■ 張穩(wěn) / 中國航空發(fā)動機研究院

2023年，直升機配裝的傳統(tǒng)渦軸發(fā)動機在軍民領(lǐng)域均有新的進展，幾家行業(yè)巨擘的產(chǎn)品譜系愈發(fā)完善，領(lǐng)先優(yōu)勢不斷擴大；直升機用混合電推進技術(shù)則方興未艾，各型號均處于開發(fā)測試的早期階段，距成熟應用尚有差距。

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

傳統(tǒng)動力

美國GE公司、法國賽峰集團和俄羅斯克里莫夫公司在直升機動力領(lǐng)域持續(xù)深耕，3家公司在2023年又取得了新的進展；印度斯坦航空有限公司（HAL）借由國際合作和基礎(chǔ)設施建設，不斷加強自身渦軸發(fā)動機研發(fā)能力；渦軸16發(fā)動機的量產(chǎn)交付，標志著我國也已加入了直升機動力的國際競爭。

賽峰集團和HAL共同開發(fā)新一代直升機發(fā)動機

2023年2月，賽峰集團和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（IMRH）及其海軍型甲板多用途直升機（DBMRH）的發(fā)動機。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，致力于直升機發(fā)動機的設計、開發(fā)、生產(chǎn)、銷售和服務。

阿赫耶2K發(fā)動機

賽峰集團阿赫耶2K發(fā)動機配裝新直升機首飛

2023年3月，萊昂納多公司的AW09輕型直升機配裝阿赫耶（Arriel）2K發(fā)動機后在瑞士莫利斯實現(xiàn)首飛，達到重要里程碑，該機計劃于2024年年底獲得認證。首次飛行持續(xù)了20min，完成所有測試目標，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)將進行飛行包線擴展測試。賽峰集團已累計生產(chǎn)15000臺阿赫耶系列發(fā)動機，為各種直升機提供動力，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配裝烏克蘭發(fā)動機首飛

2023年4月，土耳其航空航天工業(yè)公司研發(fā)的T929重型武裝直升機原型機實現(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的國家。T929重型武裝直升機總質(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臺烏克蘭馬達西奇TV3-117VMA-SBM1V-01T渦軸發(fā)動機，單臺起飛功率為1838kW，巡航額定功率為1287kW。

俄羅斯持續(xù)推進渦軸發(fā)動機國產(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)動機的地面試驗，該發(fā)動機將于2024年安裝在卡-62直升機上進一步試飛。VK-1600V發(fā)動機的起飛功率為1029kW，2.5min應急功率可達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)動機未來還可用于無人機、輕型客機和地區(qū)性運輸機等。

由于普惠加拿大公司已停止向俄羅斯提供安薩特（Ansat）輕型直升機配裝的PW207K發(fā)動機，克里莫夫公司已開始生產(chǎn)VK-650V發(fā)動機，擬用于替換PW207K發(fā)動機。VK-650V發(fā)動機使用了數(shù)字化設計技術(shù)和3D打印的零部件，最大功率為478kW（PW207K發(fā)動機最大功率為463kW），使用壽命為3000h，并有進一步增加壽命的潛力。目前，該發(fā)動機已完成工程測試，所有主要技術(shù)參數(shù)都經(jīng)過試驗確認，并計劃于2024年開展飛行試驗，預計2025年獲得型號認證并向喀山直升機廠批量交付。

VK-650V發(fā)動機

T901發(fā)動機

GE公司T901發(fā)動機日趨成熟

2023年，GE公司新開發(fā)的T901發(fā)動機取得多項里程碑成果。該發(fā)動機采用數(shù)字化設計技術(shù)，并使用陶瓷基復合材料（CMC）和3D打印零件等，相比于上一代T700發(fā)動機，提高了50%的輸出功率（達到2237kW）和20%的設計壽命，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)動機有望全面替換UH-60“黑鷹”直升機和AH-64“阿帕奇”直升機現(xiàn)裝的T700發(fā)動機。

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)動機整合到UH-60“黑鷹”直升機機隊中，開展集成所需的數(shù)據(jù)收集和測試。T901發(fā)動機具有與T700發(fā)動機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)動機能夠使UH-60“黑鷹”直升機的航程增加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，以支持進行競標直升機和發(fā)動機的集成測試，兩家公司將于2024年開展地面測試和首飛。

