美國(guó)陸軍希望通過(guò)改進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目（ITEP）、未來(lái)經(jīng)濟(jì)可承受渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)（FATE）和替代概念發(fā)動(dòng)機(jī)（ACE）3個(gè)項(xiàng)目，既實(shí)現(xiàn)為現(xiàn)役的“黑鷹”、“阿帕奇”和“支奴干”直升機(jī)換發(fā)升級(jí)，又可為未來(lái)垂直起降旋翼機(jī)（FVL）做好動(dòng)力技術(shù)儲(chǔ)備。

GE公司研制的GE3000發(fā)動(dòng)機(jī)

為了彌補(bǔ)軍用直升機(jī)在阿富汗和伊拉克作戰(zhàn)中表現(xiàn)出來(lái)的能力不足，并發(fā)展未來(lái)垂直起降旋翼機(jī)（FVL）中不同“能力設(shè)定”型號(hào)所需的發(fā)動(dòng)機(jī)，美國(guó)陸軍安排了改進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目（ITEP）、未來(lái)經(jīng)濟(jì)可承受渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)（FATE）和替代概念發(fā)動(dòng)機(jī)（ACE）等多個(gè)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展計(jì)劃。

FATE發(fā)動(dòng)機(jī)示意圖

從去年開(kāi)始，各項(xiàng)目或計(jì)劃均取得了較大的進(jìn)展。2016年8月，美國(guó)陸軍向普惠與霍尼韋爾合資的先進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)公司（ATEC）和GE公司授予了總價(jià)值2.56億美元的ITEP初步設(shè)計(jì)評(píng)審階段合同；9月，GE公司交付了首臺(tái)用于試驗(yàn)的FATE發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)；10月，陸軍將ACE計(jì)劃下的一項(xiàng)合同授予了ATEC公司。

ATEC公司研制的HPW3000發(fā)動(dòng)機(jī)

ITEP瞄準(zhǔn)現(xiàn)役機(jī)型換發(fā)，并可用于FVL輕型機(jī)

ITEP項(xiàng)目在美國(guó)陸軍各研制計(jì)劃中占據(jù)非常優(yōu)先的位置。2014年，當(dāng)時(shí)的陸軍航空兵航空項(xiàng)目執(zhí)行官表示，在經(jīng)歷了預(yù)算和人力的縮減后，陸軍航空兵最關(guān)心的事情就是“黑鷹”和“阿帕奇”直升機(jī)的換發(fā)項(xiàng)目以及UH-60L直升機(jī)的數(shù)字化座艙升級(jí)。ITEP發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目的近期目標(biāo)即是為“黑鷹”和“阿帕奇”直升機(jī)研制換發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)；遠(yuǎn)期目標(biāo)是為輕型FVL旋翼機(jī)提供動(dòng)力。

需求背景

UH-60“黑鷹”通用直升機(jī)和AH-64“阿帕奇”武裝直升機(jī)是美國(guó)陸軍航空兵裝備體系的主體，在陸軍直升機(jī)機(jī)隊(duì)中約占75%。當(dāng)前，“黑鷹”和“阿帕奇”直升機(jī)都是使用兩臺(tái)GE公司的T700渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)的基本型研制于20世紀(jì)70年代初期，經(jīng)多次改進(jìn)后，性能潛力已經(jīng)挖掘殆盡。“黑鷹”服役初期，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率要求是在約1220m高度和35℃的環(huán)境下，除3名機(jī)組人員外，可搭載11人組成的一個(gè)步兵班進(jìn)行快速部署。

但是在伊拉克和阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)中，飛行高度和使用環(huán)境溫度都已超出了最初的設(shè)計(jì)范圍，如果執(zhí)行把一個(gè)步兵班運(yùn)送到約241km之外的任務(wù)，需要使用兩架“黑鷹”直升機(jī)，還需在中途設(shè)置前沿武備補(bǔ)給和加油點(diǎn)（FARP），進(jìn)行加油和掛載武器，這將需要更多的人員和護(hù)送車隊(duì)進(jìn)行保護(hù)以降低直升機(jī)和所搭載步兵班受到路邊簡(jiǎn)易炸彈的威脅。而為了在一架直升機(jī)中搭載11人步兵班的所有人員和裝備，指揮員通常會(huì)使用CH-47支奴干重型直升機(jī)，但是其目標(biāo)特征較大，容易暴露，并且油耗很高。而使用配備T700發(fā)動(dòng)機(jī)的“阿帕奇”在伊拉克和阿富汗執(zhí)行任務(wù)時(shí)，經(jīng)常因?yàn)橐舫鲎銐虻娜加蛡浞荩荒軘y帶全部武器。T700發(fā)動(dòng)機(jī)在這種環(huán)境下工作時(shí)動(dòng)力不足，嚴(yán)重影響了陸軍作戰(zhàn)能力的發(fā)揮。

