肖蔓

（中航工業(yè)航空動力機(jī)械研究所，湖南株洲412002）

AATE和ITEP計劃下的渦軸發(fā)動機(jī)分階段研發(fā)綜述

肖蔓

（中航工業(yè)航空動力機(jī)械研究所，湖南株洲412002）

為了探索新型航空發(fā)動機(jī)研制規(guī)律，通過收集整理美國A A TE和ITEP兩項計劃中的2237 kW渦軸發(fā)動機(jī)G E3000和H PW 3000研發(fā)的一些公開信息，結(jié)合美國國防科技的分類分階段管理，再現(xiàn)了美國新型發(fā)動機(jī)階段化研發(fā)的全貌。指出美國國防科研的分類管理體現(xiàn)了原始創(chuàng)新和集成創(chuàng)新均衡發(fā)展的科技創(chuàng)新理念，國防武器裝備研發(fā)的分階段全壽命周期管理反映了基于技術(shù)成熟度對復(fù)雜系統(tǒng)研發(fā)有效的風(fēng)險管控理念，實(shí)力相當(dāng)?shù)母偁幵趲椭姺将@得最優(yōu)裝備的同時，也促使參與競標(biāo)的公司不斷提升自身的技術(shù)和管理水平，推動了持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新。

A A TE；ITEP；G E3000；H PW 3000；渦軸發(fā)動機(jī)；研發(fā)；科研管理

0　引言

美國GE公司和先進(jìn)渦輪發(fā)動機(jī)公司（ATEC，霍尼韋爾和普惠的合資公司）目前正在通過先進(jìn)經(jīng)濟(jì)可承受渦輪發(fā)動機(jī)（AATE）計劃和改進(jìn)渦輪發(fā)動機(jī)（ITEP）計劃競爭研制新型2237kW渦軸發(fā)動機(jī)，以替換UH-60“黑鷹”和AH-64“阿帕奇”直升機(jī)配裝的現(xiàn)役T700渦軸發(fā)動機(jī)。

本文通過收集整理美國正在競標(biāo)研發(fā)的候選渦軸發(fā)動機(jī)GE3000和HPW3000的一些公開發(fā)表的信息，結(jié)合美國國防科技的分類分階段科研管理，力圖顯性化描述新型發(fā)動機(jī)階段化研發(fā)的全貌，以有助于認(rèn)識航空發(fā)動機(jī)研發(fā)規(guī)律。

1　AATE和ITEP計劃

1.1AATE計劃與2237kW渦軸發(fā)動機(jī)

美軍“黑鷹”和“阿帕奇”直升機(jī)在伊拉克和阿富汗戰(zhàn)爭中顯示出作戰(zhàn)能力的不足，但其配裝的T700發(fā)動機(jī)繼續(xù)提升性能的潛力有限，需要研制全新的動力系統(tǒng)。因此，美國航空應(yīng)用技術(shù)理事會于2007年啟動了先進(jìn)經(jīng)濟(jì)可承受渦輪發(fā)動機(jī)（AATE）計劃，該計劃為通用經(jīng)濟(jì)可承受先進(jìn)渦輪發(fā)動機(jī)（VAATE）計劃的一部分，其目標(biāo)是研發(fā)1型尺寸與T700發(fā)動機(jī)相同，質(zhì)量為204 kg的2237kW發(fā)動機(jī)，在保持T700發(fā)動機(jī)質(zhì)量和良好的可靠性、可維護(hù)性、耐久性與可生產(chǎn)性的基礎(chǔ)上將油耗降低25%、功率提高50%（達(dá)到2237 kW級別）、功重比提高65%、壽命延長20%以及成本降低35%［1-4］。

AATE計劃屬于技術(shù)基礎(chǔ)計劃，旨在驗證技術(shù)是否成熟以及原始設(shè)備制造商（OEMs）是否能設(shè)計1款無論是在尺寸、質(zhì)量和體積方面都能夠達(dá)到要求的2237kW發(fā)動機(jī)，確保以較低的技術(shù)風(fēng)險進(jìn)入后續(xù)ITEP計劃。AATE計劃包括2個演示驗證發(fā)動機(jī)項目：ATEC的HPW3000和GE公司的GE3000。GE和ATEC公司必須在科學(xué)和技術(shù)（S&T）階段為未來的ITEP發(fā)動機(jī)進(jìn)行AATE技術(shù)驗證，美國陸軍航空應(yīng)用技術(shù)理事會完成了對以上2種驗證發(fā)動機(jī)的初步設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計和關(guān)鍵技術(shù)評審，經(jīng)過5年的設(shè)計和研究，GE和ATEC公司已經(jīng)驗證了2臺發(fā)動機(jī)，成功完成耐久性和性能試驗。AATE計劃中每臺驗證機(jī)合同經(jīng)費(fèi)為1.09億美元。

