中國無人機發展迅速,但渦槳發動機依舊是短板

中國無人機發展迅速，但渦槳發動機依舊是短板

工程師青青 發表於 2018-07-18 15:15:00

中國航空科技正在起飛，令人振奮的新飛機在不斷飛向天空。應該先走一步的航空發動機還沒有取得同樣令人振奮的成就，但也在逐漸看到隧道的盡頭。中國的航發研發重點集中在戰鬥機和運輸機的渦扇，如WS15和CJ1000，直升機的渦軸也有起色，但螺旋槳飛機的渦槳還是重災區。這無疑是現有航發研發的重點所決定的。戰鬥機是國之重器，戰鬥機發動機的研發自然優先。民航客機的成敗最終取決於發動機，這也是中國製造2025的重點之一，也需要優先。直升機是中國航空的短板，直升機發動機的優先等級正在提高。但螺旋槳飛機也需要成為重點，而且原因很多。

噴氣時代的螺旋槳

螺旋槳可由渦槳發動機或者活塞式發動機驅動，渦槳比活塞式的重量輕、功率大、升限高、運轉平穩，活塞式通常只用於小功率場合。相對於噴氣式飛機來說，渦槳飛機速度慢，噪聲大，但省油、起飛著陸距離短，在不少場合具有獨特的優越性。儘管有巴西KC-390、日本C-2、烏克蘭安-72的存在，主流戰術運輸機如C-130、A400M、C-27等依然是渦槳的，正是因為其獨特的優點。

C-130是戰術運輸機中的常青樹，渦槳發動機讓它可以在沙土跑道上降落

渦槳的使用靈活。除了常見的機翼上安裝的雙發、四發，還有機頭安裝的單發。螺旋槳不僅有常見的拉進，還有槳葉在後的推進。

除了軍用運輸機，通用航空也是渦槳的主要市場。中國幅員廣大，地形複雜，通用航空大有可為，但通用航空的發展不僅受到法規、機場的限制，更受到飛機尤其是發動機的限制。在龐大的中國航空工業產品譜系中，並沒有通用航空多少位置，適用的先進渦槳更是稀缺。

隨著無人機的興起，渦槳具有了新的重要性。小型無人機可用活塞式甚至電池驅動，較大的無人機大多採用渦槳，典型的如美國的「捕食者」系列。噴氣式的推力更大，但較費油，而且不適宜低速飛行，特別追求長航時、大航程的察打一體無人機還是渦槳驅動為多。

MQ-9「收割者」

中國由於缺乏合適的中小功率渦槳發動機，被迫使用功率小、性能受限的活塞式發動機，嚴重限制了性能。比如說，「彩虹5」與MQ-9「捕食者」大小和重量相似，「彩虹5」使用渦輪增壓的活塞式發動機，功率只有「捕食者」的加萊特TPE331渦槳的一半，在翼展相似的情況下，有效載荷降低60%，升限從15000米降低到9000米，不僅限制了對地視界和增加巡航阻力，也限制了高原起飛性能，好在續航時間從14小時延長到60小時。

彩虹-5無人機

中國也缺乏先進的大功率渦槳。運-9的渦槳6C的基本設計是蘇聯時代的東西，比C-130J的羅羅AE2100落後很多，嚴重限制了運-9的性能。如果傳說中的運-30也最終成真，更取決於先進渦槳。為了適應更加靈活、分散的部署，中國可能還需要一級類似C-27的雙發輕型運輸機，同樣依賴先進渦槳。運-20解決了大運的有無問題，但用途更加廣泛的中運和輕運不能長期停留在退而求其次的狀態。傳說中的艦載預警機的飛行性能最終可能也取決於先進渦槳，這決定了艦載預警機的起飛重量、升限和留空時間。

在原理上，從適當的渦噴或者渦扇的核心發動機研發渦槳並不是太困難的事，難處在於可靠性和效率。核心發動機的轉速太高，要降低到適合螺旋槳的轉速，需要沉重、複雜、可靠性低的減速齒輪裝置。但加拿大普拉特-惠特尼PT6系列渦槳提供了有用的新思路。

