張征

（中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心，北京 100029）

軍用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展研究

張征

（中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心，北京 100029）

張征（1975），工程師，主要從事航空咨詢研究工作。

回顧了軍用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷程，介紹了幾種典型軍用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的性能特點(diǎn)及各國現(xiàn)役軍用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的裝備情況；分析并提出了軍用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，并通過研究國外典型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究計(jì)劃和新用的先進(jìn)技術(shù)，預(yù)測了軍用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的有關(guān)技術(shù)趨勢。

軍用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)；發(fā)展；關(guān)鍵技術(shù)；預(yù)測

0 引言

相對(duì)于活塞發(fā)動(dòng)機(jī)來說，渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)功重比大、振動(dòng)小、便于維修，且最大截面較小，可以大大提高直升機(jī)的氣動(dòng)力性能。因此，從20世紀(jì)50年代開始，渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)逐步取代活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，成為直升機(jī)的主要?jiǎng)恿ρb置。

當(dāng)今世界各國擁有的各類軍用直升機(jī)數(shù)量總計(jì)約21670架，配套的軍用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)約37102臺(tái)。根據(jù)最新國際航空渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)市場預(yù)測分析，在各國軍用直升機(jī)項(xiàng)目(包括發(fā)動(dòng)機(jī)更換項(xiàng)目)的需求刺激下，未來幾年世界軍用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的市場仍將繼續(xù)增長。國際預(yù)測公司預(yù)測，在2010～2019年，全球?qū)⑸a(chǎn)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)30000多臺(tái)，價(jià)值約170億美元。其中，軍用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目的價(jià)值占80%，約108億美元。

1 軍用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展

1.1 發(fā)展歷程

從20世紀(jì)50代中期開始，渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品和技術(shù)不斷發(fā)展升級(jí)，至今已發(fā)展了4代。

第1代渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)是20世紀(jì)50年代研制，并于60年代開始服役，主要代表機(jī)型有阿都斯特、T53、寧巴斯等發(fā)動(dòng)機(jī)。

第2代渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)是20世紀(jì)60年代研制的，主要代表機(jī)型有T63、阿赫耶C、TV2-117A和T53的改進(jìn)型T53-L-703等發(fā)動(dòng)機(jī)。

第3代渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)于20世紀(jì)70年代設(shè)計(jì)，于80年代投產(chǎn)。主要代表機(jī)型有法國透博梅卡公司研制的TM333、美國GE公司研制的T700-GE-701、俄羅斯克里莫夫設(shè)計(jì)局研制的TV3-117VM等發(fā)動(dòng)機(jī)。與前2代渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)相比，這代渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，通過改進(jìn)氣動(dòng)設(shè)計(jì)和材料，使轉(zhuǎn)動(dòng)部件的循環(huán)數(shù)大大增加；通過采用氣冷渦輪葉片，使渦輪進(jìn)口溫度達(dá)到1100～1300℃；通過簡化結(jié)構(gòu)，減少零部件數(shù)量，使發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和維修性提高；通過采用單元體結(jié)構(gòu)和狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)，可在外場實(shí)施視情維護(hù)；逐步完成從機(jī)械液壓式控制向全權(quán)數(shù)字式電子控制系統(tǒng)的過渡。

第4代渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)于20世紀(jì)80年代末90年代初開始研制，代表機(jī)型有英、法聯(lián)合研制的RTM322，美國的T800，德、法、英聯(lián)合研制的MTR390以及俄羅斯研制的TVD-1500等發(fā)動(dòng)機(jī)。其主要特點(diǎn)是普遍采用全權(quán)數(shù)字式電子控制系統(tǒng)，并采用先進(jìn)的壓氣機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)，增壓比可達(dá)14，耐高溫材料和單晶渦輪轉(zhuǎn)子葉片使渦輪進(jìn)口溫度進(jìn)一步提高，壽命延長和可靠性大大提高。

典型軍用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)見表 1；各國現(xiàn)役軍用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的裝備情況見表2。

表1 典型軍用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)

