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        2023年直升機(jī)動力進(jìn)展

        2024-03-10 03:13:12張穩(wěn)中國航空發(fā)動機(jī)研究院
        航空動力 2024年1期
        關(guān)鍵詞:發(fā)動機(jī)

        ■ 張穩(wěn) / 中國航空發(fā)動機(jī)研究院

        2023年,直升機(jī)配裝的傳統(tǒng)渦軸發(fā)動機(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,各型號均處于開發(fā)測試的早期階段,距成熟應(yīng)用尚有差距。

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

        傳統(tǒng)動力

        美國GE公司、法國賽峰集團(tuán)和俄羅斯克里莫夫公司在直升機(jī)動力領(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)動機(jī)研發(fā)能力;渦軸16發(fā)動機(jī)的量產(chǎn)交付,標(biāo)志著我國也已加入了直升機(jī)動力的國際競爭。

        賽峰集團(tuán)和HAL共同開發(fā)新一代直升機(jī)發(fā)動機(jī)

        2023年2月,賽峰集團(tuán)和HAL簽署了一項工作共享協(xié)議,共同開發(fā)用于印度未來13t級多用途直升機(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)動機(jī)的設(shè)計、開發(fā)、生產(chǎn)、銷售和服務(wù)。

        阿赫耶2K發(fā)動機(jī)

        賽峰集團(tuán)阿赫耶2K發(fā)動機(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)動機(jī)后在瑞士莫利斯實現(xiàn)首飛,達(dá)到重要里程碑,該機(jī)計劃于2024年年底獲得認(rèn)證。首次飛行持續(xù)了20min,完成所有測試目標(biāo),包括低空懸停、原地轉(zhuǎn)彎、速度為37km/h的直線和側(cè)向飛行,以及多次著陸和起飛,后續(xù)將進(jìn)行飛行包線擴(kuò)展測試。賽峰集團(tuán)已累計生產(chǎn)15000臺阿赫耶系列發(fā)動機(jī),為各種直升機(jī)提供動力,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)實現(xiàn)首飛,使土耳其成為繼美國、俄羅斯、南非之后世界上第四個獨立研制出重型武裝直升機(jī)的國家。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,首飛時配裝2臺烏克蘭馬達(dá)西奇TV3-117VMA-SBM1V-01T渦軸發(fā)動機(jī),單臺起飛功率為1838kW,巡航額定功率為1287kW。

        俄羅斯持續(xù)推進(jìn)渦軸發(fā)動機(jī)國產(chǎn)替代工作

        2023年5月,克里莫夫公司對外披露,已完成VK-1600V發(fā)動機(jī)的地面試驗,該發(fā)動機(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)動機(jī)的起飛功率為1029kW,2.5min應(yīng)急功率可達(dá)1287kW,與同類產(chǎn)品相比,質(zhì)量減輕了10%,各個功率模式下的耗油率都有所降低。VK-1600V發(fā)動機(jī)未來還可用于無人機(jī)、輕型客機(jī)和地區(qū)性運輸機(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)動機(jī),克里莫夫公司已開始生產(chǎn)VK-650V發(fā)動機(jī),擬用于替換PW207K發(fā)動機(jī)。VK-650V發(fā)動機(jī)使用了數(shù)字化設(shè)計技術(shù)和3D打印的零部件,最大功率為478kW(PW207K發(fā)動機(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)動機(jī)已完成工程測試,所有主要技術(shù)參數(shù)都經(jīng)過試驗確認(rèn),并計劃于2024年開展飛行試驗,預(yù)計2025年獲得型號認(rèn)證并向喀山直升機(jī)廠批量交付。

        VK-650V發(fā)動機(jī)

        T901發(fā)動機(jī)

        GE公司T901發(fā)動機(jī)日趨成熟

        2023年,GE公司新開發(fā)的T901發(fā)動機(jī)取得多項里程碑成果。該發(fā)動機(jī)采用數(shù)字化設(shè)計技術(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)動機(jī),提高了50%的輸出功率(達(dá)到2237kW)和20%的設(shè)計壽命,降低了25%的油耗,從而實現(xiàn)了更低的全生命周期成本。未來,T901發(fā)動機(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)動機(jī)。

        2023年8月,美國陸軍授予西科斯基公司一份800萬美元的合同,用于資助該公司將T901發(fā)動機(jī)整合到UH-60“黑鷹”直升機(jī)機(jī)隊中,開展集成所需的數(shù)據(jù)收集和測試。T901發(fā)動機(jī)具有與T700發(fā)動機(jī)相似的外廓尺寸和相同的安裝接口,可實現(xiàn)原位換裝。換裝后,新發(fā)動機(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項目的競標(biāo)單位貝爾公司和西科斯基公司分別交付了1臺T901發(fā)動機(jī),以支持進(jìn)行競標(biāo)直升機(jī)和發(fā)動機(jī)的集成測試,兩家公司將于2024年開展地面測試和首飛。

