俄羅斯未來軍用運輸航空系統(tǒng)計劃下的動力發(fā)展

■ 劉曉瑜 索德軍/ 中國航發(fā)動力所

俄羅斯未來軍用運輸航空系統(tǒng)（PAK TA）計劃，力圖打造全系列運輸機和配套動力，實現(xiàn)老舊產(chǎn)品全面替換，助推俄羅斯提升航空產(chǎn)業(yè)競爭力。

為了全面替換老舊運輸機及動力，推進航空產(chǎn)品國產(chǎn)化，俄羅斯于2013年提出PAK TA計劃[1]，與未來前線航空系統(tǒng)（PAK FA）、未來戰(zhàn)略轟炸系統(tǒng)（PAK DA）、未來遠程截擊系統(tǒng)（PAK DP）及未來艦載航空系統(tǒng)（PAK KA）共同構成俄羅斯未來軍用戰(zhàn)略航空體系。PAK TA的目標是研制從中型、重型到超重型的全系列軍用運輸機及配套動力，目前已知方案有配裝PD-30和PD-14發(fā)動機的伊爾-106運輸機、配裝PD-35發(fā)動機的“大象”運輸機和翼身融合方案。

伊爾-106運輸機及其動力

在PAK TA計劃下，伊留申航空綜合體股份公司于2015年宣布重啟因蘇聯(lián)解體而中止的伊爾-106項目。新的伊爾-106運輸機載重在80～120t之間，將在常規(guī)氣動布局和尺寸的基礎上采用現(xiàn)代化的技術設計，用以替換伊爾-76運輸機和安-22運輸機，如圖1所示。

老版伊爾-106運輸機計劃配裝推力為78.5～225.6kN的槳扇發(fā)動機NK-92（后改稱NK-93），但該發(fā)動機研制也一度停滯。2011年，俄羅斯工業(yè)與貿(mào)易部的相關批示表明，NK-93發(fā)動機已無法確保提高運輸機競爭力，繼續(xù)研制是不合理的，但不排除在未來軍民用運輸機動力研制中運用其技術成果。新版伊爾-106運輸機計劃采用4臺PS-90A1作為過渡動力，未來更換4臺新一代大涵道比渦扇發(fā)動機PD-30。此外，也有采用雙發(fā)構型的設想，即2臺以PD-14核心機為基礎衍生的推力為343.4～392.4kN的發(fā)動機。

PD-30發(fā)動機

PD-30發(fā)動機是庫茲涅佐夫設計局在NK-32發(fā)動機核心機基礎上研制的，沿用了NK-32發(fā)動機的三轉(zhuǎn)子結構，如圖2所示。主要特點包括：進氣道、短艙和反推裝置均采用復合材料；風扇采用帶蜂窩芯的寬弦空心葉片；低壓壓氣機采用空心葉片，中、高壓壓氣機采用整體葉盤；采用低排放燃燒室，可有效降低污染物排放水平；低壓渦輪為3級，中、高壓渦輪采用帶冠單晶葉片；采用全權限數(shù)字式電子控制（FADEC）系統(tǒng)；減速齒輪箱采用動壓滑動軸承支承。PD-30發(fā)動機主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 PD-30發(fā)動機主要性能參數(shù)

圖2 PD-30發(fā)動機

PD-14發(fā)動機

PD-14發(fā)動機由俄羅斯彼爾姆航空發(fā)動機公司牽頭，聯(lián)合發(fā)動機制造集團（UEC）下屬的多家企業(yè)，俄羅斯中央航空發(fā)動機研究院（CIAM）等科研院所參與研制。PD-14發(fā)動機采用雙轉(zhuǎn)子結構，內(nèi)外涵道分開排氣，其結構如圖3所示。項目于2008年正式啟動，2017年通過了獨聯(lián)體適航局的適航認證，2020年12月配裝MC-21客機成功首飛。據(jù)俄羅斯國家技術集團透露，PD-14發(fā)動機將于2024年開始批量交付。

