AATE和ITEP計劃下的渦軸發動機分階段研發綜述

肖蔓

（中航工業航空動力機械研究所，湖南株洲412002）

AATE和ITEP計劃下的渦軸發動機分階段研發綜述

肖蔓

（中航工業航空動力機械研究所，湖南株洲412002）

為了探索新型航空發動機研制規律，通過收集整理美國A A TE和ITEP兩項計劃中的2237 kW渦軸發動機G E3000和H PW 3000研發的一些公開信息，結合美國國防科技的分類分階段管理，再現了美國新型發動機階段化研發的全貌。指出美國國防科研的分類管理體現了原始創新和集成創新均衡發展的科技創新理念，國防武器裝備研發的分階段全壽命周期管理反映了基于技術成熟度對復雜系統研發有效的風險管控理念，實力相當的競爭在幫助軍方獲得最優裝備的同時，也促使參與競標的公司不斷提升自身的技術和管理水平，推動了持續的技術創新。

A A TE；ITEP；G E3000；H PW 3000；渦軸發動機；研發；科研管理

0　引言

美國GE公司和先進渦輪發動機公司（ATEC，霍尼韋爾和普惠的合資公司）目前正在通過先進經濟可承受渦輪發動機（AATE）計劃和改進渦輪發動機（ITEP）計劃競爭研制新型2237kW渦軸發動機，以替換UH-60“黑鷹”和AH-64“阿帕奇”直升機配裝的現役T700渦軸發動機。

本文通過收集整理美國正在競標研發的候選渦軸發動機GE3000和HPW3000的一些公開發表的信息，結合美國國防科技的分類分階段科研管理，力圖顯性化描述新型發動機階段化研發的全貌，以有助于認識航空發動機研發規律。

1　AATE和ITEP計劃

1.1AATE計劃與2237kW渦軸發動機

美軍“黑鷹”和“阿帕奇”直升機在伊拉克和阿富汗戰爭中顯示出作戰能力的不足，但其配裝的T700發動機繼續提升性能的潛力有限，需要研制全新的動力系統。因此，美國航空應用技術理事會于2007年啟動了先進經濟可承受渦輪發動機（AATE）計劃，該計劃為通用經濟可承受先進渦輪發動機（VAATE）計劃的一部分，其目標是研發1型尺寸與T700發動機相同，質量為204 kg的2237kW發動機，在保持T700發動機質量和良好的可靠性、可維護性、耐久性與可生產性的基礎上將油耗降低25%、功率提高50%（達到2237 kW級別）、功重比提高65%、壽命延長20%以及成本降低35%［1-4］。

AATE計劃屬于技術基礎計劃，旨在驗證技術是否成熟以及原始設備制造商（OEMs）是否能設計1款無論是在尺寸、質量和體積方面都能夠達到要求的2237kW發動機，確保以較低的技術風險進入后續ITEP計劃。AATE計劃包括2個演示驗證發動機項目：ATEC的HPW3000和GE公司的GE3000。GE和ATEC公司必須在科學和技術（S&T）階段為未來的ITEP發動機進行AATE技術驗證，美國陸軍航空應用技術理事會完成了對以上2種驗證發動機的初步設計、詳細設計和關鍵技術評審，經過5年的設計和研究，GE和ATEC公司已經驗證了2臺發動機，成功完成耐久性和性能試驗。AATE計劃中每臺驗證機合同經費為1.09億美元。

AATE計劃是為裝備采辦研制項目提供先進技術儲備的預研性質項目，為取得較好的燃油效率和更大的功重比打下了良好的技術基礎。其實施是為了降低研發技術風險，為順利進入ITEP計劃鋪平道路。在AATE計劃結束后，驗證發動機還不能提供使用，必須進入ITEP計劃下的技術開發以及工程和制造階段。

在AATE計劃下，HPW3000和GE3000發動機的技術研究情況如下。

（1）HPW3000發動機

ATEC在2008年5月收到美國陸軍科學與技術階段的合同。HPW3000為2軸發動機結構，可在有/無輔助動力裝置（APU）下起動，2011年中期，HPW3000發動機進行了核心機（僅高壓系統）試驗，2012年1月，完成了燃氣發生器（高、低壓系統）試驗。HPW3000發動機進行了首臺發動機持久試驗，第2臺發動機進行了性能試驗和吞沙試驗。在發動機性能試驗過程中收集了每臺發動機部件數據，如發動機對高壓和高溫的響應，同時，也測試了功率和燃油效率以保證發動機滿足該計劃的目標；在吞沙試驗中，利用1臺投沙試驗設備將沙投入發動機中，測試發動機的吞沙容忍能力，吞沙試驗并不是科學和技術（S&T）階段的典型試驗，但通過試驗可以很好地驗證發動機的吞沙性能以降低進入ITEP計劃的風險。

（2）GE3000發動機

GE公司選擇了5個AATE部件進行技術驗證，如渦輪、陶瓷基復合材料、機械系統、緊湊型高功率燃燒室和壓氣機。完成了第2臺GE3000發動機的性能評估、持久性和吞沙等試驗。

