■ 劉博維 / 中國航發(fā)研究院

2019年2月，美國國防部宣布GE公司的T901渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)贏得陸軍“改進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目”（ITEP）競標(biāo)，用于替換UH-60“黑鷹”武裝直升機(jī)和AH-64“阿帕奇”攻擊直升機(jī)所用的GE公司T700渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)。憑借此型發(fā)動(dòng)機(jī)，GE公司或?qū)椭绹戃娺M(jìn)入旋翼航空的新時(shí)代。

項(xiàng)目背景

訂單量可能會(huì)超過6200臺(tái)。

UH-60“黑鷹”武裝直升機(jī)和AH-64“阿帕奇”攻擊直升機(jī)是美國陸軍的主力裝備。隨著服役年限的增加，越來越多的新裝甲、彈藥和航空電子設(shè)備被添加到機(jī)體中，這些直升機(jī)的質(zhì)量在不斷增加，雖然提供了更高的生存能力和性能，但卻犧牲了有效載荷和機(jī)動(dòng)性。為了盡快提升這兩種直升機(jī)的作戰(zhàn)能力，美國陸軍航空應(yīng)用技術(shù)理事會(huì)從2007年開始發(fā)起“先進(jìn)經(jīng)濟(jì)可承受渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)”（AATE）計(jì)劃（2007—2015年）和“改進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目”（ITEP）（2012—2024年），以盡快實(shí)現(xiàn)直升機(jī)換發(fā)，并為“未來垂直起降飛行器”（FVL）動(dòng)力系統(tǒng)提供技術(shù)儲(chǔ)備。ITEP的目標(biāo)是提供與T700-701D尺寸相同的替代品，功率輸出要從T700的1471kW提高50%至2240kW，耗油率降低25%，功重比提高65%，設(shè)計(jì)壽命提高20%，生產(chǎn)和維修成本均降低35%，且在更高溫度、更高海拔下保持高水平性能。預(yù)計(jì)，ITEP的低速率初始生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)將在2022—2023年下線，2027年達(dá)到全速生產(chǎn)能力，最終的

HPW3000和GE3000的競爭

在AATE計(jì)劃中，并行開展了兩個(gè)演示驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目，一個(gè)是GE公司的GE3000，另一個(gè)是霍尼韋爾與普惠合資的ATEC公司的HPW3000。GE公司和ATEC公司須在預(yù)先研究階段為未來的ITEP發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證，由美國陸軍航空應(yīng)用技術(shù)理事會(huì)對兩種驗(yàn)證機(jī)的初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行評審。ITEP則延續(xù)了這種競爭模式——在美國陸軍采購策略的指引下，在兩種不同技術(shù)特征和結(jié)構(gòu)布局的候選發(fā)動(dòng)機(jī)T901（前身為GE3000驗(yàn)證機(jī)）和T900（前身為HPW3000驗(yàn)證機(jī)）之間展開競爭，通過全面評估，最終選擇一型發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入工程和制造發(fā)展（EMD）階段。這種競爭方式促使參標(biāo)公司竭力實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)的苛刻要求，同時(shí)驅(qū)動(dòng)其自身不斷提升管理和技術(shù)水平，保持持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新動(dòng)力。

2019年2月，GE公司獲得美國陸軍授予的一份總金額為5.17億美元的EMD階段合同。在前期的計(jì)劃實(shí)施中，美軍分別撥款給GE公司1.02億美元和ATEC公司1.54億美元用于制造68臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，通過這些發(fā)動(dòng)機(jī)的對比測試，最終GE公司T901-GE-900發(fā)動(dòng)機(jī)綜合表現(xiàn)更好；ATEC公司雖然沒有得到最后的合同，卻獲得資金進(jìn)行了大量的先進(jìn)技術(shù)研發(fā)和前沿工程經(jīng)驗(yàn)積累。

