產(chǎn)化工作，替代 型 號 為VK-2500，已 于2012年完成測試，2015年批量生產(chǎn)。VK-2500的批產(chǎn)，標(biāo)志著俄羅斯國產(chǎn)渦軸發(fā)動機(jī)實現(xiàn)全自主生產(chǎn)。該型發(fā)動機(jī)在俄羅斯及國際上非常受歡迎，5年內(nèi)生產(chǎn)了600多臺，還可配裝米-24/35、卡-52、卡-27/29/31和卡-32。與TV3-117VMA發(fā)動機(jī)相比，VK-2500發(fā)動機(jī)更先進(jìn)，燃油效率高，功率提高了15%～20%，采用了新型控制系統(tǒng)BARK-78，以及SHK-78-1工作時間計數(shù)器，最高實用升限增加了30%，爬升率增加了50%。與美國T700發(fā)動機(jī)相比，該發(fā)動機(jī)可靠性高且運(yùn)行成本低。

VK-2500發(fā)動機(jī)重要創(chuàng)新是自動控制系統(tǒng)的研制。TV7-117和VK-2500的所有改型都將采用克里莫夫公司開發(fā)的BARK-65/6V自動控制系統(tǒng)。目前已開始對BARK-6V進(jìn)行模塊化升級，且只采用俄羅斯生產(chǎn)的組件，這也將成為一個突破點。

改進(jìn)型VK-2500PS-03發(fā)動機(jī)于2016年完成認(rèn)證，2017年投入批產(chǎn)，配裝米-171A2民用直升機(jī)；該發(fā)動機(jī)的軍用型VK-2500P，配裝升級后的米-28NM，已于2020年完成國家測試，可不需改進(jìn)直接用于所有“米” “卡”系列軍用直升機(jī)?？死锬蚬緦⒂?022年年底完成VK-2500PS-02發(fā)動機(jī)的設(shè)計，用于改進(jìn)后的卡-32，新發(fā)動機(jī)將提高直升機(jī)在外掛載荷情況下執(zhí)行木材集運(yùn)、滅火或其他任務(wù)的能力。

TV7-117V發(fā)動機(jī)

TV7-117V中型直升機(jī)發(fā)動機(jī)

TV7-117V發(fā)動機(jī)在2015年獲得型號合格證，2017—2021年共交付17臺，配裝米-38。同時計劃安裝在“卡”系列直升機(jī)上，2030年前還獲得了另外255臺發(fā)動機(jī)訂單。TV7-117V已在全球得以應(yīng)用。目前，UEC正在與國外合作商就TV7-117V適配國外機(jī)型進(jìn)行談判。

VK-1600V中型直升機(jī)發(fā)動機(jī)

VK-1600V發(fā)動機(jī)起飛功率為1029kW，專為卡-62多用途和特種直升機(jī)設(shè)計，并計劃在其基礎(chǔ)上為輕型客機(jī)和支線運(yùn)輸機(jī)研制VK-1600S渦 槳 發(fā) 動 機(jī)。VK-1600V發(fā)動機(jī)已通過設(shè)計審查，首臺驗證機(jī)已完成組裝并在2021年莫斯科航展上展出，將于年內(nèi)進(jìn)行試驗，預(yù)計2023年取證，2024年批產(chǎn)。

VK-1600V發(fā)動機(jī)

渦軸發(fā)動機(jī)研制特點

VK-1600V發(fā)動機(jī)的驗證機(jī)中，約70%鑄件采用增材制造技術(shù)，包括渦輪導(dǎo)向器、第一支承殼體、渦輪支承殼體及其他組件。VK-1600V發(fā)動機(jī)的設(shè)計首次全部實現(xiàn)電子化。研發(fā)過程中使用產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）系統(tǒng)，采用了克里莫夫公司研發(fā)的BARK-15V控制系統(tǒng)。

重型直升機(jī)和無人機(jī)發(fā)動機(jī)

