2023年直升機(jī)動(dòng)力進(jìn)展

■ 張穩(wěn) / 中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院

2023年，直升機(jī)配裝的傳統(tǒng)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)在軍民領(lǐng)域均有新的進(jìn)展，幾家行業(yè)巨擘的產(chǎn)品譜系愈發(fā)完善，領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)不斷擴(kuò)大；直升機(jī)用混合電推進(jìn)技術(shù)則方興未艾，各型號(hào)均處于開(kāi)發(fā)測(cè)試的早期階段，距成熟應(yīng)用尚有差距。

傳統(tǒng)的直升機(jī)動(dòng)力均是渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)形式，在國(guó)際市場(chǎng)上，幾家老牌渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)公司積累深厚，不斷推陳出新。近年來(lái)，由于環(huán)保法規(guī)和技術(shù)進(jìn)步的雙重推動(dòng)，直升機(jī)動(dòng)力也在向混合電推進(jìn)轉(zhuǎn)型。同時(shí)，部分公司正在嘗試在傳統(tǒng)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)上使用可持續(xù)航空燃料（SAF），作為混合電推進(jìn)技術(shù)成熟前的過(guò)渡手段。

傳統(tǒng)動(dòng)力

美國(guó)GE公司、法國(guó)賽峰集團(tuán)和俄羅斯克里莫夫公司在直升機(jī)動(dòng)力領(lǐng)域持續(xù)深耕，3家公司在2023年又取得了新的進(jìn)展；印度斯坦航空有限公司（HAL）借由國(guó)際合作和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，不斷加強(qiáng)自身渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)能力；渦軸16發(fā)動(dòng)機(jī)的量產(chǎn)交付，標(biāo)志著我國(guó)也已加入了直升機(jī)動(dòng)力的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)。

賽峰集團(tuán)和HAL共同開(kāi)發(fā)新一代直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)

2023年2月，賽峰集團(tuán)和HAL簽署了一項(xiàng)工作共享協(xié)議，共同開(kāi)發(fā)用于印度未來(lái)13t級(jí)多用途直升機(jī)（IMRH）及其海軍型甲板多用途直升機(jī)（DBMRH）的發(fā)動(dòng)機(jī)。遵循前期雙方簽署協(xié)議的后續(xù)安排，2023年7月，兩家公司在印度成立合資公司，致力于直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、銷(xiāo)售和服務(wù)。

阿赫耶2K發(fā)動(dòng)機(jī)

賽峰集團(tuán)阿赫耶2K發(fā)動(dòng)機(jī)配裝新直升機(jī)首飛

2023年3月，萊昂納多公司的AW09輕型直升機(jī)配裝阿赫耶（Arriel）2K發(fā)動(dòng)機(jī)后在瑞士莫利斯實(shí)現(xiàn)首飛，達(dá)到重要里程碑，該機(jī)計(jì)劃于2024年年底獲得認(rèn)證。首次飛行持續(xù)了20min，完成所有測(cè)試目標(biāo)，包括低空懸停、原地轉(zhuǎn)彎、速度為37km/h的直線(xiàn)和側(cè)向飛行，以及多次著陸和起飛，后續(xù)將進(jìn)行飛行包線(xiàn)擴(kuò)展測(cè)試。賽峰集團(tuán)已累計(jì)生產(chǎn)15000臺(tái)阿赫耶系列發(fā)動(dòng)機(jī)，為各種直升機(jī)提供動(dòng)力，包括空客AStar系列、萊昂納多AW109和西科斯基S-76等。

土耳其重型武裝直升機(jī)配裝烏克蘭發(fā)動(dòng)機(jī)首飛

2023年4月，土耳其航空航天工業(yè)公司研發(fā)的T929重型武裝直升機(jī)原型機(jī)實(shí)現(xiàn)首飛，使土耳其成為繼美國(guó)、俄羅斯、南非之后世界上第四個(gè)獨(dú)立研制出重型武裝直升機(jī)的國(guó)家。T929重型武裝直升機(jī)總質(zhì)量為11.5t，最大武器載荷為1.5t，最大飛行速度為315km/h，升限約6100m，首飛時(shí)配裝2臺(tái)烏克蘭馬達(dá)西奇TV3-117VMA-SBM1V-01T渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，單臺(tái)起飛功率為1838kW，巡航額定功率為1287kW。

俄羅斯持續(xù)推進(jìn)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)國(guó)產(chǎn)替代工作