先進螺旋槳的前進方向

PT6系列或許是歷史上最成功的渦槳發動機，到2015年11月已經累計生產51000臺，累計運轉4億小時以上，功率範圍從580馬力到1940馬力。最值得稱道的是可靠性：每65萬飛行小時裡低於1次空中停車。

PT6發動機的3D模型

為了降低對減速齒輪的要求，PT6採用獨特的逆流自由渦輪設計。自由渦輪說白了就是風車。在有風天裡，小直徑風車轉速快，大直徑風車轉速慢，渦槳的自由渦輪也是一樣的道理。當然，風車直徑還要考慮其他因素，比如發動機直徑和葉片受力，一步到位並不現實。但從較低的轉速開始，減速齒輪裝置可以較小、較輕、更加可靠，傳動損耗也低。由於自由渦輪的轉速與發動機轉速脫鉤，自由渦輪渦槳可以用單轉子核心發動機實現雙轉子的效果，或者用雙轉子核心發動機實現三轉子的效果，熱力學效率顯著高於直接驅動、齒輪減速的傳統渦槳。

不過常見的螺旋槳飛機都是拉進的，這意味著PT6的核心發動機的噴氣必須向前，噴氣流吹動風車做功後，再轉個方向，向側後噴出。觀察典型的採用PT-6發動機的飛機(如巴西「巨嘴鳥」或者瑞士PC-9)，不難看到發動機噴口在很靠前的奇怪位置，幾乎緊貼在螺旋槳後，好像兩撇小鬍子一樣。正是因為這個獨特的設計，進氣依然在前方，繞過核心發動機後，從尾後折返向前，進入核心發動機。因此成為逆流設計。

PT6的剖面模型

對於高速飛機來說，進氣、噴氣這麼繞來繞去會造成可觀的動能損失，但PT6主要用於中低速飛機，這個問題不大。進氣在發動機尾轉彎時，動能轉化為壓力，是有利於壓氣機工作的。噴氣的能量在吹動自由渦輪之後，本來就沒有多少動能了，只是排氣而已，所以再轉個彎問題也不大。

有意思的是，由於採用自由渦輪設計，PT6可以很容易地轉型為直升機用的渦軸發動機，原則上只需要在自由渦輪的輸出端加一個傘齒輪，把動力輸出轉90度就可以驅動旋翼了。對於PT6家族來說，PT6A是渦槳，PT6B和C都是渦軸，還有其他型號。

善於倒立的馬戲團演員正過來站著走也沒問題，同樣，PT6也可以用於順流應用場合，螺旋槳改為推進，就像MQ-9「捕食者」或者「彩虹5」那樣。直升機的渦軸發動機也有前輸出和後輸出問題，PT6作為渦軸的時候同樣便於靈活使用。

PT6在世界上得到廣泛應用，在中國也得到應用，運-12、直-8F和AC313都用PT6，如果不是美國作怪，直-10本來用的也是PT6。

AC313直升機

PT6這樣把動輪軸和輸出軸分開還有一個好處：兩根軸都相對較短，受力情況大為改善。發動機的轉軸不僅工作時受熱、受力情況極其嚴峻，停車冷卻時也有獨特的煩惱。卸載冷卻後，較長的轉軸會「鬆弛」下來，產生些微下垂變形。這是正常的，但在啟動時，需要慢慢加熱「張緊」才能增加轉速和出力。普拉特-惠特尼的齒輪減速渦扇(簡稱GTF)正是因為這個問題而推遲交付，致使超過100架空客A320NEO沒有發動機可用，不能交貨。但分成兩段後，受力和受熱情況都極大改善。PT6的啟動是出名地容易。

PT6從1963年投產到現在，儘管在不斷改進中，基本設計已經很老了。這五十多年來，航空發動機技術發展迅速，但很多新技術沒有在PT6體現出來。這也與一波又一波「渦槳過時論」有關，航發公司不願意投資，挑戰PT6。

