美國陸軍希望通過改進渦輪發(fā)動機項目（ITEP）、未來經(jīng)濟可承受渦輪發(fā)動機（FATE）和替代概念發(fā)動機（ACE）3個項目，既實現(xiàn)為現(xiàn)役的“黑鷹”、“阿帕奇”和“支奴干”直升機換發(fā)升級，又可為未來垂直起降旋翼機（FVL）做好動力技術(shù)儲備。

GE公司研制的GE3000發(fā)動機

為了彌補軍用直升機在阿富汗和伊拉克作戰(zhàn)中表現(xiàn)出來的能力不足，并發(fā)展未來垂直起降旋翼機（FVL）中不同“能力設(shè)定”型號所需的發(fā)動機，美國陸軍安排了改進渦輪發(fā)動機項目（ITEP）、未來經(jīng)濟可承受渦輪發(fā)動機（FATE）和替代概念發(fā)動機（ACE）等多個渦軸發(fā)動機發(fā)展計劃。

FATE發(fā)動機示意圖

從去年開始，各項目或計劃均取得了較大的進展。2016年8月，美國陸軍向普惠與霍尼韋爾合資的先進渦輪發(fā)動機公司（ATEC）和GE公司授予了總價值2.56億美元的ITEP初步設(shè)計評審階段合同；9月，GE公司交付了首臺用于試驗的FATE發(fā)動機整機；10月，陸軍將ACE計劃下的一項合同授予了ATEC公司。

ATEC公司研制的HPW3000發(fā)動機

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

ITEP項目在美國陸軍各研制計劃中占據(jù)非常優(yōu)先的位置。2014年，當(dāng)時的陸軍航空兵航空項目執(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”直升機的換發(fā)項目以及UH-60L直升機的數(shù)字化座艙升級。ITEP發(fā)動機項目的近期目標(biāo)即是為“黑鷹”和“阿帕奇”直升機研制換發(fā)發(fā)動機；遠(yuǎn)期目標(biāo)是為輕型FVL旋翼機提供動力。

需求背景

UH-60“黑鷹”通用直升機和AH-64“阿帕奇”武裝直升機是美國陸軍航空兵裝備體系的主體，在陸軍直升機機隊中約占75%。當(dāng)前，“黑鷹”和“阿帕奇”直升機都是使用兩臺GE公司的T700渦軸發(fā)動機，該發(fā)動機的基本型研制于20世紀(jì)70年代初期，經(jīng)多次改進后，性能潛力已經(jīng)挖掘殆盡?！昂邡棥狈鄢跗冢瑢Πl(fā)動機的功率要求是在約1220m高度和35℃的環(huán)境下，除3名機組人員外，可搭載11人組成的一個步兵班進行快速部署。

但是在伊拉克和阿富汗戰(zhàn)爭中，飛行高度和使用環(huán)境溫度都已超出了最初的設(shè)計范圍，如果執(zhí)行把一個步兵班運送到約241km之外的任務(wù)，需要使用兩架“黑鷹”直升機，還需在中途設(shè)置前沿武備補給和加油點（FARP），進行加油和掛載武器，這將需要更多的人員和護送車隊進行保護以降低直升機和所搭載步兵班受到路邊簡易炸彈的威脅。而為了在一架直升機中搭載11人步兵班的所有人員和裝備，指揮員通常會使用CH-47支奴干重型直升機，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)動機的“阿帕奇”在伊拉克和阿富汗執(zhí)行任務(wù)時，經(jīng)常因為要留出足夠的燃油備份，而不能攜帶全部武器。T700發(fā)動機在這種環(huán)境下工作時動力不足，嚴(yán)重影響了陸軍作戰(zhàn)能力的發(fā)揮。

此外，ITEP發(fā)動機未來還計劃為輕型FVL提供動力。2016年4月，美國陸軍聯(lián)合FVL/ITEP項目辦公室主任表示，目前ITEP項目是以替換“阿帕奇”和“黑鷹”直升機的T700系列發(fā)動機為主，但未來也可以為FVL的輕型攻擊/偵察“能力設(shè)定”提供動力。

項目歷程

早在2000年時，美國陸軍就提出過“黑鷹”和“阿帕奇”的換發(fā)計劃，并安排了共用發(fā)動機項目（CEP）。但可能由于技術(shù)方面的原因，CEP項目沒有真正啟動。

2007年，美國在通用經(jīng)濟可承受先進渦輪發(fā)動機（VAATE）計劃下，安排了先進經(jīng)濟可承受的渦輪發(fā)動機（AATE）預(yù)研計劃，該計劃是針對“黑鷹”和“阿帕奇”的換發(fā)型號而進行的預(yù)研項目。ITEP項目是AATE計劃的延續(xù)，目的是承接后者的預(yù)研工作，把所研究的先進技術(shù)推進到工程與制造階段，為“黑鷹”和“阿帕奇”換裝全新的2240kW（3000shp）級別的先進渦軸發(fā)動機。