GE公司按照EMD階段合同規(guī)定，被要求在2024年8月1日前完成T901渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的研制工作，并提供小批量樣機(jī)。在獲得合同的同時(shí)，美國陸軍已從2019財(cái)年的研究、發(fā)展、試驗(yàn)與鑒定（RDT&E）經(jīng)費(fèi)中撥付了1.3億美元用于T901的研制工作。GE公司航空軍事業(yè)務(wù)總裁兼首席執(zhí)行官托尼·馬西斯表示：“我們已經(jīng)投入資源和基礎(chǔ)設(shè)施為研制工作提供保障，將立即開展研制工作，為軍方提供達(dá)到要求的T901?！?/p>

ATEC公司則向美國政府問責(zé)署（GAO）提出申訴請求，認(rèn)為其方案技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)低，且成本低于美陸軍的預(yù)期。ATEC公司表示其雙軸設(shè)計(jì)與GE的單軸設(shè)計(jì)方案相比，功率提升10%，耗油率降低3%～4%。

T901發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

T901發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)劃執(zhí)行董事羅恩·哈特（Ron Hutter）表示，T901在滿足ITEP的性能要求的同時(shí)，保留了T700完整的模塊化設(shè)計(jì)和更高可靠性的單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)， 除了先進(jìn)的設(shè)計(jì)和硬件外，T901還具有最新的模塊化診斷和預(yù)測工具，能夠更加靈活地在最低全生命周期成本下提高美國陸軍的戰(zhàn)備水平。上述特點(diǎn)使得UH-60“黑鷹”和AH-64“阿帕奇”直升機(jī)能夠在海拔更高、更加炎熱的環(huán)境中使用。

單軸設(shè)計(jì)

相比T900發(fā)動(dòng)機(jī)采用的雙軸設(shè)計(jì)，T901發(fā)動(dòng)機(jī)的單軸設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)更加簡單，成本較低、質(zhì)量較輕、可靠性較高、維修性好，但缺點(diǎn)是燃燒效率較低，因此耗油率相對較高。

作為T901發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一，單軸結(jié)構(gòu)意味著壓氣機(jī)和燃?xì)獍l(fā)生器中的所有旋轉(zhuǎn)部件在一個(gè)軸上，并以相同的速度旋轉(zhuǎn)，具有靈活的模塊化結(jié)構(gòu)，拆裝簡單。相比之下，雙軸結(jié)構(gòu)是將壓氣機(jī)分成兩個(gè)獨(dú)立旋轉(zhuǎn)的高、低壓轉(zhuǎn)子，并分別由獨(dú)立的高、低壓渦輪驅(qū)動(dòng)。由于多了一個(gè)軸，所以需要更多的零件，這些都增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量和復(fù)雜性，使得拆卸難度更大，維修成本更高；質(zhì)量的增加會(huì)使直升機(jī)性能降低，有效載荷減少，同時(shí)將這種發(fā)動(dòng)機(jī)整合到飛機(jī)中也會(huì)帶來更大的挑戰(zhàn)。

單元體設(shè)計(jì)

T901發(fā)動(dòng)機(jī)的單軸設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)完全模塊化、部件更少、設(shè)計(jì)更簡單，從而使T901更可靠、更易于維修、維修成本更低。完全單元體設(shè)計(jì)通過對發(fā)動(dòng)機(jī)單元體的逐步改進(jìn)，以較低的成本提高了發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

表1 GE3000和HPW3000發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究進(jìn)展

戰(zhàn)場上的突發(fā)事件時(shí)有發(fā)生，因此快速恢復(fù)戰(zhàn)斗能力至關(guān)重要。T901的單元體設(shè)計(jì)使維修人員能夠在現(xiàn)場拆解，清洗或修理發(fā)動(dòng)機(jī)并重新組裝發(fā)動(dòng)機(jī)，所有這些都只需質(zhì)量較輕的備用單元體便可完成。這意味著T901可以減少對作戰(zhàn)供應(yīng)鏈的依賴，以及減少敵人對后勤保障實(shí)施攻擊的機(jī)會(huì)。