HAL建成新型發(fā)動機研發(fā)設施

2023年12月，HAL航空發(fā)動機研究與開發(fā)中心（AERDC）舉行了新型發(fā)動機設計和測試設施落成典禮。該設施占地面積超過10000m2，配有一個用于測試1200kW印度斯坦渦輪軸發(fā)動機（HTSE）試驗臺。此外，新設施還將用于測試“美洲豹”攻擊機的空氣發(fā)生器、輕型戰(zhàn)斗機的燃氣渦輪起動裝置（GTSU）110 M2和127E、印度多用途直升機和先進中型戰(zhàn)斗機的輔助動力裝置、安-32飛機的燃氣渦輪發(fā)電機（GTEG）-60，并建立了對發(fā)動機部件和外場可更換單元（LRU）進行各種關(guān)鍵測試的裝置。

首批量產(chǎn)渦軸16發(fā)動機交付用戶

2023年12月，首批量產(chǎn)渦軸16發(fā)動機交付用戶，標志著中國航發(fā)民用航空發(fā)動機產(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)動機是我國最新一型嚴格按照適航規(guī)章研制取證的渦軸發(fā)動機，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，整體性能達到國際先進水平。渦軸16發(fā)動機于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，廣泛應用于搜索救援、海油作業(yè)、人員運輸、醫(yī)療救護和商務包機等領(lǐng)域。

混合電推進

基于現(xiàn)有渦軸發(fā)動機開發(fā)混合電推進系統(tǒng)，是直升機實現(xiàn)混合電推進的主要技術(shù)路徑之一。2023年，美國、法國、俄羅斯等老牌直升機動力強國均在這一技術(shù)路線上有新的進展，將驗證混合電推進在直升機航程和高速飛行方面的技術(shù)優(yōu)勢。

美國SOCOM將與DARPA聯(lián)合推進混合電推進直升機研發(fā)

2023年4月，美國特種作戰(zhàn)司令部（SOCOM）宣布，SOCOM將與美國國防預先研究計劃局（DARPA）合作，共同推進混合電推進直升機的研發(fā)。SOCOM認為，目前全電或以電動為主的直升機方案，均不能滿足特種作戰(zhàn)直升機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直升機的研發(fā)。SOCOM的初步研究表明，混合電推進相比于傳統(tǒng)動力，可實現(xiàn)直升機性能的跨越式提升，將飛行速度提高25%～100%或者將航程增加25%～75%。

賽峰集團開展直升機混合電推進系統(tǒng)測試

2023年6月，賽峰集團對其“節(jié)能模式”（Eco Mode）混合電推進系統(tǒng)進行了地面測試，該系統(tǒng)為雙發(fā)直升機“競速者”（Racer）而設計。在巡航狀態(tài)下，1臺發(fā)動機處于待機狀態(tài)，另1臺發(fā)動機以更節(jié)能的功率狀態(tài)運行，可減少約15%的燃料消耗，并增加直升機的航程。在著陸或緊急情況下，智能輔助電動機會迅速重新起動待機的發(fā)動機，自動恢復到雙發(fā)全功率狀態(tài)。

渦軸16發(fā)動機

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

UEC開發(fā)的混合電推進系統(tǒng)驗證機

空客公司推出新型飛行試驗平臺測試混合電推進系統(tǒng)

2023年9月，空客公司推出了其最新的技術(shù)驗證機“先鋒實驗室”（Pioneer Lab），用來測試減少直升機排放、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直升機開發(fā)的雙發(fā)技術(shù)驗證機，通過使用混合電推進系統(tǒng)和直升機空氣動力學改裝，其目標是比改裝前的H145直升機減少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)動機的混合電推進系統(tǒng)

2023年8月，俄羅斯聯(lián)合發(fā)動機制造集團（UEC）開始測試基于VK-650V渦軸發(fā)動機的混合電推進系統(tǒng)演示驗證機。該系統(tǒng)可用于無人機、多用途直升機和輕型固定翼飛機，整機功率為500kW，由1臺VK-650V渦軸發(fā)動機、2臺電動機以及自動控制系統(tǒng)（ACS）等組成。

使用SAF

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

NH90直升機使用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。該直升機采用雙發(fā)布局，配裝2臺賽峰集團RTM322渦軸發(fā)動機，其中1臺發(fā)動機使用了100% SAF，此次飛行沒有對發(fā)動機進行任何修改。試飛由賽峰集團、空客公司和道達爾能源公司合作完成，道達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直升機使用100% SAF試飛

2023 年2 月，貝爾公司與賽峰集團、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（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)動機的不斷成熟，再一次為行業(yè)樹立了新的標桿，進一步確立了其在傳統(tǒng)渦軸發(fā)動機領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢。新興混合電推進技術(shù)即使不考慮環(huán)保壓力，在油耗、分布式推進布局等方面也有著更優(yōu)秀的表現(xiàn)，很可能是直升機動力未來的主流形式，SOCOM和DARPA試圖將這一動力形式率先應用于軍事領(lǐng)域，而歐洲的政府機構(gòu)和制造商則更傾向于先在民用飛機上使用，顯示了美歐之間的不同思路。