■ 劉曉瑜 索德軍/ 中國航發(fā)動力所

俄羅斯未來軍用運(yùn)輸航空系統(tǒng)（PAK TA）計劃，力圖打造全系列運(yùn)輸機(jī)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(yùn)輸機(jī)及動力，推進(jìn)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(yuǎn)程截?fù)粝到y(tǒng)（PAK DP）及未來艦載航空系統(tǒng)（PAK KA）共同構(gòu)成俄羅斯未來軍用戰(zhàn)略航空體系。PAK TA的目標(biāo)是研制從中型、重型到超重型的全系列軍用運(yùn)輸機(jī)及配套動力，目前已知方案有配裝PD-30和PD-14發(fā)動機(jī)的伊爾-106運(yùn)輸機(jī)、配裝PD-35發(fā)動機(jī)的“大象”運(yùn)輸機(jī)和翼身融合方案。

伊爾-106運(yùn)輸機(jī)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(yùn)輸機(jī)載重在80～120t之間，將在常規(guī)氣動布局和尺寸的基礎(chǔ)上采用現(xiàn)代化的技術(shù)設(shè)計，用以替換伊爾-76運(yùn)輸機(jī)和安-22運(yùn)輸機(jī)，如圖1所示。

老版伊爾-106運(yùn)輸機(jī)計劃配裝推力為78.5～225.6kN的槳扇發(fā)動機(jī)NK-92（后改稱NK-93），但該發(fā)動機(jī)研制也一度停滯。2011年，俄羅斯工業(yè)與貿(mào)易部的相關(guān)批示表明，NK-93發(fā)動機(jī)已無法確保提高運(yùn)輸機(jī)競爭力，繼續(xù)研制是不合理的，但不排除在未來軍民用運(yùn)輸機(jī)動力研制中運(yùn)用其技術(shù)成果。新版伊爾-106運(yùn)輸機(jī)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(jī)PD-30。此外，也有采用雙發(fā)構(gòu)型的設(shè)想，即2臺以PD-14核心機(jī)為基礎(chǔ)衍生的推力為343.4～392.4kN的發(fā)動機(jī)。

PD-30發(fā)動機(jī)

PD-30發(fā)動機(jī)是庫茲涅佐夫設(shè)計局在NK-32發(fā)動機(jī)核心機(jī)基礎(chǔ)上研制的，沿用了NK-32發(fā)動機(jī)的三轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，如圖2所示。主要特點包括：進(jìn)氣道、短艙和反推裝置均采用復(fù)合材料；風(fēng)扇采用帶蜂窩芯的寬弦空心葉片；低壓壓氣機(jī)采用空心葉片，中、高壓壓氣機(jī)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(quán)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(jī)主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 PD-30發(fā)動機(jī)主要性能參數(shù)

圖2 PD-30發(fā)動機(jī)

PD-14發(fā)動機(jī)

PD-14發(fā)動機(jī)由俄羅斯彼爾姆航空發(fā)動機(jī)公司牽頭，聯(lián)合發(fā)動機(jī)制造集團(tuán)（UEC）下屬的多家企業(yè)，俄羅斯中央航空發(fā)動機(jī)研究院（CIAM）等科研院所參與研制。PD-14發(fā)動機(jī)采用雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，內(nèi)外涵道分開排氣，其結(jié)構(gòu)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(rèn)證，2020年12月配裝MC-21客機(jī)成功首飛。據(jù)俄羅斯國家技術(shù)集團(tuán)透露，PD-14發(fā)動機(jī)將于2024年開始批量交付。

圖3 PD-14發(fā)動機(jī)

PD-14發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)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(fù)合材料占比高達(dá)65%[2]；風(fēng)扇為單級，帶有18片合金寬弦空心葉片；低壓壓氣機(jī)為3級；高壓壓氣機(jī)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(dǎo)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(jié)構(gòu)，采用了主動間隙控制技術(shù)；采用了FADEC系統(tǒng)。PD-14發(fā)動機(jī)的主要性能參數(shù)如表2所示。