圖3 PD-14發(fā)動機

PD-14發(fā)動機結構特征包括：短艙較短，帶有柵格式電傳動反推裝置；短艙使用的復合材料占比高達65%[2]；風扇為單級，帶有18片合金寬弦空心葉片；低壓壓氣機為3級；高壓壓氣機為8級，其中1、2、5級為鈦合金整體葉盤，6、7、8級葉盤采用新一代鎳基粉末合金制造；采用低污染環(huán)形燃燒室，燃燒區(qū)零件采用金屬間化合物制造，并采用第二代陶瓷熱障涂層；高壓渦輪為2級，帶有高效冷卻系統(tǒng)，工作葉片和導向葉片采用新一代單晶合金制造，葉盤采用新一代鎳合金制造；低壓渦輪為6級高效渦輪，轉(zhuǎn)子葉片和靜子葉片均為空心結構，采用了主動間隙控制技術；采用了FADEC系統(tǒng)。PD-14發(fā)動機的主要性能參數(shù)如表2所示。

PD-14發(fā)動機代號“PD”意為“未來發(fā)動機”，已發(fā)展了PD-14A、PD-14M、PD-10和PD-18P等改進型號，分別用于MC-21-200、MC-21-400、伊爾-214、SSJ-NG、圖-214和伊爾-96-300/400等民用運輸機。彼爾姆航空發(fā)動機公司以PD-14發(fā)動機為基礎，規(guī)劃了核心機衍生發(fā)展道路，實現(xiàn)裝配對象推力級全覆蓋，其中就包括滿足伊爾-106運輸機推力要求的改型。

“大象”運輸機及其動力

2017年8月，俄羅斯中央空氣流體動力學研究院（TsAGI）公布了“大象”運輸機概念模型。該機旨在替代安-124運輸機，最大有效載荷為180t[3]。2019年11月，TsAGI對外公布了“大象”運輸機的風洞模型，如圖4所示。2020年3月，“大象”運輸機模型在TsAGI的T-106風洞完成第一階段空氣動力學試驗，試驗結果符合最初的計算結果。

“大象”運輸機計劃配裝4臺大涵道比渦扇發(fā)動機PD-35，如圖5所示。2016年，彼爾姆航空發(fā)動機公司和土星科研生產(chǎn)聯(lián)合體共同開啟PD-35發(fā)動機項目，計劃研制周期為10年，總投資額達1800億盧布。原計劃于2024年開始臺架試驗，2025年開始進行飛行試驗，2028年開始批量生產(chǎn)。但2022年12月，彼爾姆航空發(fā)動機公司迫于西方制裁的壓力，宣布將PD-35發(fā)動機研制周期推遲2年。2023年10月，PD-35發(fā)動機成功完成首次核心機試驗，評估了1500多個參數(shù)（包括壓力、溫度、燃油和滑油流量、應力、振動等），試驗結果超出預期。

圖5 PD-35發(fā)動機

PD-35發(fā)動機采用層流短艙、1級寬弦風扇、3級低壓壓氣機、9級高壓壓氣機、低排放環(huán)形燃燒室、2級高壓渦輪、6級低壓渦輪、內(nèi)外涵道分開排氣的噴管和FADEC系統(tǒng)。其中，直徑為3.1m[4]的風扇葉片由全俄航空材料研究院（VIAM）研制的復合材料和土星科研生產(chǎn)聯(lián)合體開發(fā)的三維編織技術制成，可減輕風扇葉片整體質(zhì)量的20%～30%，這是俄羅斯航空工業(yè)歷史中首次采用復合材料風扇葉片[5]，風扇機匣也采用了復合材料；高壓壓氣機壓比為23，正在研究高壓壓氣機進口導向葉片電力驅(qū)動，并提出了兩種方案，一是通過旋轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)，二是通過平移運動實現(xiàn)，電力驅(qū)動主要用于可調(diào)葉片的機械定位，使發(fā)動機在起動、穩(wěn)定和過渡狀態(tài)下能夠?qū)崿F(xiàn)快速動作；高壓渦輪采用碳化硅-碳化硅（SiC-SiC）和碳-碳化硅（C-SiC）兩種陶瓷基復合材料制造，提高了耐熱能力。此外，發(fā)動機研制過程中還采用了增材制造、旋轉(zhuǎn)摩擦焊和復雜異形鑄造等先進制造工藝。PD-35發(fā)動機的主要性能參數(shù)如表3所示。