表2 2010年現(xiàn)役軍用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)裝備情況

1.2 研究計(jì)劃

1.2.1 聯(lián)合渦輪先進(jìn)燃?xì)獍l(fā)生器計(jì)劃

聯(lián)合渦輪先進(jìn)燃?xì)獍l(fā)生器（JTAGG）計(jì)劃是美國IHPTET計(jì)劃的子計(jì)劃，于1987年開始實(shí)施。IHPTET計(jì)劃是為未來渦軸、渦槳、渦噴和渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)提供技術(shù)基礎(chǔ)，驗(yàn)證耗油率（SFC）、功重比（推重比）及可靠性、維修性等得到改進(jìn)的技術(shù)。JTAGG計(jì)劃的經(jīng)費(fèi)來源于工業(yè)部門和政府2方面，每年的總投資約1900萬美元，工業(yè)部門投資約占25%～50%，美國陸軍1990～2005年投入的總經(jīng)費(fèi)超過1億美元。

針對(duì)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，JTAGG計(jì)劃的目標(biāo)是針對(duì)空氣流量為4.5～6.8 kg/s級(jí)別的燃?xì)獍l(fā)生器驗(yàn)證功重比提高120%，SFC降低40%的技術(shù)。

1.2.2 小型重油發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)劃

小型重油發(fā)動(dòng)機(jī)（SHFE）計(jì)劃是VAATE計(jì)劃的1個(gè)組成部分。SHFE計(jì)劃通過利用在VAATE計(jì)劃下取得的部件成果以及其它近期取得的先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)成果，用于先進(jìn)的小型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)研制。整個(gè)SHFE計(jì)劃投資4500萬美元，其中美國政府分4個(gè)財(cái)年共投資2600萬美元。驗(yàn)證項(xiàng)目包括設(shè)計(jì)、制造以及部件和整機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)驗(yàn)證包括性能及耐久性試驗(yàn)以及質(zhì)量驗(yàn)證。

SHFE計(jì)劃通過開發(fā)1臺(tái)522 kW的驗(yàn)證機(jī)，以演示驗(yàn)證可能用于多種軍用和商用飛行器的先進(jìn)小型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。其目標(biāo)是使SFC降低20%，功重比提高50%，生產(chǎn)及維護(hù)成本降低35%，產(chǎn)品開發(fā)成本比2000年發(fā)動(dòng)機(jī)的降低10%。

1.2.3 共用發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目

共用發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目(CEP)目標(biāo)是美國陸軍利用IHPTET計(jì)劃第1、2階段的成果發(fā)展用于UH-60A“黑鷹”和AH-64A“阿帕奇”改進(jìn)型動(dòng)力裝置。

CEP性能目標(biāo)是：相對(duì)于T700發(fā)動(dòng)機(jī)，SFC降低25%～30%，功重比提高60%～80%，采辦及維護(hù)成本至少降低20%，并使直升機(jī)的航程增長60%或者荷重增加70%，同時(shí)削減后勤服務(wù)和維護(hù)承擔(dān)。

CEP于2000年提出，時(shí)間為6年，前3年半為技術(shù)發(fā)展階段，后2年半為工程制造發(fā)展（EMD）階段，投資1.4億美元。然而CEP并沒有真正實(shí)施，ATEC研制的HPW3000發(fā)動(dòng)機(jī)即是CEP的延續(xù)。

1.2.4 先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)可承受的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)劃

先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)可承受的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)（AATE）計(jì)劃是美國陸軍為替代UH-60“黑鷹”和AH-64“阿帕奇”直升機(jī)現(xiàn)有動(dòng)力裝置——T700發(fā)動(dòng)機(jī)而研制的2205 kW級(jí)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展計(jì)劃。

AATE計(jì)劃于2007年開始啟動(dòng)，為期52個(gè)月。美國政府為該計(jì)劃的基本項(xiàng)目投資預(yù)算為3475萬美元，其中2007/2008財(cái)年975萬美元，2009財(cái)年750萬美元，2010財(cái)年850萬美元，2011財(cái)年900萬美元。

AATE計(jì)劃的技術(shù)指標(biāo)是：在T700發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上，將功重比提高65%，SFC降低25%，壽命延長20%，生產(chǎn)成本和維護(hù)成本降低35%，研制成本降低15%。