PD-14發(fā)動機(jī)代號“PD”意為“未來發(fā)動機(jī)”，已發(fā)展了PD-14A、PD-14M、PD-10和PD-18P等改進(jìn)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(yùn)輸機(jī)。彼爾姆航空發(fā)動機(jī)公司以PD-14發(fā)動機(jī)為基礎(chǔ)，規(guī)劃了核心機(jī)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(yùn)輸機(jī)推力要求的改型。

“大象”運(yùn)輸機(jī)及其動力

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

“大象”運(yùn)輸機(jī)計劃配裝4臺大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)PD-35，如圖5所示。2016年，彼爾姆航空發(fā)動機(jī)公司和土星科研生產(chǎn)聯(lián)合體共同開啟PD-35發(fā)動機(jī)項目，計劃研制周期為10年，總投資額達(dá)1800億盧布。原計劃于2024年開始臺架試驗，2025年開始進(jìn)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(jī)公司迫于西方制裁的壓力，宣布將PD-35發(fā)動機(jī)研制周期推遲2年。2023年10月，PD-35發(fā)動機(jī)成功完成首次核心機(jī)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(yīng)力、振動等），試驗結(jié)果超出預(yù)期。

圖5 PD-35發(fā)動機(jī)

PD-35發(fā)動機(jī)采用層流短艙、1級寬弦風(fēng)扇、3級低壓壓氣機(jī)、9級高壓壓氣機(jī)、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(fēng)扇葉片由全俄航空材料研究院（VIAM）研制的復(fù)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(shù)制成，可減輕風(fēng)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(fù)合材料風(fēng)扇葉片[5]，風(fēng)扇機(jī)匣也采用了復(fù)合材料；高壓壓氣機(jī)壓比為23，正在研究高壓壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)向葉片電力驅(qū)動，并提出了兩種方案，一是通過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動實現(xiàn)，二是通過平移運(yùn)動實現(xiàn)，電力驅(qū)動主要用于可調(diào)葉片的機(jī)械定位，使發(fā)動機(jī)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(fù)合材料制造，提高了耐熱能力。此外，發(fā)動機(jī)研制過程中還采用了增材制造、旋轉(zhuǎn)摩擦焊和復(fù)雜異形鑄造等先進(jìn)制造工藝。PD-35發(fā)動機(jī)的主要性能參數(shù)如表3所示。

表3 PD-35發(fā)動機(jī)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(biāo)注的是伊爾-106/埃爾瑪克運(yùn)輸機(jī)[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?，PAK TA并非只有1種運(yùn)輸機(jī)，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(yùn)輸機(jī)，隨后將研發(fā)埃爾瑪克運(yùn)輸機(jī)。

圖6 埃爾瑪克運(yùn)輸機(jī)

俄羅斯軍方提出的性能要求包括可在土質(zhì)跑道起降、設(shè)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(yùn)送到4500km之外。另外，俄羅斯未來還計劃在翼身融合方案基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展，最終實現(xiàn)超聲速飛行，速度最高達(dá)2000km/h，飛行距離可達(dá)7000km，并且能夠?qū)?00t載荷的人員與裝備在7h內(nèi)準(zhǔn)確投送至全球任何地方，超聲速設(shè)計還未正式公布。

在動力選擇上，埃爾瑪克運(yùn)輸機(jī)在機(jī)體背部靠近V形尾翼處安裝1臺背負(fù)式兼具發(fā)電功能的大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)，所產(chǎn)生的電力儲存在進(jìn)氣道前方機(jī)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(jī)翼根部2個巨大空腔內(nèi)的2臺電力驅(qū)動風(fēng)扇，所產(chǎn)生的高速氣流通過機(jī)翼后緣的鋸齒狀噴管流出，產(chǎn)生推力。機(jī)翼后緣還可以通過偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生推力矢量[7]。機(jī)體上方的背負(fù)式進(jìn)氣道與內(nèi)置兩肋風(fēng)扇均能有效地防止地面雷達(dá)探測，減少雷達(dá)截面積（RCS）。再結(jié)合專業(yè)的作戰(zhàn)裝置和機(jī)載設(shè)備，可以幫助飛行員在敵方防空系統(tǒng)近前進(jìn)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(jī)的研究尚處于探索階段，或?qū)⒋矶砹_斯未來運(yùn)輸機(jī)發(fā)展的方向。