此外，ITEP發(fā)動(dòng)機(jī)未來(lái)還計(jì)劃為輕型FVL提供動(dòng)力。2016年4月，美國(guó)陸軍聯(lián)合FVL/ITEP項(xiàng)目辦公室主任表示，目前ITEP項(xiàng)目是以替換“阿帕奇”和“黑鷹”直升機(jī)的T700系列發(fā)動(dòng)機(jī)為主，但未來(lái)也可以為FVL的輕型攻擊/偵察“能力設(shè)定”提供動(dòng)力。

項(xiàng)目歷程

早在2000年時(shí)，美國(guó)陸軍就提出過(guò)“黑鷹”和“阿帕奇”的換發(fā)計(jì)劃，并安排了共用發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目（CEP）。但可能由于技術(shù)方面的原因，CEP項(xiàng)目沒(méi)有真正啟動(dòng)。

2007年，美國(guó)在通用經(jīng)濟(jì)可承受先進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)（VAATE）計(jì)劃下，安排了先進(jìn)經(jīng)濟(jì)可承受的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)（AATE）預(yù)研計(jì)劃，該計(jì)劃是針對(duì)“黑鷹”和“阿帕奇”的換發(fā)型號(hào)而進(jìn)行的預(yù)研項(xiàng)目。ITEP項(xiàng)目是AATE計(jì)劃的延續(xù)，目的是承接后者的預(yù)研工作，把所研究的先進(jìn)技術(shù)推進(jìn)到工程與制造階段，為“黑鷹”和“阿帕奇”換裝全新的2240kW（3000shp）級(jí)別的先進(jìn)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)。

2012年10月，ITEP項(xiàng)目正式啟動(dòng)。同年11月，該項(xiàng)目進(jìn)入了裝備方案分析階段。ITEP項(xiàng)目在2013年年底達(dá)到里程碑A，2015年9月發(fā)布需求征詢書(shū)，使ATEC公司的HPW3000（2017年授予編號(hào)T900）發(fā)動(dòng)機(jī)和GE公司的GE3000（2017年授予編號(hào)T901）發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入競(jìng)爭(zhēng)性的技術(shù)開(kāi)發(fā)階段。2016年8月，陸軍將總價(jià)值2.56億美元的ITEP初步設(shè)計(jì)合同授予ATEC和GE兩家公司，并準(zhǔn)備在2018年進(jìn)行完全初步設(shè)計(jì)評(píng)審。陸軍希望ITEP項(xiàng)目在2019年進(jìn)入工程與制造發(fā)展階段。在這個(gè)階段，陸軍將只選出一型發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行研制、地面試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)，另一型則被淘汰出局。陸軍計(jì)劃在2024年使ITEP發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入服役，2027年達(dá)到全速生產(chǎn)能力。

項(xiàng)目指標(biāo)與技術(shù)

ITEP發(fā)動(dòng)機(jī)功率為2240kW級(jí)，要求在基本保持T700渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸的基礎(chǔ)上，耗油率降低25%、功率提高50%、成本降低35%。

ATEC公司對(duì)其HPW3000發(fā)動(dòng)機(jī)使用的新技術(shù)報(bào)道較少，僅透露其使用雙軸構(gòu)型。GE公司則通過(guò)其網(wǎng)站宣傳了GE3000發(fā)動(dòng)機(jī)使用的先進(jìn)技術(shù)。比如在渦輪部件上應(yīng)用了耐高溫陶瓷基復(fù)合材料（CMC）；燃?xì)獍l(fā)生器為單軸構(gòu)型，這使其維修性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性大幅提高，但單軸構(gòu)型要滿足高性能指標(biāo)，需要在三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)方面取得重大突破。GE公司在GE3000發(fā)動(dòng)機(jī)上使用了在研制其他發(fā)動(dòng)機(jī)中發(fā)展的三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)程序，保證其具有最先進(jìn)的氣動(dòng)構(gòu)型。此外，GE公司在GE3000發(fā)動(dòng)機(jī)上也使用了流行的增材制造部件。上述這些先進(jìn)技術(shù)的使用保證了GE3000發(fā)動(dòng)機(jī)滿足美國(guó)陸軍未來(lái)的全球作戰(zhàn)需求。

FATE瞄準(zhǔn)FVL中型機(jī)，并可用于現(xiàn)役重型直升機(jī)換發(fā)

