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美陆军推动军用涡轴发动机技术大幅提升和应用

来源:欧宝体育app下载 作者:欧宝体育下载地址  |  发布时间: 2022-06-06  |   1   次浏览

  通用电气公司的“未来经济可承受涡轮发动机”(FATE)试验用整机示意图。

  CH-47系列重型直升机配装的最新改进型发动机为T55-714A,上图为T55-714A内部结构示意图。

  AH-64系列攻击直升机中的最新型别AH-64E,配装的发动机是T700-701D。

  为了增强现役军用直升机的能力和为“未来垂直起降飞行器”(FVL)提供动力技术储备,美陆军系统性安排了以“改进涡轮发动机项目”(ITEP)、“未来经济可承受涡轮发动机”(FATE)和“替代概念发动机”(ACE)计划(下称“三大计划”)为代表的涡轴发动机研发布局。目前“三大计划”均取得较大进展:2016年8月,美陆军向先进涡轮发动机公司(普惠与霍尼韦尔的合资公司)及通用电气公司,授出总金额2.56亿美元的“改进涡轮发动机项目”初步设计合同;9月,通用电气公司交付了首台“未来经济可承受涡轮发动机”整机用于实验;10月,先进涡轮发动机公司又获得“替代概念发动机”项目合同。

  “三大计划”虽都在实施,但有不同的需求背景、能力要求及性能目标,是旨在满足多样化需求的系统性、层次化科研发展安排。具体而言,ITEP主要瞄准现役主力直升机换发,FATE计划主要瞄准为FVL提供动力装置,而ACE计划则涵盖全面、瞄准尖端技术。

  美陆军航空兵现役主力装备为“黑鹰”战术通用运输直升机和“阿帕奇”武装直升机,两型机占该军种直升机装备总量的75%,均配装通用电气公司的T700发动机。该发动机基本型研制于20世纪70年代初,当时对发动机功率的基本要求是在海拔1219米和35℃环境下,满足“黑鹰”搭载11人步兵班进行快速部署的要求。但在伊拉克和阿富汗战争中,“黑鹰”和“阿帕奇”的飞行高度和使用环境温度都已超出这一范围,所配装的T700发动机虽多次改进,但功率仍显不足,导致“黑鹰”在当地环境下的载重和航程远不能满足作战要求,也导致“阿帕奇”为保持作战半径携带过多燃油,无法携带足够武器。

  为了给两型直升机换发,美陆军先是安排了“先进经济可承受涡轮发动机”(AATE)计划,之后又启动了承接该计划的ITEP,旨在把AATE计划所研发的先进技术推进到“工程与制造发展”阶段,研发出功率2240千瓦级的涡轴发动机,并要求基本保持T700的尺寸、油耗降低25%、功率提高50%、成本降低35%。美陆军将该发动机项目视为优先级最高的项目之一。除了用于“黑鹰”和“阿帕奇”换发,美陆军还考虑将该发动机配装FVL“系统簇”中的轻型机。

  2.FATE瞄准FVL“系统簇”中的中型机,并可能用于现役重型直升机换发。

  该计划将研究3675~7350千瓦级大功率涡轴发动机技术,计划在2025年左右用于FVL“系统簇”中的中型机(也是该“系统簇”中的主要机种)验证机,并可能用于为CH-47“支奴干”重型直升机换发。

  美陆军在该计划中提出的指标是:与CH-47直升机当前配装的T55相比,耗油率降低35%,功重比提高90%,设计寿命增加30%,维护成本降低45%。

  该计划是最新的先进涡轴发动机技术研发计划,目的是为FVL“系统簇”中的各型机及无人机发展等提供动力技术,以满足超高性能指标。该计划将对多项潜在技术路线展开研究,如变速动力涡轮技术和自适应涡轴发动机技术等,提出的指标是:功率范围29~7350千瓦,功重比较现役发动机提高90%,耗油率降低40%,生产和维护成本均降低50%。