2023年5月，克里莫夫公司對(duì)外披露，已完成VK-1600V發(fā)動(dòng)機(jī)的地面試驗(yàn)，該發(fā)動(dòng)機(jī)將于2024年安裝在卡-62直升機(jī)上進(jìn)一步試飛。VK-1600V發(fā)動(dòng)機(jī)的起飛功率為1029kW，2.5min應(yīng)急功率可達(dá)1287kW，與同類(lèi)產(chǎn)品相比，質(zhì)量減輕了10%，各個(gè)功率模式下的耗油率都有所降低。VK-1600V發(fā)動(dòng)機(jī)未來(lái)還可用于無(wú)人機(jī)、輕型客機(jī)和地區(qū)性運(yùn)輸機(jī)等。

由于普惠加拿大公司已停止向俄羅斯提供安薩特（Ansat）輕型直升機(jī)配裝的PW207K發(fā)動(dòng)機(jī)，克里莫夫公司已開(kāi)始生產(chǎn)VK-650V發(fā)動(dòng)機(jī)，擬用于替換PW207K發(fā)動(dòng)機(jī)。VK-650V發(fā)動(dòng)機(jī)使用了數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)和3D打印的零部件，最大功率為478kW（PW207K發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率為463kW），使用壽命為3000h，并有進(jìn)一步增加壽命的潛力。目前，該發(fā)動(dòng)機(jī)已完成工程測(cè)試，所有主要技術(shù)參數(shù)都經(jīng)過(guò)試驗(yàn)確認(rèn)，并計(jì)劃于2024年開(kāi)展飛行試驗(yàn)，預(yù)計(jì)2025年獲得型號(hào)認(rèn)證并向喀山直升機(jī)廠批量交付。

VK-650V發(fā)動(dòng)機(jī)

T901發(fā)動(dòng)機(jī)

GE公司T901發(fā)動(dòng)機(jī)日趨成熟

2023年，GE公司新開(kāi)發(fā)的T901發(fā)動(dòng)機(jī)取得多項(xiàng)里程碑成果。該發(fā)動(dòng)機(jī)采用數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)，并使用陶瓷基復(fù)合材料（CMC）和3D打印零件等，相比于上一代T700發(fā)動(dòng)機(jī)，提高了50%的輸出功率（達(dá)到2237kW）和20%的設(shè)計(jì)壽命，降低了25%的油耗，從而實(shí)現(xiàn)了更低的全生命周期成本。未來(lái)，T901發(fā)動(dòng)機(jī)有望全面替換UH-60“黑鷹”直升機(jī)和AH-64“阿帕奇”直升機(jī)現(xiàn)裝的T700發(fā)動(dòng)機(jī)。

2023年8月，美國(guó)陸軍授予西科斯基公司一份800萬(wàn)美元的合同，用于資助該公司將T901發(fā)動(dòng)機(jī)整合到UH-60“黑鷹”直升機(jī)機(jī)隊(duì)中，開(kāi)展集成所需的數(shù)據(jù)收集和測(cè)試。T901發(fā)動(dòng)機(jī)具有與T700發(fā)動(dòng)機(jī)相似的外廓尺寸和相同的安裝接口，可實(shí)現(xiàn)原位換裝。換裝后，新發(fā)動(dòng)機(jī)能夠使UH-60“黑鷹”直升機(jī)的航程增加161%、載荷增加150%。

2023年10月，GE公司向FARA項(xiàng)目的競(jìng)標(biāo)單位貝爾公司和西科斯基公司分別交付了1臺(tái)T901發(fā)動(dòng)機(jī)，以支持進(jìn)行競(jìng)標(biāo)直升機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的集成測(cè)試，兩家公司將于2024年開(kāi)展地面測(cè)試和首飛。

HAL建成新型發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)設(shè)施

2023年12月，HAL航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究與開(kāi)發(fā)中心（AERDC）舉行了新型發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和測(cè)試設(shè)施落成典禮。該設(shè)施占地面積超過(guò)10000m2，配有一個(gè)用于測(cè)試1200kW印度斯坦渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)（HTSE）試驗(yàn)臺(tái)。此外，新設(shè)施還將用于測(cè)試“美洲豹”攻擊機(jī)的空氣發(fā)生器、輕型戰(zhàn)斗機(jī)的燃?xì)鉁u輪起動(dòng)裝置（GTSU）110 M2和127E、印度多用途直升機(jī)和先進(jìn)中型戰(zhàn)斗機(jī)的輔助動(dòng)力裝置、安-32飛機(jī)的燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)（GTEG）-60，并建立了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)部件和外場(chǎng)可更換單元（LRU）進(jìn)行各種關(guān)鍵測(cè)試的裝置。