表3 PD-35發(fā)動機主要性能參數(shù)

埃爾瑪克翼身融合方案及其動力

俄羅斯公開報道中給出的未來翼身融合方案概念圖標注的是伊爾-106/埃爾瑪克運輸機[6]，如圖6所示。然而從已知信息看，重啟的伊爾-106仍然采用常規(guī)布局，并非翼身融合方案?？梢姡琍AK TA并非只有1種運輸機，根據(jù)已公開的有限信息可以推測，俄羅斯將蘇聯(lián)時期中斷的伊爾-106項目重新提上日程，前期將推出常規(guī)布局的運輸機，隨后將研發(fā)埃爾瑪克運輸機。

圖6 埃爾瑪克運輸機

俄羅斯軍方提出的性能要求包括可在土質(zhì)跑道起降、設計簡潔以及可作多用途，巡航速度為900km/h，可將80t以上的載荷運送到4500km之外。另外，俄羅斯未來還計劃在翼身融合方案基礎上進一步發(fā)展，最終實現(xiàn)超聲速飛行，速度最高達2000km/h，飛行距離可達7000km，并且能夠?qū)?00t載荷的人員與裝備在7h內(nèi)準確投送至全球任何地方，超聲速設計還未正式公布。

在動力選擇上，埃爾瑪克運輸機在機體背部靠近V形尾翼處安裝1臺背負式兼具發(fā)電功能的大涵道比渦扇發(fā)動機，所產(chǎn)生的電力儲存在進氣道前方機體背部空間內(nèi)的能量儲存系統(tǒng)中。由該系統(tǒng)將電力分配到機翼根部2個巨大空腔內(nèi)的2臺電力驅(qū)動風扇，所產(chǎn)生的高速氣流通過機翼后緣的鋸齒狀噴管流出，產(chǎn)生推力。機翼后緣還可以通過偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生推力矢量[7]。機體上方的背負式進氣道與內(nèi)置兩肋風扇均能有效地防止地面雷達探測，減少雷達截面積（RCS）。再結合專業(yè)的作戰(zhàn)裝置和機載設備，可以幫助飛行員在敵方防空系統(tǒng)近前進行作戰(zhàn)行動，實現(xiàn)整體隱身。

PAK TA的翼身融合布局方案及發(fā)動機的研究尚處于探索階段，或?qū)⒋矶砹_斯未來運輸機發(fā)展的方向。

動力發(fā)展特點

PAK TA計劃下各型運輸機的動力裝置在延續(xù)蘇聯(lián)時期技術特點的同時，進行了技術創(chuàng)新，將常規(guī)布局與新概念并行研究，通過有效的軍民融合，實現(xiàn)產(chǎn)品系列化發(fā)展。

“常規(guī)加創(chuàng)新”模式發(fā)展

運輸機動力歷經(jīng)了活塞、渦槳、中小涵道比以及大涵道比渦扇發(fā)動機。大涵道比渦扇發(fā)動機自20世紀70年代誕生后，逐漸成為軍用運輸機，尤其是重型運輸機的主流選擇。目前在研的下一代運輸機動力多數(shù)為大涵道比渦扇發(fā)動機，如圖7所示。從短期和中期來講，俄羅斯重型運輸機動力仍將以常規(guī)的大涵道比渦扇發(fā)動機為主。然而，大涵道比發(fā)動機也存在一定局限性。通過增大涵道比，提高燃氣溫度，提高增壓比和采用新材料等來改進大涵道比渦扇發(fā)動機也存在極限。未來除了改善發(fā)動機本身，也要協(xié)同飛機提高整體的經(jīng)濟性，如采用多電概念、分布式推進等。也就是說，采用非常規(guī)動力是必然趨勢。