UEC還致力于為米-26重型直升機(jī)研制國產(chǎn)動力，目前，該直升機(jī)配備了兩臺烏克蘭D-136發(fā)動機(jī)，替代型號為PD-12V，該機(jī)型基于俄羅斯新型PD-14發(fā)動機(jī)核心機(jī)研制，采用了新技術(shù)和先進(jìn)材料。發(fā)動機(jī)采用雙軸設(shè)計，包含8級壓氣機(jī)、2級渦輪和3級自由渦輪。發(fā)動機(jī)質(zhì)量為1150kg，盡管比D-136發(fā)動機(jī)多出近100kg，但其推力可以提升至10290kW，對周圍環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)，在高海拔和炎熱氣象條件下也能保持性能。PD-12V發(fā)動機(jī)計劃采用FADEC系統(tǒng)，飛發(fā)一體化得以改善，耗油率可下降9%。此外，新的中俄AHL重型直升機(jī)也可以配備PD-12V發(fā)動機(jī)。

近年來，隨著無人機(jī)的快速發(fā)展，其發(fā)動機(jī)的研制也獲得了極大關(guān)注。UEC的混合電推進(jìn)驗證機(jī)的研制，具有推廣應(yīng)用至輕型無人機(jī)的潛力，其中包括無人直升機(jī)。關(guān)于混合電推進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，UEC正與俄羅斯直升機(jī)集團(tuán)、烏拉爾民用航空廠、喀瑯施塔得集團(tuán)等進(jìn)行談判。在渦軸發(fā)動機(jī)研制過程中，UEC注重基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和行業(yè)合作，注重提升設(shè)計、制造工藝水平，以及新材料和新技術(shù)的應(yīng)用，不斷取得新突破。

加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè) ，全面保障生產(chǎn)

為了保障各項目的實施，實現(xiàn)俄羅斯渦軸發(fā)動機(jī)的全生命周期自主研制，在國家大力支持下，克里莫夫公司投資建設(shè)50000m2的設(shè)計和生產(chǎn)基地，并于2015年全面完成生產(chǎn)、行政和設(shè)計局的搬遷。歷時2年完成了試車臺改造，新建試車臺16個，并徹底更換了工程網(wǎng)絡(luò)。目前，公司共有27個試車臺，試驗?zāi)芰Υ蟠筇嵘稍?021年將TV3-117和VK-2500系列發(fā)動機(jī)的產(chǎn)量增加30%。

UEC還嘗試通過建立專業(yè)化中心來改造現(xiàn)有的生產(chǎn)模式。2020年，在烏法發(fā)動機(jī)科研生產(chǎn)聯(lián)合體組建了一個渦軸發(fā)動機(jī)部件生產(chǎn)中心，旨在為批產(chǎn)型發(fā)動機(jī)生產(chǎn)配套件。中心包括4個生產(chǎn)基地，配備數(shù)百臺現(xiàn)代化數(shù)字設(shè)備。

克里莫夫公司新生產(chǎn)基地

俄羅斯國家技術(shù)集團(tuán)于2018年成立增材制造中心，為俄羅斯多個大型項目生產(chǎn)零部件，如PD-14、PD-35、VK-650V、VK-1600V 發(fā)動機(jī)等。該中心于2021年10月7日成為首家獲得3D打印批產(chǎn)航空產(chǎn)品許可證的俄羅斯企業(yè)，可批產(chǎn)民用飛機(jī)、直升機(jī)的發(fā)動機(jī)部件。

注重科技創(chuàng)新研究，創(chuàng)建新研項目

渦軸發(fā)動機(jī)自主研制方面的一個重要創(chuàng)新點是自動控制系統(tǒng)，確保在緊急狀態(tài)下增加發(fā)動機(jī)輸出功率，提高可靠性和降低燃油消耗。20世紀(jì)90年代末，克里莫夫公司創(chuàng)立了發(fā)動機(jī)數(shù)字化自動監(jiān)測與控制系統(tǒng)研發(fā)部門，目前可為所有先進(jìn)發(fā)動機(jī)提供BARK系列控制系統(tǒng)的研發(fā)、制造和維護(hù)服務(wù)。自動控制系統(tǒng)方面，未來將應(yīng)用人工智能，有助于預(yù)測和防止異常情況的發(fā)生。