動力發(fā)展特點

PAK TA計劃下各型運(yùn)輸機(jī)的動力裝置在延續(xù)蘇聯(lián)時期技術(shù)特點的同時，進(jìn)行了技術(shù)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(yùn)輸機(jī)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(jī)。大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)自20世紀(jì)70年代誕生后，逐漸成為軍用運(yùn)輸機(jī)，尤其是重型運(yùn)輸機(jī)的主流選擇。目前在研的下一代運(yùn)輸機(jī)動力多數(shù)為大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)，如圖7所示。從短期和中期來講，俄羅斯重型運(yùn)輸機(jī)動力仍將以常規(guī)的大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)為主。然而，大涵道比發(fā)動機(jī)也存在一定局限性。通過增大涵道比，提高燃?xì)鉁囟龋岣咴鰤罕群筒捎眯虏牧系葋砀倪M(jìn)大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)也存在極限。未來除了改善發(fā)動機(jī)本身，也要協(xié)同飛機(jī)提高整體的經(jīng)濟(jì)性，如采用多電概念、分布式推進(jìn)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(yùn)輸機(jī)動力發(fā)展

成體系發(fā)展

PAK TA計劃下研制的運(yùn)輸機(jī)覆蓋了從中型、重型到超重型運(yùn)輸機(jī)體系。在運(yùn)輸機(jī)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(jī)，以PD-14核心機(jī)為基礎(chǔ)進(jìn)行全系列衍生發(fā)展，PD-35發(fā)動機(jī)未來改型機(jī)推力有望達(dá)到490.5 kN。PAK TA計劃下可形成完整體系的運(yùn)輸機(jī)動力，全面保障俄羅斯未來運(yùn)輸機(jī)國產(chǎn)化。

軍民融合發(fā)展

大型軍民用運(yùn)輸機(jī)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(yùn)輸機(jī)及動力的發(fā)展歷程。像伊爾-76、安-124等軍用運(yùn)輸機(jī)也在民用運(yùn)輸市場上運(yùn)用，且多型軍用運(yùn)輸機(jī)動力都是在民用動力基礎(chǔ)上改型而來。在下一代運(yùn)輸機(jī)動力發(fā)展中，同樣注重軍民技術(shù)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(wù)。在此形勢下，俄羅斯決定推遲PD-35發(fā)動機(jī)研制，全力支持MC-21、SSJ-100的配套動力PD-14和PD-8發(fā)動機(jī)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(jìn)口替代更加緊迫；其次，PAK TA計劃尚處于預(yù)研階段，PD-35短期市場需求不明確，不能立刻產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益；最后，加快推進(jìn)PD-14發(fā)動機(jī)成熟可為PD-35發(fā)動機(jī)奠定技術(shù)基礎(chǔ)，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(jìn)口替代，促進(jìn)軍民用運(yùn)輸機(jī)及動力的技術(shù)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(yùn)輸機(jī)和動力的全面國產(chǎn)化。軍民用運(yùn)輸機(jī)的結(jié)合也應(yīng)成為未來運(yùn)輸機(jī)發(fā)展要考慮的問題。

結(jié)束語

俄羅斯在PAK TA計劃下以研究常規(guī)布局運(yùn)輸機(jī)方案和大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)為主，同時又面向未來，進(jìn)行非常規(guī)翼身融合方案及電推進(jìn)技術(shù)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(yùn)輸機(jī)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(jì)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(jìn)口替代。通過有效的軍民技術(shù)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(yùn)輸機(jī)及動力的發(fā)展提供技術(shù)和資金支持。發(fā)展下一代重型運(yùn)輸機(jī)和配套動力不僅是為了滿足俄羅斯當(dāng)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(jìn)程，擺脫對外依賴。