美國CH-53K重型直升機(jī)及T408渦軸發(fā)動機(jī)發(fā)展分析

■ 李明/ 中國航發(fā)研究院 肖蔓/ 中國航發(fā)動研所

美國CH-53E“超級種馬”重型直升機(jī)在服役40多年后，面臨機(jī)群老化、損耗嚴(yán)重等突出問題，美國急需新一代重型運(yùn)輸直升機(jī)以獲得快速機(jī)動能力。2005年，美國國防部批準(zhǔn)了CH-53K“種馬王”發(fā)展計劃，以GE公司的新一代大功率渦軸發(fā)動機(jī)T408為動力，在形成戰(zhàn)斗力之后分批取代CH-53E。

重型直升機(jī)具有運(yùn)載量大，運(yùn)輸效率高、快速機(jī)動、快速部署和垂直起降等優(yōu)點(diǎn)，在各兵種協(xié)同作戰(zhàn)中發(fā)揮著重要作用。20世紀(jì)60年代，西科斯基公司開始研制CH-53“種馬”系列重型直升機(jī)，先后發(fā)展出CH-53A/D、CH-53E和CH-53K（如圖1所示）等多個型號，主要裝備美國海軍和海軍陸戰(zhàn)隊，以航母、兩棲攻擊艦或其他戰(zhàn)艦為基地執(zhí)行兩棲運(yùn)輸任務(wù)，是美國海軍陸戰(zhàn)隊從軍艦到陸地的主要突擊力量之一。2021年1月，美國海軍航空系統(tǒng)司令部（NAVAIR）授予GE公司1億美元合同，采購21臺T408渦軸發(fā)動機(jī)，支持CH-53K“種馬王”重型直升機(jī)的第5批次低速率生產(chǎn)。2021年2月，NAVAIR再授予GE公司2110萬美元，采購4臺備用發(fā)動機(jī)及零備件。2021年7月，美國海軍陸戰(zhàn)隊開始對CH-53K進(jìn)行初始作戰(zhàn)試驗與評估（IOT&E），預(yù)計2022年結(jié)束。2021年9月，海軍陸戰(zhàn)隊的一架CH-53K在一次真實(shí)的任務(wù)中成功將一架受損的MH-60“海鷹”直升機(jī)從一處山脊上吊運(yùn)回基地，標(biāo)志著CH-53K項目向前邁出了重要一步。2021年11月，海軍陸戰(zhàn)隊第1作戰(zhàn)測試與評估中隊（VMX-1）首次使用CH-53K在大西洋上空開展了超視距重型運(yùn)載和部隊運(yùn)輸艦到岸行動，測試海軍陸戰(zhàn)隊未來作戰(zhàn)概念。

圖1 CH-53K直升機(jī)

CH-53K新一代重型多任務(wù)運(yùn)輸直升機(jī)

迎合作戰(zhàn)需求

CH-53K可以滿足改進(jìn)安全性、可靠性和維修性的21世紀(jì)智能飛機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)，主要執(zhí)行美國海軍陸戰(zhàn)隊裝甲車輛、裝備和作戰(zhàn)部隊的運(yùn)輸任務(wù)，以實(shí)現(xiàn)從海上向內(nèi)陸“分布式作戰(zhàn)”理念，將成為海軍實(shí)施遠(yuǎn)征任務(wù)的主力運(yùn)輸直升機(jī)，特別是在印太地區(qū)。未來，具備全天候綜合作戰(zhàn)能力的CH-53K，將與高航速的V-22“魚鷹”傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)和UH-1Y“毒液”中型通用直升機(jī)一起，為美國海軍陸戰(zhàn)隊提供強(qiáng)大的運(yùn)輸保障。美國海軍陸戰(zhàn)隊對新一代重型直升機(jī)提出作戰(zhàn)需求，并為每個關(guān)鍵指標(biāo)設(shè)定了門檻值和目標(biāo)值（見表1）。