AATE計劃是為裝備采辦研制項目提供先進(jìn)技術(shù)儲備的預(yù)研性質(zhì)項目，為取得較好的燃油效率和更大的功重比打下了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。其實(shí)施是為了降低研發(fā)技術(shù)風(fēng)險，為順利進(jìn)入ITEP計劃鋪平道路。在AATE計劃結(jié)束后，驗證發(fā)動機(jī)還不能提供使用，必須進(jìn)入ITEP計劃下的技術(shù)開發(fā)以及工程和制造階段。

在AATE計劃下，HPW3000和GE3000發(fā)動機(jī)的技術(shù)研究情況如下。

（1）HPW3000發(fā)動機(jī)

ATEC在2008年5月收到美國陸軍科學(xué)與技術(shù)階段的合同。HPW3000為2軸發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)，可在有/無輔助動力裝置（APU）下起動，2011年中期，HPW3000發(fā)動機(jī)進(jìn)行了核心機(jī)（僅高壓系統(tǒng)）試驗，2012年1月，完成了燃?xì)獍l(fā)生器（高、低壓系統(tǒng)）試驗。HPW3000發(fā)動機(jī)進(jìn)行了首臺發(fā)動機(jī)持久試驗，第2臺發(fā)動機(jī)進(jìn)行了性能試驗和吞沙試驗。在發(fā)動機(jī)性能試驗過程中收集了每臺發(fā)動機(jī)部件數(shù)據(jù)，如發(fā)動機(jī)對高壓和高溫的響應(yīng)，同時，也測試了功率和燃油效率以保證發(fā)動機(jī)滿足該計劃的目標(biāo)；在吞沙試驗中，利用1臺投沙試驗設(shè)備將沙投入發(fā)動機(jī)中，測試發(fā)動機(jī)的吞沙容忍能力，吞沙試驗并不是科學(xué)和技術(shù)（S&T）階段的典型試驗，但通過試驗可以很好地驗證發(fā)動機(jī)的吞沙性能以降低進(jìn)入ITEP計劃的風(fēng)險。

（2）GE3000發(fā)動機(jī)

GE公司選擇了5個AATE部件進(jìn)行技術(shù)驗證，如渦輪、陶瓷基復(fù)合材料、機(jī)械系統(tǒng)、緊湊型高功率燃燒室和壓氣機(jī)。完成了第2臺GE3000發(fā)動機(jī)的性能評估、持久性和吞沙等試驗。

1.2ITEP計劃與2237 kW渦軸發(fā)動機(jī)型號研制

ITEP計劃即美國陸軍的改進(jìn)渦輪發(fā)動機(jī)計劃，承接AATE計劃，是美國陸軍航空NO.1現(xiàn)代化計劃，目標(biāo)是把預(yù)先研究的先進(jìn)技術(shù)用于型號研制階段，研制和取證1型先進(jìn)的2237 kW渦軸發(fā)動機(jī)，替代UH-60“黑鷹”和AH-64“阿帕奇”直升機(jī)配裝的現(xiàn)役T700-701D渦軸發(fā)動機(jī)，在未來30年或更久的時間內(nèi)保持這些現(xiàn)役直升機(jī)的作戰(zhàn)能力。與現(xiàn)役基準(zhǔn)發(fā)動機(jī)相比，功率提高50%，功重比提高65%、油耗降低25%，生產(chǎn)和維護(hù)成本降低20%～35%，這些目標(biāo)與AATE計劃的一致。此外，ITEP發(fā)動機(jī)要求能在35℃候條件下提高直升機(jī)飛行高度至1829 m以滿足美國陸軍的航程和載人能力提高1倍的新要求，為美國陸軍未來旋翼機(jī)發(fā)動機(jī)的工程發(fā)展奠定驗證技術(shù)基礎(chǔ)。ITEP發(fā)動機(jī)服役時應(yīng)最小程度地修改UH-60和AH-64的機(jī)體，與“黑鷹”和“阿帕奇”直升機(jī)的適配性強(qiáng)。此外，研制的ITEP發(fā)動機(jī)與以往的渦軸發(fā)動機(jī)不同，還應(yīng)具有FAA適航取證的能力。