首批量產(chǎn)渦軸16發(fā)動(dòng)機(jī)交付用戶(hù)

2023年12月，首批量產(chǎn)渦軸16發(fā)動(dòng)機(jī)交付用戶(hù)，標(biāo)志著中國(guó)航發(fā)民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品邁出了產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的關(guān)鍵一步，充分展示了我國(guó)在民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)這一高科技領(lǐng)域的研制實(shí)力和市場(chǎng)能力。

渦軸16發(fā)動(dòng)機(jī)是我國(guó)最新一型嚴(yán)格按照適航規(guī)章研制取證的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，起飛功率不小于1240kW，質(zhì)量不超過(guò)223.5kg，耗油率（最大連續(xù)功率狀態(tài)）不大于0.294kg/（kW·h），實(shí)用升限6000m，可靠性高、翻修間隔時(shí)間長(zhǎng)，整體性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。渦軸16發(fā)動(dòng)機(jī)于2019年10月取得型號(hào)合格證（TC），2021年3月取得生產(chǎn)許可證（PC），可配裝AC352等7t級(jí)雙發(fā)直升機(jī)，廣泛應(yīng)用于搜索救援、海油作業(yè)、人員運(yùn)輸、醫(yī)療救護(hù)和商務(wù)包機(jī)等領(lǐng)域。

混合電推進(jìn)

基于現(xiàn)有渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)混合電推進(jìn)系統(tǒng)，是直升機(jī)實(shí)現(xiàn)混合電推進(jìn)的主要技術(shù)路徑之一。2023年，美國(guó)、法國(guó)、俄羅斯等老牌直升機(jī)動(dòng)力強(qiáng)國(guó)均在這一技術(shù)路線(xiàn)上有新的進(jìn)展，將驗(yàn)證混合電推進(jìn)在直升機(jī)航程和高速飛行方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

美國(guó)SOCOM將與DARPA聯(lián)合推進(jìn)混合電推進(jìn)直升機(jī)研發(fā)

2023年4月，美國(guó)特種作戰(zhàn)司令部（SOCOM）宣布，SOCOM將與美國(guó)國(guó)防預(yù)先研究計(jì)劃局（DARPA）合作，共同推進(jìn)混合電推進(jìn)直升機(jī)的研發(fā)。SOCOM認(rèn)為，目前全電或以電動(dòng)為主的直升機(jī)方案，均不能滿(mǎn)足特種作戰(zhàn)直升機(jī)的長(zhǎng)時(shí)間懸停等需求，因此在現(xiàn)有基礎(chǔ)上尋求與DARPA合作推動(dòng)混合電推進(jìn)直升機(jī)的研發(fā)。SOCOM的初步研究表明，混合電推進(jìn)相比于傳統(tǒng)動(dòng)力，可實(shí)現(xiàn)直升機(jī)性能的跨越式提升，將飛行速度提高25%～100%或者將航程增加25%～75%。

賽峰集團(tuán)開(kāi)展直升機(jī)混合電推進(jìn)系統(tǒng)測(cè)試

2023年6月，賽峰集團(tuán)對(duì)其“節(jié)能模式”（Eco Mode）混合電推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了地面測(cè)試，該系統(tǒng)為雙發(fā)直升機(jī)“競(jìng)速者”（Racer）而設(shè)計(jì)。在巡航狀態(tài)下，1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)，另1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)以更節(jié)能的功率狀態(tài)運(yùn)行，可減少約15%的燃料消耗，并增加直升機(jī)的航程。在著陸或緊急情況下，智能輔助電動(dòng)機(jī)會(huì)迅速重新起動(dòng)待機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)，自動(dòng)恢復(fù)到雙發(fā)全功率狀態(tài)。

渦軸16發(fā)動(dòng)機(jī)

“節(jié)能模式”混合電推進(jìn)系統(tǒng)由法國(guó)民航局（DGAC）資助，使用了賽峰集團(tuán)的阿內(nèi)托-1A（Aneto-1A）發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)快速重起系統(tǒng)，該系統(tǒng)將發(fā)動(dòng)機(jī)的電子控制系統(tǒng)與一個(gè)高功率密度的電動(dòng)機(jī)結(jié)合起來(lái)，機(jī)械連接到發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓轉(zhuǎn)子上。阿內(nèi)托-1A發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率可達(dá)1838kW，2臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)可支持“競(jìng)速者”直升機(jī)保持最高400km/h的遠(yuǎn)程巡航速度。