除傳統(tǒng)的動力裝置外，UEC還著眼于先進(jìn)創(chuàng)新項目。2020年8月，克里莫夫公司啟動了混合電推進(jìn)系統(tǒng)演示創(chuàng)新項目，包括研制混合電推進(jìn)系統(tǒng)各部件以及集成，將有助于在試驗設(shè)計工作框架中研制一系列市場所需的動力裝置，用于多用途直升機(jī)、無人機(jī)和支線飛機(jī)。UEC也推出了新一代渦軸發(fā)動機(jī)概念，采用空氣軸承，減少液壓機(jī)構(gòu)，極大優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，大幅減少零部件數(shù)量。

應(yīng)用新材料與工藝 ，提升制造能力

基于PD-14渦扇發(fā)動機(jī)研制經(jīng)驗，UEC開發(fā)的一系列新型復(fù)合材料和制造工藝，能夠廣泛應(yīng)用于其他產(chǎn)品。目前增材制造技術(shù)已廣泛應(yīng)用于渦軸發(fā)動機(jī)生產(chǎn)，尤其是VK-650V的驗證機(jī)和原型機(jī)。

積極轉(zhuǎn)變生產(chǎn)模式，尋求內(nèi)外合作

早在2005年，克里莫夫公司就摒棄了傳統(tǒng)的企業(yè)全包全攬式生產(chǎn)模式，轉(zhuǎn)而采取了多方合作和外包協(xié)作，提高了生產(chǎn)效率和全球競爭力。目前，克里莫夫公司主要側(cè)重于國內(nèi)合作，得益于數(shù)字化轉(zhuǎn)型，與合作伙伴的互動更有成效。聯(lián)合型公司是非常有利于合作的一種模式，俄羅斯國家技術(shù)集團(tuán)在全國60個地區(qū)共有800多個科研和生產(chǎn)組織，許多相關(guān)企業(yè)都建有共用的生產(chǎn)加工和試驗數(shù)據(jù)庫中心，非常有助于開展合作。

俄羅斯國家技術(shù)集團(tuán)增材制造中心

結(jié)束語

俄羅斯渦軸發(fā)動機(jī)的發(fā)展得益于諸多內(nèi)外驅(qū)動因素。首先，多年的科技儲備和研制經(jīng)驗是促進(jìn)發(fā)展的內(nèi)部基礎(chǔ)，各型新產(chǎn)品幾乎都是原有產(chǎn)品的改型，可實現(xiàn)材料、技術(shù)和工藝等的通用。其次，進(jìn)口替代是重要的政策導(dǎo)向，盡管是不得已而為之，但事關(guān)國防安全和國民經(jīng)濟(jì)，從長遠(yuǎn)看是非常有利的。第三，國家的財政支持是各項目的重要保障，國家和集團(tuán)公司對產(chǎn)品研發(fā)投入了巨大資源，建設(shè)新生產(chǎn)基地和專業(yè)化中心、更新設(shè)備，有效地提高了研發(fā)和生產(chǎn)能力。第四，西方制裁和迫切的市場需求是促進(jìn)發(fā)展的外部刺激因素。目前，俄羅斯直升機(jī)面臨急迫的換發(fā)任務(wù)，多型渦軸發(fā)動機(jī)被寄予厚望。俄羅斯航空發(fā)動機(jī)工業(yè)正在逐步提升競爭力，各在研項目也成為凝聚行業(yè)力量實現(xiàn)進(jìn)一步突破的重要推手。愈發(fā)嚴(yán)峻的國際形勢表明，只有具備航空發(fā)動機(jī)全生命周期的獨立自主研發(fā)能力，才能擺脫國外的掣肘。