美國陸軍于2015年9月發(fā)布ITEP發(fā)動機(jī)初步設(shè)計評審的競爭性技術(shù)開發(fā)邀標(biāo)書，要求發(fā)動機(jī)生產(chǎn)商提供設(shè)計方案、技術(shù)數(shù)據(jù)和設(shè)計圖紙，以評審競爭型發(fā)動機(jī)通過整機(jī)試驗和與飛機(jī)集成的飛行試驗的技術(shù)研發(fā)階段之后是否能進(jìn)入到工程和制造發(fā)展（EMD）階段，只有當(dāng)研制的發(fā)動機(jī)達(dá)到里程碑C決策點(diǎn)之后才可以進(jìn)入小批量生產(chǎn)階段。美國陸軍項目邀標(biāo)書中要求2家競爭公司安裝和驗證各自發(fā)動機(jī)的性能、安裝的便捷性以及與飛機(jī)集成性。盡管通過競爭手段來支持多個候選機(jī)型的研發(fā)費(fèi)用很高，但美國陸軍新聞局仍要求保持2家發(fā)動機(jī)公司參與競爭直至進(jìn)入EMD，這樣有助于提升各公司研發(fā)能力、降低美國陸軍的研發(fā)成本和管控風(fēng)險，最終研制出更好的產(chǎn)品。預(yù)計在2017年選出惟一的ITEP發(fā)動機(jī)生產(chǎn)商，2024年進(jìn)入小批量生產(chǎn)階段，2026年開始大批量生產(chǎn)。

GE和ATEC2家公司正在競爭ITEP發(fā)動機(jī)的合同，GE公司的GE3000發(fā)動機(jī)和ATEC聯(lián)合公司的HPW3000發(fā)動機(jī)是ITEP發(fā)動機(jī)的2種候選機(jī)型［5-7］。在ITEP計劃下，HPW3000和GE3000發(fā)動機(jī)的研制情況如下。

（1）HPW3000發(fā)動機(jī)

HPW3000為2軸發(fā)動機(jī)，要求低功率起動以及降低整機(jī)安裝費(fèi)用。該發(fā)動機(jī)允許使用電池起動，陸軍也可選擇無輔助動力裝置（APU）起動。對HPW3000發(fā)動機(jī)進(jìn)行了初始試驗，燃油效率提高了25%。2013年完成首臺整機(jī)上的30 h簡化耐久性試驗和第2臺整機(jī)上的性能和吞沙試驗，以進(jìn)一步驗證發(fā)動機(jī)硬件；2014年完成第2臺發(fā)動機(jī)調(diào)試；截止2015年3月，2臺技術(shù)驗證機(jī)完成性能演示、持久性調(diào)試和吞沙試驗［12-13］。

（2）GE3000發(fā)動機(jī)

GE3000發(fā)動機(jī)為新型基準(zhǔn)型發(fā)動機(jī)，在ITEP計劃下，將采用多項先進(jìn)技術(shù)，如高溫陶瓷基復(fù)合材料（CMC），增材制造零部件以及先進(jìn)的3D氣動設(shè)計，而且也能有/無APU起動以滿足美國陸軍未來直升機(jī)執(zhí)行任務(wù)的卓越性能要求，同時，GE公司致力于在吸取 T700數(shù)百萬小時作戰(zhàn)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，將GE3000發(fā)動機(jī)性能相比T700發(fā)動機(jī)的大幅提升。GE公司每年花費(fèi)約10億美元研發(fā)革命性的新技術(shù)，GE3000發(fā)動機(jī)正是得益于此。GE3000發(fā)動機(jī)進(jìn)行了初始試驗以驗證采用新材料后在沒有增加質(zhì)量的情況下強(qiáng)度得到提高，2013年完成了整機(jī)試驗，這些試驗的成功驗證了GE3000發(fā)動機(jī)技術(shù)的先進(jìn)性［8-11］。

