重型直升机及其动力的发展分析

■ 李炎 王旭 / 中国航发动研所 李明 / 中国航发研究院

由于具备垂直起降、空中悬停、载重极大等特点，重型直升机成为关系国防安全、经济发展的战略性装备，是体现国家综合实力的标志之一。

重型直升机一般是指起飞质量大于20t，内载和外吊挂能力大于8t，运输能力超过50人的直升机。作为国之重器，重型直升机在军、民领域发挥了无可替代的作用：军事方面，可遂行武器装备的突击运输，兵力物资的垂直补给以及医疗后送等多种重载、快速、远程投送任务；民用方面，在自然灾害应急救援、大型/超长设备定点运输、海洋/海岛开发等机动任务中不可或缺，如图1所示。

重型直升机现状

受需求、技术等因素的综合影响，当前拥有重型直升机完全自主研制能力的国家只有美国和俄罗斯。相比大型和中小型直升机，重型直升机的批产型号较少，主要有苏联/俄罗斯的米-6、米-10和米-26，美 国 的CH-53A/D（“ 海 种 马 ”）、CH-54（“空中大吊车”）、CH-53E（“超种马”）、CH-47（支奴干）和V-22（“鱼鹰”）等，见表1。

图1 米-26吊运图-134客机机体

表1 世界重型直升机和倾转旋翼机主要参数

图2 世界军用重型直升机种类对比

图3 世界军用重型直升机分布

其中，现役的重型直升机主要包括米-26、CH-47、CH-53系列和倾转旋翼机V-22，虽然是典型的军、民两用产品，但军用的数量远远超过民用。据不完全统计，截至2019年，全球现役军用重型直升机1487架，以美国的CH-47为主（接近总量的3/5），CH-53系列其次（接近总量的1/5），如图2所示。31个国家（地区）装备了军用重型直升机，其中，美国有945架，占总数的64%，日本、德国均为80架，英国、俄罗斯、伊朗分别为54、43、40架，如图3所示。

除现役的之外，在研或即将批产服役的型号主要有两个——美国的CH-53K和俄罗斯的米-26T2。

CH-53K是美国海军陆战队根据提高运输能力的要求，以CH-53E为基础改进改型的新型重型直升机，如图4所示。该机型于21世纪初开始研制，2015年首飞，2018年首架交付，现已接近拥有初始作战能力。该机型最大起飞质量高达39.9t，单点挂钩额定载荷16.3t，双点挂钩最多承载11.4t，能在204km的任务半径内，承担约12t外部载荷，该能力是CH-53E的3倍。美国海军陆战队计划采购200架CH-53K，接近290亿美元，从2020年开始批量交付，将主要部署在8个现役队、2个预备队、2个发展/实操测试中队，以及1个舰队的替换。

米-26T2是米-26的改进升级型，2010年开始研制，2018年首飞，2019年完成初步飞行试验，并进入国家测试，如图5所示。该机型升级了航电系统，对旋翼和传动系统也进行了改进，使其成为一型全天候直升机，能够在复杂的物理、地理和恶劣气候条件的地区执行任务，并能适应火力或信息对抗环境。米-26T2的最大起飞质量为56t，有效载荷为20t，可搭载80名全副武装的伞兵。俄罗斯空军计划采购26架米-26T2，将在2025年前后进入服役。

图4 CH-53K起吊联合轻型战术车

图5 米-26T2V完成初步飞行试验

重型直升机动力现状

当前在役的直升机动力装置主要有4类型号，包括CH-47的T55系列、CH-53D/E的T64系列、V-22的T406和米-26的D-136发动机。即将服役的CH-53K采用了全新的T408发动机，米-26T2采用了D-136的发展型D-136-2发动机。这些重型直升机发动机主要由美国和苏联/乌克兰的几家公司研制，单台起飞功率大约在3000～8000kW，除CH-53E/K外，一般是双发配装，总功率大小直接与飞机载荷相关，见表2。

图6 D-136-2涡轴发动机

T-55系列发动机

T-55是美国莱康明公司（现霍尼韦尔公司）在20世纪五六十年代研制的自由涡轮式单转子涡轴发动机，原型机于1958年首次运转，生产型于1961年开始交付。随着CH-47的质量和载荷要求的不断提升，T55不断改进发展，目前的功率范围约为1700～3600kW，详见表3。

表2 世界在役/即将服役重型直升机用动力装置

表3 T55系列涡轴发动机特点

在2019年，霍尼韦尔公司表示已开发出T55的改进型，在海平面时功率增加20%，在高海拔和炎热地区功率增加近10%，耗油率降低9%，可靠性与维修性大幅提升，综合使用和维修成本降低25%，大修时间间隔增至3000h。2019年，新的改进型仍在开展优化和风险减低试验。

D-136发动机

D-136是苏联伊夫琴科设计局（现乌克兰进步设计局）于20世纪70年代研制的自由涡轮式双转子涡轴发动机，1982年开始批生产，最大应急功率高达8460kW，是迄今功率最大的涡轴发动机。