2012年10月，ITEP項目正式啟動。同年11月，該項目進入了裝備方案分析階段。ITEP項目在2013年年底達到里程碑A，2015年9月發(fā)布需求征詢書，使ATEC公司的HPW3000（2017年授予編號T900）發(fā)動機和GE公司的GE3000（2017年授予編號T901）發(fā)動機進入競爭性的技術(shù)開發(fā)階段。2016年8月，陸軍將總價值2.56億美元的ITEP初步設(shè)計合同授予ATEC和GE兩家公司，并準(zhǔn)備在2018年進行完全初步設(shè)計評審。陸軍希望ITEP項目在2019年進入工程與制造發(fā)展階段。在這個階段，陸軍將只選出一型發(fā)動機進行研制、地面試驗和飛行試驗，另一型則被淘汰出局。陸軍計劃在2024年使ITEP發(fā)動機進入服役，2027年達到全速生產(chǎn)能力。

項目指標(biāo)與技術(shù)

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

ATEC公司對其HPW3000發(fā)動機使用的新技術(shù)報道較少，僅透露其使用雙軸構(gòu)型。GE公司則通過其網(wǎng)站宣傳了GE3000發(fā)動機使用的先進技術(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)，需要在三維氣動設(shè)計方面取得重大突破。GE公司在GE3000發(fā)動機上使用了在研制其他發(fā)動機中發(fā)展的三維氣動設(shè)計程序，保證其具有最先進的氣動構(gòu)型。此外，GE公司在GE3000發(fā)動機上也使用了流行的增材制造部件。上述這些先進技術(shù)的使用保證了GE3000發(fā)動機滿足美國陸軍未來的全球作戰(zhàn)需求。

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

項目背景和歷程

為了升級現(xiàn)有的重型直升機和滿足未來中型FVL旋翼機的動力需求，美國陸軍啟動了FATE技術(shù)預(yù)研計劃。FATE計劃同樣隸屬于VAATE，目的是通過預(yù)研3675～7350kW的先進大功率渦軸發(fā)動機技術(shù)，為研制替代T55渦軸發(fā)動機打好基礎(chǔ)，提升支奴干等機型的作戰(zhàn)能力，并為中型FVL的發(fā)動機做好技術(shù)儲備，以便在2025年左右，各大直升機承包商競爭中型FVL旋翼機項目時可以使用先進的動力系統(tǒng)，滿足FVL性能指標(biāo)。

與AATE計劃的競爭機制不同，F(xiàn)ATE技術(shù)驗證機項目只有一個承包商。2011年11月，GE公司獲得超過4500萬美元的FATE計劃合同，期限5年。合同中要求GE公司開展一系列臺架試驗，驗證從部件到整機系統(tǒng)的先進創(chuàng)新性技術(shù)。

截至2015年，F(xiàn)ATE項目已完成了進口粒子分離器、壓氣機、燃燒室和渦輪部件等關(guān)鍵部件的試驗，驗證了將要在整機驗證中使用的這些部件的先進技術(shù)。2016年9月，GE公司交付了第一臺用于試驗的FATE發(fā)動機整機。FATE計劃預(yù)計在今年達到技術(shù)成熟度6級，并期望在2020年啟動工程研制項目，以便在2025年左右提供先進的動力系統(tǒng)。

項目指標(biāo)與技術(shù)挑戰(zhàn)

FATE計劃的目標(biāo)是驗證3675～7350kW級的先進渦軸發(fā)動機技術(shù)，具體技術(shù)要求是：相比T55發(fā)動機，耗油率降低35%，功重比提高90%，設(shè)計壽命增加30%，發(fā)動機維護成本降低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)注通過降低部分功率的耗油率以延長航程、增加耐久性和可靠性以降低運營成本等問題。

根據(jù)GE公司的說法，F(xiàn)ATE驗證機和GE3000的構(gòu)型完全不同，但是可以通用部分先進技術(shù)，比如增材制造零部件等。為了滿足苛刻的要求，F(xiàn)ATE計劃需要有很大的技術(shù)進步。GE公司將把先進的氣動結(jié)構(gòu)、最新的冷卻結(jié)構(gòu)以及先進的材料應(yīng)用于FATE大型渦軸發(fā)動機的開發(fā)，以提高未來重型直升機的有效載荷，延長航程，降低使用成本。

FATE計劃要實現(xiàn)高性能目標(biāo)，需要增加發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、溫度和壓力，這給渦輪發(fā)動機的力學(xué)部件帶來了很大的挑戰(zhàn)。更高的轉(zhuǎn)速會導(dǎo)致更大的離心載荷，對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)動機的設(shè)計帶來了挑戰(zhàn)。FATE壓氣機臺架試驗演示了GE公司歷史上增壓比最高的單軸壓氣機；燃燒室試驗通過使用CMC材料降低了冷卻氣流的流量；渦輪臺架試驗演示了最高效率、先進氣動和優(yōu)化的冷卻方案。在FATE項目中將使用增材制造技術(shù)實現(xiàn)發(fā)動機部件的低成本快速生產(chǎn)。

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