表1 CH-53K作戰(zhàn)能力關(guān)鍵指標(biāo)要求

多功能作戰(zhàn)能力

CH-53K裝備了3臺全新發(fā)動機(jī)、全權(quán)限飛行控制系統(tǒng)、先進(jìn)復(fù)合材料旋翼槳葉和全數(shù)字駕駛艙，對美國軍事力量是一種跨越式發(fā)展，在兩棲突擊能力、機(jī)動性和飛行速度等方面均超過俄羅斯米-26重型直升機(jī)，其如下幾種作戰(zhàn)能力是美國海軍陸戰(zhàn)隊實(shí)施未來作戰(zhàn)概念所需要的。

一是艦到目的地機(jī)動運(yùn)輸能力。美國海軍陸戰(zhàn)隊急需加強(qiáng)運(yùn)輸直升機(jī)的從艦到目的地機(jī)動運(yùn)輸能力，并能執(zhí)行重型突擊任務(wù)。CH-53K可吊掛武裝突擊戰(zhàn)車、榴彈炮，可突擊運(yùn)送士兵、重型裝備和物資，具備從海上基地起飛向目標(biāo)地的運(yùn)輸能力，幫助陸戰(zhàn)隊進(jìn)行快速機(jī)動作戰(zhàn)，且不占據(jù)更多艦上空間。

二是輔助執(zhí)行海面打擊作戰(zhàn)能力。CH-53K具備輔助執(zhí)行海面打擊作戰(zhàn)、海基和遠(yuǎn)征機(jī)動作戰(zhàn)任務(wù)的能力，具有高生存性、低成本、長壽命、長航程和高載荷能力等特點(diǎn)，戰(zhàn)備率和維修性更好，可與海軍陸戰(zhàn)隊其他武器裝備之間更好互通。

三是重型運(yùn)輸能力。CH-53K最大起飛質(zhì)量39.9t，運(yùn)輸能力是CH-53E的3倍，能在204km任務(wù)半徑內(nèi)承擔(dān)約12t的外掛載荷，最多可攜帶16.3t的外掛載荷。CH-53K符合美國軍隊集裝箱尺寸標(biāo)準(zhǔn)，可將事先用集裝箱裝好的各種軍需物資整箱快速裝機(jī)，以提高運(yùn)輸效率。

研發(fā)進(jìn)展

CH-53K從2005年啟動初步開發(fā)與驗證工作到2017年進(jìn)入低速初始生產(chǎn)（LRIP）階段，歷經(jīng)了12年的研發(fā)歷程。自2018年首架交付美國海軍陸戰(zhàn)隊后，CH-53K持續(xù)進(jìn)行飛機(jī)性能測試。2020年3月，完成首次視覺降級環(huán)境測試，測試內(nèi)容包括在沙塵、濃煙等復(fù)雜低能見度環(huán)境下的成功起降。2020年4月，CH-53K與KC-130J加油機(jī)完成空中加油試驗，全程持續(xù)4.5h，評估了在強(qiáng)湍流條件下直升機(jī)的飛行性能。2020年6月，CH-53K在“黃蜂”號兩棲攻擊艦上完成首次海洋環(huán)境下試驗，開展360余次起降、旋翼起動與停轉(zhuǎn)、艦上加油、外接電力、艦上維護(hù)等系列艦機(jī)適配性測試，評估了直升機(jī)海上性能，驗證了其在艦上部署能力。2021年9月，CH-53K在高海拔低氣壓條件下完成回收一架受損的MH-60S“海鷹”直升機(jī)的重型吊運(yùn)任務(wù)。2021年11月，CH-53K在大西洋上空將一輛重約12t的輕型裝甲車，從“黃蜂”級兩棲攻擊艦“硫磺島”號運(yùn)送到岸上登陸區(qū)，評估了其滿足超視距重型運(yùn)載項目規(guī)范的能力。

圖2 CH-53K的綜合能力

圖3 CH-53K項目發(fā)展歷程

T408大功率渦軸發(fā)動機(jī)

2006年，美國宣布在普惠加拿大公司PW150、羅羅公司AE1107C和GE公司T408（內(nèi)部編號GE38-1B）等發(fā)動機(jī)中選擇CH-53K的動力。從成本、安全性和實(shí)際使用性能等多方面綜合考慮，T408發(fā)動機(jī)最終勝出。CH-53K配裝3臺T408，并預(yù)留了第4臺發(fā)動機(jī)位置。T408的單臺額定功率為5600kW，是GE公司功率最大的渦軸發(fā)動機(jī)，相比CH-53E采用的T64發(fā)動機(jī)，其功率增加57%，燃油效率提升18%，而零件數(shù)減少63%。

