为什么说有了涡轴9,中国军机的“心脏病”终于治好了?

为什么说有了涡轴9,中国军机的“心脏病”终于治好了?

出品| 网易新闻学院

作者|铁甲圣骑士

  你知道这款直升机吗?它可是2015年9.3大阅兵的明星机型——武直-10,是中国首款专用武装直升机。2012年11月,它在珠海航展上公开亮相,随后开始列装。

  直-10能顺利大批量装备部队,幕后最重要的功臣就是——涡轴9,它是直-10的配套动力,是中国期待已久的1000kW级涡轴发动机。涡轴9也是中国首款自主研发的涡轮轴发动机,经历了二十年的研制,各项性能指标达到国际先进水平。它研制成功,也标志着中国成为少数几个具备研发涡轴发动机能力的国家之一。

装备国产涡轴-9发动机的量产型武直-10

马力10000的涡轮轴发动机

  我们都知道风扇,涡轮轴发动机只是将风扇变成了直升机的旋翼。它通过输出轴功率来带动旋翼旋转,使直升机“上天”。

  直升机常用的另一种动力装置叫活塞式发动机,它是利用一个或者多个活塞将压力转换成旋转动能。相比之下,现代涡轮轴发动机的功率比活塞发动机要大得多,最高可达6000马力甚至10000马力,活塞发动则相差很远。

  当前全世界能生产先进大功率涡轴发动机的也只有美、英、俄、法、德、加等国。

  中国有着广阔的国土面积,而且高原、丘陵等复杂地貌占了很大一部分。在这些地形下,无论是执行军事任务还是进行救灾抢险和物资运输,没有比直升机更合适的了。而直升机的核心,就是涡轮轴发动机。

涡轮轴发动机

  在构造上,涡轮轴发动机与涡轮喷气和涡轮风扇发动机一样,也有进气道、压气机、燃烧室和尾喷管等燃气发生器基本构造,但它一般都装有自由涡轮,燃气在其中作功,通过传动轴和减速箱后,驱动螺旋桨旋转产生升力。

涡轮轴发动机的核心——燃气发生器在技术上与其他涡轮发动机都是通用的,而自由涡轮和减速器技术上则是相对独有。没有较高的技术积累和工业水平,造不出一台性能符合现代飞机要求的涡轴发动机。一台功重比在6以上的涡轮轴发动机的设计制造难度,不会低于一台推重比在8以上的涡轮风扇发动机。

涡轮轴发动机结构示意图(图片来源:航空博物馆)

涡轴8:仿制11年最终艰难定型

  众所周知,涡轮发动机一直是困扰中国制造的“心脏病”,中国自主设计制造的飞机、车辆、舰船长期因为国产发动机的落后,而使得总体性能指标一直与国际先进水平有较大差距,同样,涡轮轴发动机也是有着明显差距。在2000年以前,中国没有一款完全属于自己知识产权的涡轮轴发动机,也导致了在武装直升机领域也只能用民用级别的直-9来替代,可以说中国对国产涡轮轴发动机的期待不亚于其他任何一种发动机。

  1981年中国南方航空动力机械公司按透博梅卡(Turbomeca)Arriel 1C系列发动机全套设计、工艺、冶金和检测资料开始生产涡轴8系列发动机。

  涡轴-8系列发动机(图片来源:中国航空发动机集团)

  Arriel 1C涡轴发动机属于70年代研制的产品,它采用了许多当时的新设计、新材料和新工艺。通过两个阶段的生产,涡轴8实现了国产化。

第一阶段是国产与进口串装阶段,这一阶段中国采用国产部件逐步代替进口部件的方式进行组装,组装后在经过法方检验合格的试车台上试车后交付出厂。可以说这一阶段基本掌握了该型发动机的加工、装配和试验技术。

接着第二阶段就是国产阶段,采用国产材料和毛坯生产发动机的零件。在涡轴8的研制过程中一共研制了24种金属材料、64种非金属材料。有了材料还必须能生产出合格的零部件,材料的锻造和铸造工艺也是一道难关。最终60种锻、铸毛坯也通过了设计定型。