UEC開(kāi)發(fā)的混合電推進(jìn)系統(tǒng)驗(yàn)證機(jī)

空客公司推出新型飛行試驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試混合電推進(jìn)系統(tǒng)

2023年9月，空客公司推出了其最新的技術(shù)驗(yàn)證機(jī)“先鋒實(shí)驗(yàn)室”（Pioneer Lab），用來(lái)測(cè)試減少直升機(jī)排放、提高自主性以及集成生物基材料的相關(guān)技術(shù)?！跋蠕h實(shí)驗(yàn)室”是一型基于H145直升機(jī)開(kāi)發(fā)的雙發(fā)技術(shù)驗(yàn)證機(jī)，通過(guò)使用混合電推進(jìn)系統(tǒng)和直升機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)改裝，其目標(biāo)是比改裝前的H145直升機(jī)減少30%的油耗，為快速測(cè)試技術(shù)提供敏捷和高效的測(cè)試平臺(tái)。

UEC將開(kāi)始測(cè)試基于渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的混合電推進(jìn)系統(tǒng)

2023年8月，俄羅斯聯(lián)合發(fā)動(dòng)機(jī)制造集團(tuán)（UEC）開(kāi)始測(cè)試基于VK-650V渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的混合電推進(jìn)系統(tǒng)演示驗(yàn)證機(jī)。該系統(tǒng)可用于無(wú)人機(jī)、多用途直升機(jī)和輕型固定翼飛機(jī)，整機(jī)功率為500kW，由1臺(tái)VK-650V渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)、2臺(tái)電動(dòng)機(jī)以及自動(dòng)控制系統(tǒng)（ACS）等組成。

使用SAF

由于整體的排放規(guī)模較小，直升機(jī)動(dòng)力適配SAF的腳步落后于固定翼客機(jī)用的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，更多是結(jié)合成熟的SAF技術(shù)，進(jìn)行適配測(cè)試。

NH90直升機(jī)使用100% SAF試飛

2023年2月，法國(guó)國(guó)防部武器裝備總署（DGA）首次試飛了1架使用SAF的NH90直升機(jī)。該直升機(jī)采用雙發(fā)布局，配裝2臺(tái)賽峰集團(tuán)RTM322渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，其中1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)使用了100% SAF，此次飛行沒(méi)有對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行任何修改。試飛由賽峰集團(tuán)、空客公司和道達(dá)爾能源公司合作完成，道達(dá)爾能源公司使用加氫酯和脂肪酸（HEFA）工藝，基于回收的食用油生產(chǎn)SAF，碳足跡是化石燃料的四分之一，符合歐盟對(duì)SAF 65%的減排要求。

貝爾505直升機(jī)使用100% SAF試飛

2023 年2 月，貝爾公司與賽峰集團(tuán)、吉?jiǎng)P恩（GKN）公司、耐斯特（Neste）公司以及Virent 公司共同合作，完成了全球首架單發(fā)直升機(jī)（貝爾505）使用100%SAF 飛行的試驗(yàn)。此次飛行試驗(yàn)中所使用的SAF 是由耐斯特公司從廢棄食用油和其他生物基原料中提煉出來(lái)的，包含了由可再生植物糖制成的芳香烴成分，將該成分添加至純SAF 中，使之無(wú)需與傳統(tǒng)化石燃料混合使用。

結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)還在向著更高功率、更低油耗、更長(zhǎng)壽命發(fā)展，說(shuō)明這一動(dòng)力形式還具有可挖掘的潛力，需要持久投入、接續(xù)研發(fā)。GE公司借助T901發(fā)動(dòng)機(jī)的不斷成熟，再一次為行業(yè)樹(shù)立了新的標(biāo)桿，進(jìn)一步確立了其在傳統(tǒng)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。新興混合電推進(jìn)技術(shù)即使不考慮環(huán)保壓力，在油耗、分布式推進(jìn)布局等方面也有著更優(yōu)秀的表現(xiàn)，很可能是直升機(jī)動(dòng)力未來(lái)的主流形式，SOCOM和DARPA試圖將這一動(dòng)力形式率先應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，而歐洲的政府機(jī)構(gòu)和制造商則更傾向于先在民用飛機(jī)上使用，顯示了美歐之間的不同思路。