項(xiàng)目背景和歷程

為了升級(jí)現(xiàn)有的重型直升機(jī)和滿足未來(lái)中型FVL旋翼機(jī)的動(dòng)力需求，美國(guó)陸軍啟動(dòng)了FATE技術(shù)預(yù)研計(jì)劃。FATE計(jì)劃同樣隸屬于VAATE，目的是通過(guò)預(yù)研3675～7350kW的先進(jìn)大功率渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，為研制替代T55渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)打好基礎(chǔ)，提升支奴干等機(jī)型的作戰(zhàn)能力，并為中型FVL的發(fā)動(dòng)機(jī)做好技術(shù)儲(chǔ)備，以便在2025年左右，各大直升機(jī)承包商競(jìng)爭(zhēng)中型FVL旋翼機(jī)項(xiàng)目時(shí)可以使用先進(jìn)的動(dòng)力系統(tǒng)，滿足FVL性能指標(biāo)。

與AATE計(jì)劃的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制不同，F(xiàn)ATE技術(shù)驗(yàn)證機(jī)項(xiàng)目只有一個(gè)承包商。2011年11月，GE公司獲得超過(guò)4500萬(wàn)美元的FATE計(jì)劃合同，期限5年。合同中要求GE公司開(kāi)展一系列臺(tái)架試驗(yàn)，驗(yàn)證從部件到整機(jī)系統(tǒng)的先進(jìn)創(chuàng)新性技術(shù)。

截至2015年，F(xiàn)ATE項(xiàng)目已完成了進(jìn)口粒子分離器、壓氣機(jī)、燃燒室和渦輪部件等關(guān)鍵部件的試驗(yàn)，驗(yàn)證了將要在整機(jī)驗(yàn)證中使用的這些部件的先進(jìn)技術(shù)。2016年9月，GE公司交付了第一臺(tái)用于試驗(yàn)的FATE發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)。FATE計(jì)劃預(yù)計(jì)在今年達(dá)到技術(shù)成熟度6級(jí)，并期望在2020年啟動(dòng)工程研制項(xiàng)目，以便在2025年左右提供先進(jìn)的動(dòng)力系統(tǒng)。

項(xiàng)目指標(biāo)與技術(shù)挑戰(zhàn)

FATE計(jì)劃的目標(biāo)是驗(yàn)證3675～7350kW級(jí)的先進(jìn)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，具體技術(shù)要求是：相比T55發(fā)動(dòng)機(jī)，耗油率降低35%，功重比提高90%，設(shè)計(jì)壽命增加30%，發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)成本降低45%，研制成本降低20%。除了提供更高的功率以提高高溫/高原地區(qū)的有效載荷和性能外，陸軍也關(guān)注通過(guò)降低部分功率的耗油率以延長(zhǎng)航程、增加耐久性和可靠性以降低運(yùn)營(yíng)成本等問(wèn)題。

根據(jù)GE公司的說(shuō)法，F(xiàn)ATE驗(yàn)證機(jī)和GE3000的構(gòu)型完全不同，但是可以通用部分先進(jìn)技術(shù)，比如增材制造零部件等。為了滿足苛刻的要求，F(xiàn)ATE計(jì)劃需要有很大的技術(shù)進(jìn)步。GE公司將把先進(jìn)的氣動(dòng)結(jié)構(gòu)、最新的冷卻結(jié)構(gòu)以及先進(jìn)的材料應(yīng)用于FATE大型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)，以提高未來(lái)重型直升機(jī)的有效載荷，延長(zhǎng)航程，降低使用成本。

FATE計(jì)劃要實(shí)現(xiàn)高性能目標(biāo)，需要增加發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、溫度和壓力，這給渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的力學(xué)部件帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。更高的轉(zhuǎn)速會(huì)導(dǎo)致更大的離心載荷，對(duì)部件的耐久性和損傷容限也是挑戰(zhàn)。另外，密封件、軸承、轉(zhuǎn)子支承系統(tǒng)以及潤(rùn)滑系統(tǒng)需要在保持重量最小、在滿足性能指標(biāo)要求的條件下能夠承受更高的循環(huán)溫度、壓力和速度，這為發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。FATE壓氣機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)演示了GE公司歷史上增壓比最高的單軸壓氣機(jī)；燃燒室試驗(yàn)通過(guò)使用CMC材料降低了冷卻氣流的流量；渦輪臺(tái)架試驗(yàn)演示了最高效率、先進(jìn)氣動(dòng)和優(yōu)化的冷卻方案。在FATE項(xiàng)目中將使用增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)部件的低成本快速生產(chǎn)。

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