圖7 蘇聯(lián)/俄羅斯軍用運輸機動力發(fā)展

成體系發(fā)展

PAK TA計劃下研制的運輸機覆蓋了從中型、重型到超重型運輸機體系。在運輸機動力層面，正在開展各推力級動力的研制。除了推力級為289.3～319.3 kN的PD-30發(fā)動機，以PD-14核心機為基礎進行全系列衍生發(fā)展，PD-35發(fā)動機未來改型機推力有望達到490.5 kN。PAK TA計劃下可形成完整體系的運輸機動力，全面保障俄羅斯未來運輸機國產(chǎn)化。

軍民融合發(fā)展

大型軍民用運輸機和動力之間的共通性很高，軍民融合的理念一直貫穿著俄羅斯運輸機及動力的發(fā)展歷程。像伊爾-76、安-124等軍用運輸機也在民用運輸市場上運用，且多型軍用運輸機動力都是在民用動力基礎上改型而來。在下一代運輸機動力發(fā)展中，同樣注重軍民技術協(xié)調(diào)發(fā)展。

2022年俄烏沖突爆發(fā)以來，西方逐漸加大對俄羅斯制裁力度，波音公司和空客公司已停止向俄羅斯航空公司提供支持服務。在此形勢下，俄羅斯決定推遲PD-35發(fā)動機研制，全力支持MC-21、SSJ-100的配套動力PD-14和PD-8發(fā)動機研制。做出這兩項決定主要是出于以下考慮：首先，在西方制裁下，俄羅斯民用航空進口替代更加緊迫；其次，PAK TA計劃尚處于預研階段，PD-35短期市場需求不明確，不能立刻產(chǎn)生經(jīng)濟效益；最后，加快推進PD-14發(fā)動機成熟可為PD-35發(fā)動機奠定技術基礎，也可為之帶來資金支持。

總之，面對新形勢，俄羅斯從國家層面積極布局，從資金支持、市場開拓等角度大力扶持民用航空產(chǎn)品，以加快實現(xiàn)進口替代，促進軍民用運輸機及動力的技術轉(zhuǎn)換和融合，推動軍民協(xié)同化和體系化發(fā)展，實現(xiàn)軍民用運輸機和動力的全面國產(chǎn)化。軍民用運輸機的結合也應成為未來運輸機發(fā)展要考慮的問題。

結束語

俄羅斯在PAK TA計劃下以研究常規(guī)布局運輸機方案和大涵道比渦扇發(fā)動機為主，同時又面向未來，進行非常規(guī)翼身融合方案及電推進技術探索。俄烏沖突和西方制裁一方面更加明確了俄羅斯對下一代重型軍用運輸機的需求；另一方面也給PAK TA計劃帶來了一定阻力。迫于西方制裁壓力和國內(nèi)經(jīng)濟形勢，俄羅斯延遲PD-35項目也是無奈之舉，這也在客觀上加速了俄羅斯民用航空產(chǎn)品的進口替代。通過有效的軍民技術轉(zhuǎn)換融合，成熟的民用航空產(chǎn)品也可以為下一代重型運輸機及動力的發(fā)展提供技術和資金支持。發(fā)展下一代重型運輸機和配套動力不僅是為了滿足俄羅斯當前需求，也有助于俄羅斯全面提升航空產(chǎn)業(yè)能力，以加快實現(xiàn)航空產(chǎn)品國產(chǎn)化進程，擺脫對外依賴。