圖4 T408-GE-400渦軸發(fā)動機(jī)

持續(xù)的技術(shù)成熟與繼承

T408起源于美國陸軍現(xiàn)代技術(shù)驗證機(jī)發(fā)動機(jī)（MTDE），其技術(shù)發(fā)展與GE27技術(shù)驗證機(jī)、GE38及其他多種軍民用型號的發(fā)展緊密相關(guān)，如圖5所示。

圖5 T408發(fā)動機(jī)技術(shù)演變發(fā)展

1980年代，美國陸軍發(fā)起4000～6000hp（2980～4470kW）現(xiàn)代技術(shù)驗證發(fā)動機(jī)計劃，目的是研制一型5000hp（3725kW）的渦軸發(fā)動機(jī)，并在設(shè)計過程中綜合考慮性能、質(zhì)量、可靠性、大修成本、技術(shù)支持成本、采購成本和生存能力等因素，GE公司的GE27獲得技術(shù)驗證機(jī)合同。GE27設(shè)計中最大的難點(diǎn)在于“按成本設(shè)計”，即需要設(shè)計一臺比“黑鷹”、阿帕奇等直升機(jī)用的T700發(fā)動機(jī)功率高3倍而成本卻只增加20%的發(fā)動機(jī)。采用了雙轉(zhuǎn)子單元體結(jié)構(gòu)以及先進(jìn)的氣動、材料和冷卻技術(shù)的GE27，于1984年整機(jī)試車，1987年完成了4000h部件試驗和超800h的整機(jī)試驗，超過預(yù)期目標(biāo)，滿足MTDE計劃要求，當(dāng)時還創(chuàng)造了油耗、功重比、單轉(zhuǎn)子壓比、單位流量功率等4項紀(jì)錄，是一型非常成功的先進(jìn)渦軸技術(shù)驗證機(jī)。GE27與T700相比，油耗降低25%，功重比提高62.5%，空氣流量增加40%。

1980年代末，GE公司在GE27基礎(chǔ)上以GE38命名開展了渦軸、渦槳和渦扇等一系列發(fā)動機(jī)的研發(fā)工作。從1988年開始先后研發(fā)了T407軍用渦槳發(fā)動機(jī)、GLC38民用渦槳發(fā)動機(jī)、CPX38民用渦槳發(fā)動機(jī)、CFE738民用渦扇發(fā)動機(jī)和T408軍用渦軸發(fā)動機(jī)。

T408在GE27先進(jìn)技術(shù)驗證機(jī)、T407渦槳發(fā)動機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，借鑒了GE27核心機(jī)的總體結(jié)構(gòu)、單元體結(jié)構(gòu)、高壓比單轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)及其冷卻方案、潤滑系統(tǒng)和支承方案；還參考了T407的3級動力渦輪，其中氣冷的第1級渦輪，可提高耐久性和功率增長能力，并有一個獨(dú)立的封閉模塊以防止軸承和油槽受污染。

技術(shù)創(chuàng)新與突破

T408融合了一系列新技術(shù)，包括新的三維氣動設(shè)計、冷卻方案和先進(jìn)材料：與T407相比，同等進(jìn)口氣流和燃油消耗下，功率提高約45%；熱端部件的冷卻設(shè)計可防沙礫堵塞，并采用改進(jìn)的材料和涂層，以防侵蝕和腐蝕；壓氣機(jī)更加堅固，采用了對分機(jī)匣和防腐涂層，具有抗風(fēng)沙侵蝕和鹽水腐蝕的能力，能適應(yīng)嚴(yán)酷的作戰(zhàn)環(huán)境；采用了整體葉盤壓氣機(jī)，無螺栓轉(zhuǎn)子、低稠度/高功率渦輪減少了渦輪葉片和導(dǎo)向器數(shù)量，減少了零件數(shù)；附件系統(tǒng)中采用空心管路，節(jié)省了較多管路和支架。