1.2.5 美國陸軍未來可承受渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)劃

未來可承受渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)（FATE）計(jì)劃是VAATE計(jì)劃的1個(gè)組成部分，是為替換已經(jīng)服役47年之久的T55系列發(fā)動(dòng)機(jī)而研制新型具有競爭力的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展計(jì)劃。FATE計(jì)劃于2008年啟動(dòng)，為期8年。

FATE計(jì)劃的目標(biāo)是采用功率為4470～5215 kW的新型發(fā)動(dòng)機(jī)作為CH-47“支奴干”的發(fā)展型或者后繼旋翼飛機(jī)的動(dòng)力裝置。具體技術(shù)指標(biāo)包括SFC降低35%，維護(hù)成本降低45%，功重比提高90%，同時(shí)研制成本降低20%；發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)壽命不低于6000 h，其中冷端部件壽命不低于15000循環(huán)，熱端部件壽命不低于7500循環(huán)。

2 軍用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

軍用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)大都屬于中小型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，為適應(yīng)不斷發(fā)展的軍用直升機(jī)的動(dòng)力需求，研制中也存在一些自身特有的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 進(jìn)氣防護(hù)系統(tǒng)（粒子分離器）

軍用直升機(jī)經(jīng)常在起落條件惡劣的場地使用，在超低空飛行和懸停時(shí)旋翼容易吸起大量塵土、碎石。這些雜物吸入發(fā)動(dòng)機(jī)輕則腐蝕壓氣機(jī)，造成性能衰減或壓氣機(jī)喘振裕度降低以至提前返修；重則打壞葉片，損壞發(fā)動(dòng)機(jī)，釀成飛行事故。因此，為保證其發(fā)動(dòng)機(jī)安全可靠地工作，必須采用進(jìn)氣凈化裝置。軍用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣防護(hù)可分為2大類：1類是在直升機(jī)進(jìn)氣道上安裝防砂濾，有過濾介質(zhì)式、渦管分離式等多種形式；另1類是在發(fā)動(dòng)機(jī)上裝粒子分離器，有動(dòng)力離心式、整體慣性式等。2類裝置各有優(yōu)缺點(diǎn)，但從分離效果、結(jié)構(gòu)質(zhì)量、發(fā)動(dòng)機(jī)功率損失等諸方面綜合性能來看，整體粒子分離器相對(duì)較好。

現(xiàn)代先進(jìn)的軍用直升機(jī)大多要求渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)自帶進(jìn)氣防塵裝置即整體式進(jìn)氣粒子分離器（IPS）。國外在研和新研的軍用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)大多帶有IPS部件。第4代渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)T800即采用1個(gè)整體的、但可分開的IPS，分離效率很高，在試驗(yàn)臺(tái)上用C級(jí)細(xì)砂試驗(yàn)證明其分離效率高達(dá)97%。對(duì)于軍用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，IPS今后將成為與壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪同等重要的部件之一。

2.2 組合壓氣機(jī)

隨著軍用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)增壓比的不斷提高，壓氣機(jī)的結(jié)構(gòu)形式也由最初的純軸流式轉(zhuǎn)變成目前大量采用的若干級(jí)軸流加1級(jí)離心的組合壓氣機(jī)，如T700發(fā)動(dòng)機(jī)即采用5級(jí)軸流加上l級(jí)離心式壓氣機(jī)。這主要是因?yàn)檩S流壓氣機(jī)級(jí)數(shù)的增加使得壓氣機(jī)后幾級(jí)的“尺寸效應(yīng)”更加顯著，氣流損失增大，氣動(dòng)性能顯著下降，而離心式壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)剛性更好、抗外物能力更強(qiáng)，“尺寸效應(yīng)”對(duì)離心壓氣機(jī)的影響不大，因此采用離心式壓氣機(jī)取代后面的軸流壓氣機(jī)是有利的。也有一些新型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)為了簡化結(jié)構(gòu)、提高壓比，采用多級(jí)離心式壓氣機(jī)，如T800、MTR390等都采用了2級(jí)離心式壓氣機(jī)。