但渦槳非但沒有過時，還需求旺盛。為此通用電氣借用已經成熟的其他發動機技術，重新打造21世紀的PT6，這就是「先進渦槳」(簡稱ATP)，現在改名「催化劑」，設計功率範圍為850-1600馬力。

ATP的剖面3D圖

ATP裡35%的部件都使用鈦合金增材製造(也稱3D列印)，按照常規製造方法需要用855個部件實現的功能縮減為12個部件，減重12%，對於降低油耗的貢獻達到1%。不過現在還只限於固定部件，如框架、燃燒室器壁、機油泵體、出氣口、軸承座、流道、換熱器等，旋轉部分如葉片和轉軸還是用傳統方法製造的。

壓氣機採用先進的3D流體力學方法設計，採用可調導流葉片(簡稱VSV)，使得壓縮比達到16。可調導流葉片是通用電氣的拿手好戲，解決了發動機喘振和效率問題。ATP還使用兩極空心冷卻單晶渦輪葉片，極大地提高了工作溫度和熱效率。三級反轉自由渦輪則以最高效率和最優轉速驅動輸出軸，並抵消核心發動機的轉動導致的章動效應。全權限數字發動機控制(簡稱FADEC)不僅控制發動機的工作，還控制變距螺旋槳的工作，在發動機和螺旋槳的工作狀態之間實時優化，保證最高效率和最高可靠性。

與PT6相比，ATP的大修間隔從3000小時提高到4000小時，油耗降低20%，巡航功率增加10%。

ATP現在只用於塞斯納「德納利」，這是單發的7-9座小型通用飛機，使用的ATP為1300馬力版。更多應用和更多功率型號只是時間問題，直升機使用的渦軸版也將水到渠成。

ATP的首個用戶：塞斯納「德納利」

對於中國來說，還可以把眼光放遠點，因為渦槳、渦軸的核心發動機與中校推力渦扇可以通用。羅爾斯-羅伊斯AE2100渦槳用於洛克希德C-130J，但共享基本技術的T406用于貝爾-波音V-22，渦扇版AE3007則用於塞斯納「獎狀」公務機、巴西航空ERJ145支線客機和諾思羅普MQ-4C「海王」/RQ-4「全球鷹」大型無人機。這樣的30-40kN級先進渦扇也是中國急需的，特別適用於大型長航時高空無人機。相比之下，中國「翔龍」等採用渦噴7實在是無奈之舉，各種高性能無人作戰飛機、高亞音速巡航飛彈(包括在巡航段使用渦扇推進的反艦飛彈、空地飛彈、反潛飛彈等)、教練機等都可得益於先進渦扇。

中國航發在大舉攻克大推力戰鬥機和高涵道比民用渦扇的同時，不應該忽視中小推力渦輪發動機家族(包括渦槳、渦軸、渦扇)。各種先進技術也可以首先在中小推力發動機上使用，為大推力發動機上的使用鋪路，比如增材製造、FADEC等。

更重要的是，成飛與沈飛的競爭啟動了中國戰鬥機設計空前活躍的時代，中國航發的研發與製造有必要借鑑這樣的模式。如果不在所有領域都保持平行競爭，至少避免「欽定」，鼓勵二線廠所從中小推力發動機入手，積累經驗，在條件成熟的時候涉足大推力發動機。

這遠遠不止是給新興廠所練手的機會，中國對相應推力級的發動機有急切地大量需求。無人機、通用航空、運輸機已經是很大的市場，直升機可能是更大的市場，中國陸海軍的直升機化才上路。小推力渦扇方面，光巡航飛彈就是很大的需求。實際上，按發動機臺數和累計價值來說，這可能是比戰鬥機渦扇、民航機渦扇更大的市場，不能忽視。

中國無人機產業發展迅速，顯然會發展成一個非常龐大的市場

在人們的眼光集中在大推力、高涵道比渦扇的同時，莫忘渦槳(和渦軸、小渦扇)。

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