（3）競爭態(tài)勢

盡管GE和ATEC公司在正在研制全新的2237kW渦軸發(fā)動機(jī)過程中，預(yù)算經(jīng)費(fèi)面臨挑戰(zhàn)，但美國陸軍和國會仍會給予ITEP項目很大支持，按計劃為AH-64“阿帕奇”和UH-60“黑鷹”換發(fā)。

目前，美國陸軍ITEP計劃正在單軸和雙軸結(jié)構(gòu)之間開展競爭［14］。GE公司認(rèn)為單軸是最佳方案，其結(jié)構(gòu)更加簡單、質(zhì)量更輕，且技術(shù)更加成熟，雖然在雙軸結(jié)構(gòu)中，發(fā)動機(jī)壓縮部分的某些轉(zhuǎn)動件轉(zhuǎn)速可以更快或更慢以獲得最佳性能效率，但如果要保持原T700發(fā)動機(jī)的安裝尺寸不變，在如此“狹小”的小型渦輪發(fā)動機(jī)上采用雙軸結(jié)構(gòu)并不可取。而ATEC公司認(rèn)為考慮到配裝對象和所需性能，應(yīng)研發(fā)雙軸燃?xì)獍l(fā)生器；ATEC公司在過去數(shù)十年研制了很多配裝固定翼飛機(jī)的雙軸發(fā)動機(jī)產(chǎn)品，具有豐富的研發(fā)經(jīng)驗。

美國陸軍同時授予GE和ATEC2家公司初步設(shè)計合同。在后續(xù)研發(fā)中，2家公司2種結(jié)構(gòu)布局的競爭將會更加激烈，但不管最終結(jié)果如何，2家公司的發(fā)動機(jī)技術(shù)水平因這種良性的競爭會再上1個臺階。

2　新型發(fā)動機(jī)分階段研發(fā)管理分析

2.1美國國防科技的分類分階段管理

航空發(fā)動機(jī)的研究和發(fā)展是指從技術(shù)的概念形成開始，到將采用這些技術(shù)的發(fā)動機(jī)符合其型號規(guī)范要求這一過程中的全部技術(shù)活動。航空發(fā)動機(jī)研發(fā)是1個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及研究和發(fā)展的分類管理和系統(tǒng)壽命周期的分階段管理［15］。

國防科研按美國財政管理規(guī)定分為7類，即基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究、先期技術(shù)開發(fā)、先期部件開發(fā)與技術(shù)樣機(jī)、系統(tǒng)開發(fā)與驗證、科研管理保障和作戰(zhàn)系統(tǒng)開發(fā)［16］，分類的相關(guān)說明見表1。

針對預(yù)研項目風(fēng)險大和項目創(chuàng)新性強(qiáng)的特點(diǎn)，美軍也在尋求管理模式的創(chuàng)新。2009年，美國《武器系統(tǒng)采辦改革法》規(guī)定在項目進(jìn)入型號工程研制階段之前，應(yīng)保持2家或2家以上的承包商進(jìn)行樣機(jī)研制與演示驗證，通過樣機(jī)的競爭以提高技術(shù)成熟度［17］。同時，美軍強(qiáng)化技術(shù)成熟度的審查評估，配備專門部門負(fù)責(zé)關(guān)鍵技術(shù)成熟度和集成風(fēng)險管理。美軍對國防科研的分類分階段管理，反映了美國對復(fù)雜系統(tǒng)研發(fā)風(fēng)險管控的理念，如圖1所示。

圖1　國防科研活動與技術(shù)成熟度（TRL）的關(guān)系

一旦“武器裝備開發(fā)決策”確認(rèn)后，新型航空發(fā)動機(jī)的型號研制工作將按系統(tǒng)全壽命周期分階段研發(fā)管理［18-19］，如圖2所示。

圖2　武器裝備分階段研發(fā)

從上述分類分階段管理介紹可知，美國在航空發(fā)動機(jī)的研發(fā)方面有1套完整的科研管理體系，通過預(yù)先研究先取得技術(shù)突破，經(jīng)裝備開發(fā)決策確認(rèn)后，再按武器裝備全壽命周期管理推出滿足作戰(zhàn)需求的新型裝備，以維持美軍長期以來的作戰(zhàn)能力優(yōu)勢。