針對(duì)軍用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，要想通過改善壓氣機(jī)提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能，就需要不斷加強(qiáng)對(duì)離心壓氣機(jī)技術(shù)、軸流級(jí)與離心級(jí)間優(yōu)化匹配技術(shù)以及離心級(jí)與離心級(jí)間優(yōu)化匹配技術(shù)的研究。

近年來，國外研究并應(yīng)用了大量先進(jìn)氣動(dòng)設(shè)計(jì)概念，以提高小發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)效率和平均級(jí)壓比，其中一些設(shè)計(jì)思想具有顯著的改善性能的潛力，如彎掠激波轉(zhuǎn)子、大小葉片技術(shù)等。

2.3 回流環(huán)形燃燒室

回流環(huán)形燃燒室是現(xiàn)代軍用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)普遍采用的結(jié)構(gòu)。RTM322、MTR390和T800-LHT-800發(fā)動(dòng)機(jī)均采用了回流環(huán)形燃燒室。RR公司認(rèn)為，目前大多數(shù)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)都采用回流環(huán)形燃燒室，這在幾何上正好與離心壓氣機(jī)相匹配，而且軸承跨度短，并能以最少的軸承機(jī)匣滿足轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)要求。但這種燃燒室還應(yīng)進(jìn)一步改進(jìn)，如研究更有效的冷卻燃燒室壁和使第1級(jí)渦輪導(dǎo)向葉片上的燃?xì)鉁囟确逯底钚〉取?/p>

隨著軍用直升機(jī)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)動(dòng)力性能的要求也在不斷提高，這就需要燃燒室的出口溫度（也即渦輪進(jìn)口溫度）相應(yīng)提高。目前發(fā)動(dòng)機(jī)的熱燃?xì)鉁囟日诮咏鼫u輪材料的耐溫極限點(diǎn)，所以保持溫度均勻的燃燒就尤為重要。這就需要采用具有大調(diào)節(jié)比系數(shù)的新型燃油噴嘴，以獲得燃燒室出口處均勻的周向和徑向溫度分布。而更高的燃燒溫度和更大的高壓熱輻射將使燃燒室火焰筒承受更大的熱載荷。同時(shí)，由于更多的氣流用于燃燒，導(dǎo)致用于冷卻的氣流減少，而且進(jìn)口溫度的升高也降低了冷卻氣流的吸熱能力，而這是傳統(tǒng)火焰筒冷卻技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的，因此迫切需要研究火焰筒高效冷卻技術(shù)和更耐熱的材料。近年來，新型噴嘴和改進(jìn)火焰筒的冷卻的研究已經(jīng)逐漸成為提高渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室性能的研究重點(diǎn)。另外，國外也正在研究多種新的燃燒室結(jié)構(gòu)，如智能型燃燒室、駐渦燃燒室等。

2.4 排氣紅外抑制

發(fā)動(dòng)機(jī)是軍用直升機(jī)的最大紅外輻射源，是紅外導(dǎo)彈的最主要跟蹤目標(biāo)。紅外抑制技術(shù)就是通過降低或改變直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的紅外輻射特征，從而實(shí)現(xiàn)武裝直升機(jī)的低可探測性?？赏ㄟ^改進(jìn)直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用紅外物理原理來衰減、吸收直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的紅外輻射能量，使紅外探測設(shè)備難以探測到直升機(jī)。例如，在尾噴口采用隔熱護(hù)擋板，以遮擋或屏蔽紅外輻射，采用異形尾噴管，改變紅外波長，使紅外探測器失諧；采用噴氣濾波，改變其輻射波長；采用非圓截面的2元噴管，從而濾除90%的紅外輻射。

美國AH-64武裝直升機(jī)上安裝有紅外散熱片、3個(gè)矩形引射器的紅外抑制裝置，采用該抑制裝置后與采用冷卻風(fēng)扇冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)熱源相比，質(zhì)量減少182 kg，垂直爬高速度增加76 m/min，紅外信號(hào)只有無抑制裝置的6%，而排氣熱流紅外信號(hào)為未抑制的10%。

2.5 高速轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)

渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速高達(dá)40000～60000 r/min。這就要求加強(qiáng)高速轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析及試驗(yàn)技術(shù)研究，即針對(duì)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子工作范圍內(nèi)不可避免地存在多階臨界轉(zhuǎn)速的特點(diǎn)，研究并選擇最佳的支承剛度及阻尼系數(shù)，采用新的減振措施，研究小剛度細(xì)長轉(zhuǎn)子特有的高速甚至全速動(dòng)平衡技術(shù)。

RTM322發(fā)動(dòng)機(jī)采用葉片和盤一體的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子、雙層壁機(jī)匣、靠近工作葉片的機(jī)匣內(nèi)壁涂可磨涂層、減小軸系振幅等方法來降低轉(zhuǎn)子振幅，使其在整個(gè)工作范圍內(nèi)徑向間隙變化小。

3 軍用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢

對(duì)于軍用直升機(jī)而言，大力提高生存性和作戰(zhàn)效能，是其追求的最高目標(biāo)。軍用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)未來的發(fā)展也將圍繞這個(gè)核心目標(biāo)，朝著提高功重比、改善維護(hù)性和可靠性、降低使用成本的方向發(fā)展。

新一代渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的壓比將達(dá)到20～25，渦輪進(jìn)口溫度達(dá)到1327～1627℃，功重比將提高到12，SFC降至0.2kg/kw·h，發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)可承受性提高數(shù)倍。

新材料和新工藝的采用，將使下一代渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量更輕，工作更可靠。壓氣機(jī)按3維法設(shè)計(jì)葉片，采用變流量壓氣機(jī)、離心壓氣機(jī)變幾何擴(kuò)壓器、3維黏性計(jì)算方法計(jì)算離心壓氣機(jī)內(nèi)部流場等，有效地提高效率、擴(kuò)大喘振邊界。燃燒室所采用先進(jìn)的冷卻技術(shù)、在火焰筒上等離子噴涂陶瓷，以提高火焰筒耐高溫能力；采用先進(jìn)燃油噴嘴，減少燃燒室積碳與冒煙。渦輪采用先進(jìn)的材料和冷卻方案、先進(jìn)精鑄/鍛造技術(shù)、主動(dòng)間隙控制技術(shù)以及3維氣動(dòng)計(jì)算，以設(shè)計(jì)并制造出先進(jìn)的小型徑向渦輪葉片?？刂葡到y(tǒng)從氣動(dòng)和液壓式、模擬電子機(jī)械液壓混合式燃油調(diào)節(jié)器過渡到全權(quán)數(shù)字式電子控制系統(tǒng)，同時(shí)采用光電敏感元件、高溫電子設(shè)備和靈活的控制邏輯。

在新的作戰(zhàn)環(huán)境下，對(duì)直升機(jī)有不斷增大前飛速度的要求。為此，下一代渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)還可能采用變循環(huán)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)或可轉(zhuǎn)換的渦軸/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。

4 結(jié)束語

隨著現(xiàn)代局部戰(zhàn)爭對(duì)軍用直升機(jī)需求的不斷加大,軍用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)市場未來幾年依然呈上升趨勢。同時(shí)，為了適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭戰(zhàn)場環(huán)境,滿足部隊(duì)機(jī)動(dòng)靈活、快速反應(yīng)的作戰(zhàn)要求，現(xiàn)代軍用直升機(jī)尤其是在沙漠和高原等一些環(huán)境惡劣地帶使用的直升機(jī)，對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的性能、適用性、可靠性、維修性等也提出了更高要求。追求性能更好、可靠性更高、壽命更長、使用和維護(hù)成本更低是新型軍用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的必然趨勢。

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Development of Military Turboshaft Engine

ZHANG Zheng
（AVIC Aviation Industries Development Research Center of China,Beijing 100029,China）

The development of military turboshaft was reviewed.The performances of several typical engines and the equipment of the active service military turbo shaft engine were introduced.The key technologies of military turboshaft were analyzed and introduced. Based on the foreign typical advanced program and advanced technologies about turboshaft engine,the technology trend of military turboshaft engine was forcasted.

military turboshaft engine;development;key technology;forecast

2011-05-11