增材制造

GE公司憑借在先進(jìn)渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)（ATP）、LEAP和GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)上積累的增材制造技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，在T901發(fā)動(dòng)機(jī)上也采用了大量的增材制造零部件。這些增材制造零部件質(zhì)量更輕、性能更高、構(gòu)型更復(fù)雜且更加耐用。例如，將T901上裝配在一起的51個(gè)零件打印成一個(gè)部件，質(zhì)量減輕了20%。

陶瓷基復(fù)合材料（CMC）組件

T901發(fā)動(dòng)機(jī)中采用陶瓷基復(fù)合材料（CMC）部件，以提高性能并減輕質(zhì)量。這些部件能夠降低熱端部件對冷卻空氣的需求，從而以不同于增材制造部件的方式提高效率。增材制造組件和陶瓷基復(fù)合材料等創(chuàng)新技術(shù)將有助于T901達(dá)到或超過陸軍的“苛刻的性能要求”。

先進(jìn)冷卻技術(shù)

先進(jìn)冷卻技術(shù)有利于實(shí)現(xiàn)更低的金屬溫度，降低排放，減少T901發(fā)動(dòng)機(jī)維持相同發(fā)動(dòng)機(jī)溫度時(shí)所需的冷卻空氣量，從而輸出更大功率并顯著提高燃油效率，以提高T901的性能。

耐沙技術(shù)

UH-60和AH-64直升機(jī)可能在各種惡劣的戰(zhàn)場條件下飛行，比如沙漠地區(qū)。T901發(fā)動(dòng)機(jī)采用新型進(jìn)口粒子分離器可減少沙石攝入量和總壓損失，減少渦輪機(jī)械部件的磨損，并顯著提高了發(fā)動(dòng)機(jī)在翼使用時(shí)間。T901運(yùn)用的其他耐沙技術(shù)還包括：改進(jìn)防腐蝕技術(shù)、采用堅(jiān)固耐用的壓氣機(jī)和流通能力較強(qiáng)的冷卻孔尺寸。

UH-60和AH-64采用T700和T901的性能對比（高度2743.2m、 溫度35℃）

換發(fā)前后性能對比

T901發(fā)動(dòng)機(jī)相比傳統(tǒng)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：更長的航程以提供更多直升機(jī)戰(zhàn)術(shù)的選擇；更大的有效載荷能夠迅速進(jìn)行大規(guī)模戰(zhàn)斗；更長的留空時(shí)間；增強(qiáng)機(jī)動(dòng)性以提高生存能力；改進(jìn)低空性能，擴(kuò)大飛行員戰(zhàn)術(shù)選擇空間和安全邊際。T901的大規(guī)模運(yùn)用，會(huì)為美軍更遠(yuǎn)期的發(fā)動(dòng)機(jī)提供扎實(shí)的基礎(chǔ)。

T700和T901的外部尺寸對比

安裝T901發(fā)動(dòng)機(jī)后，UH-60直升機(jī)載重量提高150%、航程增加161%；AH-64的留空時(shí)間增加133%、作戰(zhàn)半徑增加115%。最終，UH-60直升機(jī)可多搭載10名士兵和93枚105mm炮彈，而AH-64在作戰(zhàn)空域的滯留時(shí)間可增加79min。

結(jié)束語

過去40年，GE公司通過T700發(fā)動(dòng)機(jī)為UH-60和AH-64提供動(dòng)力，積累了超過1億小時(shí)的飛行經(jīng)驗(yàn)。通過不斷的升級和技術(shù)進(jìn)步，T901發(fā)動(dòng)機(jī)符合所有ITEP要求，零件更少，設(shè)計(jì)更簡單，技術(shù)更可靠。憑借此款發(fā)動(dòng)機(jī)，GE公司或?qū)椭绹戃娺M(jìn)入旋翼航空的新時(shí)代。