        HAL建成新型發(fā)動機(jī)研發(fā)設(shè)施

        2023年12月,HAL航空發(fā)動機(jī)研究與開發(fā)中心(AERDC)舉行了新型發(fā)動機(jī)設(shè)計和測試設(shè)施落成典禮。該設(shè)施占地面積超過10000m2,配有一個用于測試1200kW印度斯坦渦輪軸發(fā)動機(jī)(HTSE)試驗臺。此外,新設(shè)施還將用于測試“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,并建立了對發(fā)動機(jī)部件和外場可更換單元(LRU)進(jìn)行各種關(guān)鍵測試的裝置。

        首批量產(chǎn)渦軸16發(fā)動機(jī)交付用戶

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

        渦軸16發(fā)動機(jī)是我國最新一型嚴(yán)格按照適航規(guī)章研制取證的渦軸發(fā)動機(jī),起飛功率不小于1240kW,質(zhì)量不超過223.5kg,耗油率(最大連續(xù)功率狀態(tài))不大于0.294kg/(kW·h),實用升限6000m,可靠性高、翻修間隔時間長,整體性能達(dá)到國際先進(jìn)水平。渦軸16發(fā)動機(jī)于2019年10月取得型號合格證(TC),2021年3月取得生產(chǎn)許可證(PC),可配裝AC352等7t級雙發(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)動機(jī)開發(fā)混合電推進(jìn)系統(tǒng),是直升機(jī)實現(xiàn)混合電推進(jìn)的主要技術(shù)路徑之一。2023年,美國、法國、俄羅斯等老牌直升機(jī)動力強(qiáng)國均在這一技術(shù)路線上有新的進(jìn)展,將驗證混合電推進(jìn)在直升機(jī)航程和高速飛行方面的技術(shù)優(yōu)勢。

        美國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,美國特種作戰(zhàn)司令部(SOCOM)宣布,SOCOM將與美國國防預(yù)先研究計劃局(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,目前全電或以電動為主的直升機(jī)方案,均不能滿足特種作戰(zhàn)直升機(jī)的長時間懸停等需求,因此在現(xiàn)有基礎(chǔ)上尋求與DARPA合作推動混合電推進(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)動力,可實現(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)開展直升機(jī)混合電推進(jìn)系統(tǒng)測試

        2023年6月,賽峰集團(tuán)對其“節(jié)能模式”(Eco Mode)混合電推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了地面測試,該系統(tǒng)為雙發(fā)直升機(jī)“競速者”(Racer)而設(shè)計。在巡航狀態(tài)下,1臺發(fā)動機(jī)處于待機(jī)狀態(tài),另1臺發(fā)動機(jī)以更節(jié)能的功率狀態(tài)運行,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,智能輔助電動機(jī)會迅速重新起動待機(jī)的發(fā)動機(jī),自動恢復(fù)到雙發(fā)全功率狀態(tài)。

        渦軸16發(fā)動機(jī)

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

        UEC開發(fā)的混合電推進(jìn)系統(tǒng)驗證機(jī)

        空客公司推出新型飛行試驗平臺測試混合電推進(jìn)系統(tǒng)

        2023年9月,空客公司推出了其最新的技術(shù)驗證機(jī)“先鋒實驗室”(Pioneer Lab),用來測試減少直升機(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實驗室”是一型基于H145直升機(jī)開發(fā)的雙發(fā)技術(shù)驗證機(jī),通過使用混合電推進(jìn)系統(tǒng)和直升機(jī)空氣動力學(xué)改裝,其目標(biāo)是比改裝前的H145直升機(jī)減少30%的油耗,為快速測試技術(shù)提供敏捷和高效的測試平臺。

        UEC將開始測試基于渦軸發(fā)動機(jī)的混合電推進(jìn)系統(tǒng)

        2023年8月,俄羅斯聯(lián)合發(fā)動機(jī)制造集團(tuán)(UEC)開始測試基于VK-650V渦軸發(fā)動機(jī)的混合電推進(jìn)系統(tǒng)演示驗證機(jī)。該系統(tǒng)可用于無人機(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VK-650V渦軸發(fā)動機(jī)、2臺電動機(jī)以及自動控制系統(tǒng)(ACS)等組成。

        使用SAF

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

        NH90直升機(jī)使用100% SAF試飛

        2023年2月,法國國防部武器裝備總署(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臺賽峰集團(tuán)RTM322渦軸發(fā)動機(jī),其中1臺發(fā)動機(jī)使用了100% SAF,此次飛行沒有對發(fā)動機(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)、吉凱恩(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。此次飛行試驗中所使用的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,使之無需與傳統(tǒng)化石燃料混合使用。

        結(jié)束語

        傳統(tǒng)渦軸發(fā)動機(jī)還在向著更高功率、更低油耗、更長壽命發(fā)展,說明這一動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)動機(jī)的不斷成熟,再一次為行業(yè)樹立了新的標(biāo)桿,進(jìn)一步確立了其在傳統(tǒng)渦軸發(fā)動機(jī)領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢。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)動力未來的主流形式,SOCOM和DARPA試圖將這一動力形式率先應(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。

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