  在掌握了这一系列技术后,涡轴8发动机实现了完全的国产化,并完成了两台国产机首飞100小时试验。从立项到下线,已经过去了整整11年,这还是在全套引进资料以及有技术支持的情况下完成的,可见涡轴发动机对于此前基础薄弱的中国来说,难度颇大。而这些工作的完成,对研制中国自己的涡轴发动机打下了坚实的基础。

涡轴9:为高原直升机而生

  在1982年,在科研生产能力无法保障正常装备需求的情况下,中国酝酿引进适用于高原的直升机。对美国贝尔214ST、西科斯基S-70“黑鹰”,以及法国的“超美洲豹”进行了测试试飞后,黑鹰直升机的表现最为出色,而且“黑鹰”在西藏实测时还有近700kg的载重能力,最主要的原因就是配套的发动机性能优异,于是就向西科斯基公司订购了24架黑鹰直升机。

  这批直升机是美军UH-60直升机的民用型,根据中方的要求,配备的发动机是军用涡轴发动机T700-GE-701,最大功率在1200KW左右,而当时美国陆军航空兵自用的黑鹰直升机配备T700-GE-700涡轴发动机功率也只有1100KW左右。

  高原上氧气稀薄,发动机的输出功率受到很大影响,当时国内主要在产的涡轴8发动机560KW的功率实在是难以满足中型运输直升机和武装直升机的需求,高原性能不尽如人意。而且西方对中国进行武器禁运,所以新型的国产大功率涡轴发动机——40#机,也就是涡轴9发动机就此登上了历史舞台。

涡桨-9发动机

因为超重,最终定型的直10与此前曝出的原型机差异很大

  与涡扇10太行发动机类似的是,涡轴9发动机最可能走研制路线就是从总体设计理念上接近T700-GE-701A发动机,而从技术实现的角度则依靠已完全国产化的涡轴8发动机,在控制方面则一步到位采用全权限数字控制系统。这是当时风险最小,所需时间也是最短的途径。

  在直10原型机设计完毕后,重量超出了原来的设计,涡轴9的发动机功率难以满足技战术指标要求,为了保证整个项目的时间节点,只能进口10台PT6C-67B发动机来完成试飞,但仅仅进口这几台发动机是不可能满足批量装备部队的需求,在配套不足的情况下,首次研制专用武装直升机的过程是曲折而艰难的。

  在进口渠道中断后,直-10当时唯一可选的发动机只有纯国产的涡轴9,但涡轴9的功率不可能在短时间内提升,所以直-10只能开始进行大幅减重设计,将原先配备的红外抑制装置拆除,也未配备顶部毫米波雷达,还限制了载弹量。这也就很好理解为什么在互联网上从有直10的设计定型的消息到批量装备部队的消息隔了很长时间,而最终定型的直10与此前曝出的原型机外形上也存在很大差异。

比肩当时欧洲最先进的涡轴发动机首采FADEC技术

  我们比较一下涡轴9与其他三种国外先进涡轮轴发动机的技术指标。

  以90年代的眼光来看,涡轴-9原型机的技术指标与当时欧洲最先进的涡轴发动机MTR390接近,更是所有国产航发中率先采用FADEC(全权限数字控制系统)的发动机,而太行发动机家族中,只有到FWS10B型才开始使用FADEC。

  虽然与代表了国际先进水平的T700-GE-701D相比,涡轴9在功重比和耗油率等性能指标上要落后一些,但涡轴9的表现依然可圈可点,它的出现打破了国外对高性能涡轮发动机的垄断。

  难能可贵的是,作为国内首款自主知识产权的涡轮轴发动机,涡轴9的可靠性和寿命经受住了考验。

武直-10剖视想象图

结语

  2016年8月6日,直10武装直升机正式列装西部战区陆军第13集团军某陆航旅,这标志着我军所有陆航作战部队全部列装这款国产先进攻击型直升机。结束了陆军航空兵长期依赖直-9海豚直升机的改型兼当武装直升机的历史,大大提高了陆军航空兵的航空突击与反装甲能力。新型陆军机动作战立体攻防的战略目标也在逐步成为现实,这背后主要就是涡轴9的功劳,它成为了中国空中骑兵不可或缺的心脏。

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发布于 2017-10-03

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