圖6 T408發(fā)動機(jī)發(fā)展歷程

針對特定作戰(zhàn)環(huán)境設(shè)計的T408，包括飛行試驗在內(nèi)的各種試驗驗證了其出色抗風(fēng)沙侵蝕、鹽水腐蝕的能力和強(qiáng)耐久性，能夠理想地在陸戰(zhàn)隊嚴(yán)酷的作戰(zhàn)環(huán)境下使用。由于油耗較低，T408還能顯著降低CH-53K的使用成本。

最新研究進(jìn)展

T408在其發(fā)展和驗證階段為CH-53K的技術(shù)評估交付了1臺核心驗證發(fā)動機(jī)、5臺工廠合格試驗發(fā)動機(jī)和20臺飛行試驗發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)試驗時數(shù)超8400h，其中地面試驗4500h，高溫和寒冷環(huán)境下的飛行試驗超3900h，300h循環(huán)耐久性試驗創(chuàng)造了GE公司史上在紅線溫度運(yùn)行時間最長的紀(jì)錄，是GE公司最苛刻的試驗項目，其標(biāo)準(zhǔn)幾乎是通常嚴(yán)苛水平的2倍。在系統(tǒng)開發(fā)和驗證合同下進(jìn)行了部件試驗驗證，完成28項環(huán)境要求符合性部件試驗。目前，T408在機(jī)運(yùn)行時間約為11000h。

T408從2007年開始研發(fā)至2017年獲得低速率初始生產(chǎn)合同歷經(jīng)了10年時間，其中關(guān)鍵里程碑有：2009年，完成關(guān)鍵設(shè)計評審（CDR），開始整機(jī)測試；2011年，首臺交付海軍陸戰(zhàn)隊；2015年，為CH-53K提供動力首飛；2019年，首臺低速初始生產(chǎn)（LRIP）型交付美國海軍陸戰(zhàn)隊；2020年，裝配CH-47F直升機(jī)地面試驗；2021年，被美國陸軍確定可用于CH-47F升級。

未來潛在用途

T408發(fā)動機(jī)雖然是CH-53K的動力，但具有配裝美國陸軍重型運(yùn)輸直升機(jī)CH-47的潛力，后者專為貨物和部隊運(yùn)輸設(shè)計，幾十年來一直是美國陸航重型運(yùn)輸機(jī)的主力。為大幅提高CH-47性能，美國陸軍、波音公司和GE公司在2016年簽署了一項為期5年的合作研發(fā)協(xié)議（CRADA），波音公司啟動了一項CH-47升級計劃，主要任務(wù)是為CH-47F試裝更強(qiáng)勁的T408，以驗證CH-47F集成大功率發(fā)動機(jī)的可行性并評估技術(shù)風(fēng)險，最終推進(jìn)直升機(jī)動力的升級。2020年，配裝2臺T408的CH-47F進(jìn)行地面試驗，使用了增材制造的承重傳動系統(tǒng)組件和發(fā)動機(jī)外扭矩測量系統(tǒng)，驗證發(fā)動機(jī)控制、熱兼容性、質(zhì)量以及飛機(jī)在飛行包線內(nèi)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。2019—2021年，CH-47F換裝T408共進(jìn)行了18次地面試驗和7次飛行試驗（如圖7所示），經(jīng)過7個月的飛行試驗后，2021年5月，美國陸軍宣布換發(fā)可行，T408可用于CH-47F機(jī)隊升級，在降低技術(shù)和集成風(fēng)險的同時，可滿足美國陸軍未來需求。

圖7 CH-47F換裝T408飛行試驗

CH-53K與T408的項目管理

項目合同

美國將武器裝備的研制成本增長列為高風(fēng)險事項，國防部會在裝備采辦的各個階段分別授予合同以進(jìn)行風(fēng)險管控。2010年，美國海軍陸戰(zhàn)隊計劃采購200架，總采購成本一直在漲，當(dāng)前預(yù)估340億美元，研發(fā)成本約80億美元。2021年6月、12月美國海軍再次采購低速初始生產(chǎn)（LRIP）第5、第6批次各9架CH-53K，將直升機(jī)的單價由原來的1.2億美元降至1億美元以下。