  “三大计划”虽并行实施,但在时间上相互衔接,同时兼顾较成熟技术的工程化应用及先进技术的发展,形成滚动发展态势。

  2007年,美陆军启动了“先进经济可承受涡轮发动机”(AATE)计划,先进涡轮发动机公司和通用电气公司在该计划支持下分别发展并试验了HPW3000和GE3000技术验证机,2015年该计划结束。ITEP作为承接AATE技术研究成果的型号发展项目,于2012年10月形成装备发展决策,2013年年底进入技术发展阶段,2015年9月发布初步设计招标书,2016年8月向上述两家公司授出合同。按计划,该项目将在2018年开展初始设计评审,2019年年初选择一型发动机进入工程与制造发展阶段,2024年服役,2027年全速生产。

  先进涡轮发动机公司很少透露其HPW3000验证机所使用的新技术,仅透露验证机采用双轴构型;通用电气公司则披露了GE3000验证机采用的先进技术,如在涡轮部件上应用了陶瓷基复合材料;燃气发生器为单轴构型,结构紧凑,维护性、可靠性和经济性较高;使用了在其他发动机研制中发展的三维气动设计程序,使燃气发生器具有最为先进的气动构型;采用了增材制造部件等。

  该计划于2008年启动,为期8年。通用电气公司持有此计划的合同。2015年该公司完成了发动机关键部件的试验,2016年9月交付了第一台试验用发动机整机,技术成熟度近6级。美陆军希望在2020年启动型号研制,2025年提供产品。

  根据通用电气公司透露的信息,其验证机和GE3000的构型完全不同,但是共用了部分先进技术。为了满足该计划的苛刻要求,技术上需要很大的进步。为此,该公司把先进的气动技术、最新的冷却结构以及先进的材料应用于该发动机,提高了发动机的转速、温度和压比。

  2013年3月,美陆军航空应用技术理事会要求工业界提供一份“替代发动机概念设计和分析”(AECDA)项目的方案,该方案为之后的ACE计划奠定了基础。2016年10月先进涡轮发动机公司获得部分合同。该合同作为ACE项目的一部分,主要包括科学与技术研究工作,并演示验证先进可变转速涡轮能力及其他相关先进技术,同时关注降低发动机和未来旋翼机的全寿命成本。

  按当前安排,ACE计划将2021财年完成全尺寸地面样机验证,使技术成熟度达到6级,为型号研制做好技术储备。

  “改进涡轮发动机项目”将大幅提升现役主力机型的性能和经济性。换装发动机后,“黑鹰”将有能力在1829米高度和35℃的环境下搭载满编的11人步兵班,航程将提高30%,载重增加50%;“阿帕奇”巡逻时间可增长50%,载重增加1500千克。同时,该发动机还可大幅降低油耗和成本,减少任务期间的加油次数,节省宝贵时间来执行作战任务。

  新型发动机将支持FVL满足高速、远程的能力。根据美陆军近期发布的部分详细需求,FVL“系统簇”中的中型机(用于取代“黑鹰”等直升机)的性能要求包括:高温高原环境下的作战半径424~795千米,巡航速度426~574千米/时,较“黑鹰”至少提高146千米(52.6%)和166千米/时(81.4%)。美国贝尔直升机公司在参与FVL“系统簇”中的中型机竞争时,直接展示了该机未来如部署在韩国、冲绳后,作战半径将全面覆盖我辽东半岛、山东半岛、包括上海在内的华东沿海以及华南部分地区,对我方威胁大幅增加。通过及早全面布局先进涡轴发动机技术研发,美陆军将在动力技术方面提前为支持FVL的高速、远程飞行能力做好准备。

  “三大计划”全面兼顾,统筹安排。纵观“三大计划”,可发现美陆军先进涡轴发动机技术研发工作安排全面,继承与发展并举,互有衔接,兼顾了发展先进技术、支持未来装备研制和支持现役装备升级改造的需求,突显出尊重科研规律并立足装备谱系需求、而不只是着眼于某个装备型号发展的思路。

  发动机技术发展领先于未来装备发展,并注重演示验证。计划的安排突显前瞻性,充分体现“动力先行”的原则,提前研判未来旋翼机对动力的需求,并及早开展关键技术研究,重视实施技术演示验证,充分提高技术成熟度。

  注重发动机通用基础技术发展。在计划安排中,对通用基础技术给予了足够的重视,三维气动设计、陶瓷基复合材料、增材制造等通用基础技术在“三大计划”中都有重要的体现。

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