2.2新型渦軸發(fā)動機(jī)的分階段研發(fā)分析

AATE/ITEP計劃作為美國國防科研項目，必須按國防條例和指令進(jìn)行研發(fā)管理。由于目前公開發(fā)表的有關(guān)GE3000和HPW3000渦軸發(fā)動機(jī)研發(fā)信息有限，無法直接看到這2個項目研發(fā)情況的全貌，但通過對公開發(fā)表信息的梳理，結(jié)合上述國防科研分階段管理規(guī)定，可以分析出該項目分階段研發(fā)的情況。

關(guān)于T700換代的GE3000和HPW3000渦軸發(fā)動機(jī)分類研發(fā)對照見表2，其進(jìn)展對照見表3并如圖3所示。

3　結(jié)束語

通過對AATE和ITEP計劃下T700發(fā)動機(jī)換代候選發(fā)動機(jī)GE3000和HPW3000研發(fā)過程的分析，可以得出以下結(jié)論：

表2　GE3000和HPW3000發(fā)動機(jī)分類研發(fā)對照

表3　GE3000和HPW3000發(fā)動機(jī)分階段研發(fā)進(jìn)展對照

圖3　GE3000和HPW3000發(fā)動機(jī)分階段研發(fā)進(jìn)展

（1）國防科研的分類管理體現(xiàn)了美國科技創(chuàng)新理念，科學(xué)和技術(shù)類側(cè)重突出技術(shù)先進(jìn)性的原始創(chuàng)新，武器裝備研發(fā)類側(cè)重突出產(chǎn)品競爭力的集成創(chuàng)新。

（2）國防武器裝備研發(fā)的分階段全壽命周期管理反映了美國基于技術(shù)成熟度對復(fù)雜系統(tǒng)研發(fā)有效的風(fēng)險管控理念。

（3）科學(xué)合理且有針對性的預(yù)先研究和型號研制計劃，如AATE計劃和ITEP計劃，是促成新型發(fā)動機(jī)研發(fā)各階段順利過渡的關(guān)鍵。

（4）AATE和ITEP計劃遵循美國國防部分類、分階段的科研管理規(guī)定和條例，在美國陸軍采購策略的指引下，在2種不同技術(shù)特征和結(jié)構(gòu)布局的候選發(fā)動機(jī)機(jī)型GE3000和HPW3000發(fā)動機(jī)之間展開良性競爭，通過全面評估將最終選擇1型發(fā)動機(jī)進(jìn)入工程和制造階段。這種競爭促使參與競標(biāo)的公司盡盡最大努力去實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)技術(shù)和成本的優(yōu)化，以滿足美國陸軍對新型發(fā)動機(jī)的嚴(yán)酷要求，同時驅(qū)動其不斷提升技術(shù)和管理水平，保持持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新動力。

（5）即使對于美國這樣的航空發(fā)動機(jī)強(qiáng)國，全新升級換代航空發(fā)動機(jī)的研發(fā)也并非一蹴而就，必須嚴(yán)格按分類分階段一步一個腳印逐步推進(jìn)，才能最終獲得研發(fā)的成功。

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XIAO Man
（AVIC Aviation Powerplant Research Institute，Zhuzhou 412002，China）

In order to study Research and Development（R&D）strategy and roadmap of new aeroengine，some information about the candidate 2237 kW turboshaft engines（GE3000 and HPW3000）under AATE and ITEP were collected and analyzed according to American Defense Acquisition Policy.The overlook of American new aeroengine R&D was presented.It was shown that classification management of America defense R&D embodied an innovation methodology of balancing development for original innovation and integration innovation，and life cycle management of defense weapon R&D reflected the risk control ideas for the complicated system R&D based on technology maturity.Comparative competition helped the army to get good equipment，urged the competing companies to improve their technology and management level，and drived continuous technology innovation.

AATE；ITEP；GE3000；HPW3000；turboshaft engine；R&D；science and development management

V 37

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.02.019

2015-07-16

肖蔓（1965），女，副研究館員，從事航空科技情報研究工作；E-mail：xiaom60815@163.com。

引用格式：肖蔓.AATE和ITEP計劃下的渦軸發(fā)動機(jī)分階段研發(fā)綜述［J］.航空發(fā)動機(jī)，2016，42（2）：98-102.XIAOMan.Reviewofresearchanddevelopment forturboshaftenginebasedonAATEandITEPprogram［J］.航空發(fā)動機(jī)，2016，42（2）：98-102.