T408發(fā)動機(jī)各階段合同的授予則都是基于CH-53K項目的研發(fā)需要。2007年，美國為CH-53K項目計劃采購650臺T408，費(fèi)用為15億美元。2020—2029年，美國將生產(chǎn)512臺T408，總價值為14.33億美元，T408試驗型發(fā)動機(jī)最初合同單價為400萬美元，預(yù)計批產(chǎn)型合同單價為280萬美元。美國海軍陸戰(zhàn)隊預(yù)計未來將獲得800臺T408來裝備200架CH-53K機(jī)隊。

項目進(jìn)度協(xié)同

為使發(fā)動機(jī)和飛機(jī)的研發(fā)相互推進(jìn)，T408研發(fā)進(jìn)度與CH-53K研發(fā)進(jìn)度緊密相扣，在一些里程碑標(biāo)志性事件上幾乎同步。2017年，CH-53K配裝T408通過國防部采辦委員會評審，達(dá)到里程碑C決策進(jìn)入低速初始生產(chǎn)階段后，T408也于2017年同步獲得低速初始生產(chǎn)合同以支持直升機(jī)形成初始作戰(zhàn)能力。

表2 CH-53K主要合同概覽

表3 T408主要合同概覽

表4 CH-53K直升機(jī)與T408發(fā)動機(jī)研發(fā)進(jìn)度協(xié)同

項目風(fēng)險管控

盡管美國對CH-53K項目從技術(shù)成熟度、項目進(jìn)度、成本和科研管理等方面進(jìn)行了一定的風(fēng)險控制，如追加系統(tǒng)驗證樣機(jī)以促進(jìn)生產(chǎn)過程的成熟度提高，但仍出現(xiàn)了進(jìn)度一拖再拖和成本持續(xù)上漲，原計劃在2015年形成初始作戰(zhàn)能力，至今未實(shí)現(xiàn)，主要是由于以下兩個問題。

一是技術(shù)問題風(fēng)險。研制試驗中發(fā)現(xiàn)了一百多項飛機(jī)和發(fā)動機(jī)的技術(shù)問題，其中發(fā)動機(jī)廢氣再吸入和直升機(jī)在“沙盲”狀態(tài)下發(fā)動機(jī)性能下降影響直升機(jī)作戰(zhàn)能力等問題比較突出。目前，關(guān)鍵性能指標(biāo)中的任務(wù)可靠性和任務(wù)載荷達(dá)標(biāo)仍被劃定為中等風(fēng)險等級。

二是項目管理模式缺陷風(fēng)險。CH-53K項目采取試驗和采購并行或重疊的方式，存在研制質(zhì)量與研制進(jìn)度、成本相矛盾的風(fēng)險。試驗中暴露出的技術(shù)問題必須在已研制出的更多飛機(jī)上解決，這種改造費(fèi)用很高，進(jìn)度也被大幅度拖延。

針對項目風(fēng)險問題，美國政府和軍方發(fā)布了《解決CH-53K項目前期問題與未來風(fēng)險》《重型直升機(jī)項目：海軍應(yīng)解決成本與進(jìn)度風(fēng)險》等報告，加大對風(fēng)險分析和管控。同時美國政府問責(zé)局（GAO）建議在完成試驗之前應(yīng)限制購買直升機(jī)的數(shù)量。

結(jié)束語

軍用直升機(jī)作戰(zhàn)能力很大程度上取決于其動力裝置的功率等級和綜合性能。CH-53K重型運(yùn)輸直升機(jī)是支持美國海軍陸戰(zhàn)隊未來從?；行膽?zhàn)到內(nèi)陸分布式作戰(zhàn)的主力，代表了當(dāng)前世界重型直升機(jī)最高水平，其最大的依托是擁有一顆強(qiáng)大的“心臟”。而先進(jìn)動力的開發(fā)需要先期的預(yù)先研究提供技術(shù)儲備，但即使是良好繼承了多項成熟技術(shù)的T408，在發(fā)展中仍然面臨多項技術(shù)問題，這也更加凸顯了飛發(fā)研制，特別是新機(jī)配新發(fā)中的協(xié)同推進(jìn)的重要性與必要性。