D-136-2主要针对高温环境和山区地形，基于D-136涡轴发动机和D-436涡扇发动机发展而来，在2012年形成初始能力，采用全权限数字式电子控制（FADEC）系统，尺寸、安装节等与D-136一致，如图6所示。

T64系列发动机

T64是美国GE公司在20世纪50年代后期设计的自由涡轮单转子涡轴发动机。该发动机于1961年首飞，1963年投入使用，此后随着要求的变化而不断改进和升级，功率范围大概为2200～3500kW，详见表4。

表4 T64系列涡轴发动机特点

图7 T406发动机

T406发动机

T406是艾利逊公司（现罗罗北美公司）在20世纪80年代为满足V-22动力需求，在T56涡桨发动机基础上衍生发展的自由涡轮式单转子涡轴发动机，如图7所示。该发动机于1989年首飞，2000年获美国海军陆战队陆上飞行合格证。

T408发动机

T408是GE公司针对CH-53K需求在2006年开始研发的自由涡轮式单转子涡轴发动机，2011年首台交付海军陆战队，2014年被海军授予生产合同。

2019年，在霍尼韦尔公司T55改进型发动机一再推迟交付的情况下，美国陆军一度考虑替换CH-47F的发动机制造商。波音公司、美国陆军和GE公司在CH-47F上测试了T408，如图8所示，以在飞机的第二批次原型升级计划中增加升级发动机的计划。

T408以GE27先进技术验证机、T407涡桨发动机为基础发展而来，融合了新的三维气动设计、冷却方案和先进材料；同时采用了整体叶盘压气机、无螺栓转子、高功率涡轮等，减少了发动机零件数，如图9所示。由于是针对海军陆战队特定作战环境设计，T408还具有出色抗风沙侵蚀和海水腐蚀能力。

未来重型直升机动力发展

随着对军用直升机需求的不断变化、要求的不断提高，涡轴发动机经历了持久的改进改型发展，综合性能提升潜力也逐步降低，因此美国安排了不同功率量级发动机的预研或研制计划。针对重型直升机，美国主要开展了未来经济可承受涡轮发动机（FATE）计划，属于科学与技术类（S&T），旨在开展大功率涡轴发动机先进技术的开发与验证，预计在2020年启动型号验证项目。

FATE计划的背景

图8 CH-47F直升机换装两台T408发动机（短舱由圆转方）

图9 T408相比T64发动机性能提升

图10 FATE发动机概念图

由于作战环境的不断变化，在高温、高原环境下，CH-47运载能力明显不足，严重影响了作战效能，为提高CH-47性能以及为未来垂直起降（FVL）旋翼机动力提供技术储备，美国陆军在2008年启动了FATE计划。2011年，美国陆军发布FATE计划的征询书，GE公司竞争获得价值超过4500万美元的成本共担合同，为期5年，主要验证用于3700～7400kW级涡轴发动机的技术，包括先进气动设计、冷却结构、高性能材料等，如图10所示。

FATE计划的目标

除增加功率、提高高温/高原环境的载荷和性能外，美国陆军还强调扩大航程和续航能力，因此FATE计划对耗油率、功率质量比、寿命、研制成本、生产成本和维修成本等都提出了要求，且目标设置均较为苛刻，如图11所示。其中冷端部件寿命要求不低于15000循环；热端部件寿命不低于7500循环；并且能兼容CH-47，以替换T55发动机。

FATE计划的发展进度

图11 FATE计划目标（2000年技术水平基准）

2013年，GE公司通过FATE验证机的详细设计评审。2014年，GE公司完成FATE发动机进口粒子分离器试验。2015年，完成压气机、燃烧室和涡轮关键部件台架试验，包括在GE公司历史上单轴最高压比的压气机验证；通过广泛使用陶瓷基复合材料（CMC）以减少冷却空气流量的燃烧室验证，CMC头部和火焰筒具备了耐“前所未有”高温的能力且质量减轻；具有领先效率、先进气动设计、优化的冷却特征的涡轮完成验证。2016年，首次开始全尺寸整机技术状态台架试验。2017年，完成所有主要既定目标，发动机运行时间超过40h，运行了近1000个稳态和瞬态数据点。2020年，GE公司将完成所有试验数据分析以及最后评估，并预计将启动型号研制。整个项目过程，大量使用了增材制造技术以加速建设过程和降低研发成本。

FATE计划中的新技术

FATE验证机作为GE公司史上最先进的涡轴发动机，融合了一系列先进技术，包括先进三维气动设计和增材制造技术，采用了新的进气离子分离器、先进控制技术、传感器组件、飞行器高性能和保持所需的算法等。这些先进技术还可在其他发动机项目中应用共享，包括T408、T901等以及T700等发动机升级。

结束语

纵观重型直升机的发展，动力系统是决定其能力的核心，飞机的每次升级换代几乎都依赖动力水平提升作保障。从世界研发能力看，大功率涡轴发动机技术难度大，仍是航空，乃至整个国防领域的尖端科技，目前仅有两个国家能自主研制。在发展大功率涡轴发动机的过程中，既需要改进完善式的继承性发展，也期待厚积薄发式的变革性发展，但具体途径最终还是将由需求决定。