1.2ITEP計劃與2237 kW渦軸發動機型號研制

ITEP計劃即美國陸軍的改進渦輪發動機計劃，承接AATE計劃，是美國陸軍航空NO.1現代化計劃，目標是把預先研究的先進技術用于型號研制階段，研制和取證1型先進的2237 kW渦軸發動機，替代UH-60“黑鷹”和AH-64“阿帕奇”直升機配裝的現役T700-701D渦軸發動機，在未來30年或更久的時間內保持這些現役直升機的作戰能力。與現役基準發動機相比，功率提高50%，功重比提高65%、油耗降低25%，生產和維護成本降低20%～35%，這些目標與AATE計劃的一致。此外，ITEP發動機要求能在35℃候條件下提高直升機飛行高度至1829 m以滿足美國陸軍的航程和載人能力提高1倍的新要求，為美國陸軍未來旋翼機發動機的工程發展奠定驗證技術基礎。ITEP發動機服役時應最小程度地修改UH-60和AH-64的機體，與“黑鷹”和“阿帕奇”直升機的適配性強。此外，研制的ITEP發動機與以往的渦軸發動機不同，還應具有FAA適航取證的能力。

美國陸軍于2015年9月發布ITEP發動機初步設計評審的競爭性技術開發邀標書，要求發動機生產商提供設計方案、技術數據和設計圖紙，以評審競爭型發動機通過整機試驗和與飛機集成的飛行試驗的技術研發階段之后是否能進入到工程和制造發展（EMD）階段，只有當研制的發動機達到里程碑C決策點之后才可以進入小批量生產階段。美國陸軍項目邀標書中要求2家競爭公司安裝和驗證各自發動機的性能、安裝的便捷性以及與飛機集成性。盡管通過競爭手段來支持多個候選機型的研發費用很高，但美國陸軍新聞局仍要求保持2家發動機公司參與競爭直至進入EMD，這樣有助于提升各公司研發能力、降低美國陸軍的研發成本和管控風險，最終研制出更好的產品。預計在2017年選出惟一的ITEP發動機生產商，2024年進入小批量生產階段，2026年開始大批量生產。

GE和ATEC2家公司正在競爭ITEP發動機的合同，GE公司的GE3000發動機和ATEC聯合公司的HPW3000發動機是ITEP發動機的2種候選機型［5-7］。在ITEP計劃下，HPW3000和GE3000發動機的研制情況如下。

（1）HPW3000發動機

HPW3000為2軸發動機，要求低功率起動以及降低整機安裝費用。該發動機允許使用電池起動，陸軍也可選擇無輔助動力裝置（APU）起動。對HPW3000發動機進行了初始試驗，燃油效率提高了25%。2013年完成首臺整機上的30 h簡化耐久性試驗和第2臺整機上的性能和吞沙試驗，以進一步驗證發動機硬件；2014年完成第2臺發動機調試；截止2015年3月，2臺技術驗證機完成性能演示、持久性調試和吞沙試驗［12-13］。

（2）GE3000發動機

GE3000發動機為新型基準型發動機，在ITEP計劃下，將采用多項先進技術，如高溫陶瓷基復合材料（CMC），增材制造零部件以及先進的3D氣動設計，而且也能有/無APU起動以滿足美國陸軍未來直升機執行任務的卓越性能要求，同時，GE公司致力于在吸取 T700數百萬小時作戰經驗的基礎上，將GE3000發動機性能相比T700發動機的大幅提升。GE公司每年花費約10億美元研發革命性的新技術，GE3000發動機正是得益于此。GE3000發動機進行了初始試驗以驗證采用新材料后在沒有增加質量的情況下強度得到提高，2013年完成了整機試驗，這些試驗的成功驗證了GE3000發動機技術的先進性［8-11］。

（3）競爭態勢

盡管GE和ATEC公司在正在研制全新的2237kW渦軸發動機過程中，預算經費面臨挑戰，但美國陸軍和國會仍會給予ITEP項目很大支持，按計劃為AH-64“阿帕奇”和UH-60“黑鷹”換發。

目前，美國陸軍ITEP計劃正在單軸和雙軸結構之間開展競爭［14］。GE公司認為單軸是最佳方案，其結構更加簡單、質量更輕，且技術更加成熟，雖然在雙軸結構中，發動機壓縮部分的某些轉動件轉速可以更快或更慢以獲得最佳性能效率，但如果要保持原T700發動機的安裝尺寸不變，在如此“狹小”的小型渦輪發動機上采用雙軸結構并不可取。而ATEC公司認為考慮到配裝對象和所需性能，應研發雙軸燃氣發生器；ATEC公司在過去數十年研制了很多配裝固定翼飛機的雙軸發動機產品，具有豐富的研發經驗。

美國陸軍同時授予GE和ATEC2家公司初步設計合同。在后續研發中，2家公司2種結構布局的競爭將會更加激烈，但不管最終結果如何，2家公司的發動機技術水平因這種良性的競爭會再上1個臺階。

2　新型發動機分階段研發管理分析

2.1美國國防科技的分類分階段管理

航空發動機的研究和發展是指從技術的概念形成開始，到將采用這些技術的發動機符合其型號規范要求這一過程中的全部技術活動。航空發動機研發是1個復雜的系統工程，涉及研究和發展的分類管理和系統壽命周期的分階段管理［15］。

國防科研按美國財政管理規定分為7類，即基礎研究、應用研究、先期技術開發、先期部件開發與技術樣機、系統開發與驗證、科研管理保障和作戰系統開發［16］，分類的相關說明見表1。

針對預研項目風險大和項目創新性強的特點，美軍也在尋求管理模式的創新。2009年，美國《武器系統采辦改革法》規定在項目進入型號工程研制階段之前，應保持2家或2家以上的承包商進行樣機研制與演示驗證，通過樣機的競爭以提高技術成熟度［17］。同時，美軍強化技術成熟度的審查評估，配備專門部門負責關鍵技術成熟度和集成風險管理。美軍對國防科研的分類分階段管理，反映了美國對復雜系統研發風險管控的理念，如圖1所示。

圖1　國防科研活動與技術成熟度（TRL）的關系

一旦“武器裝備開發決策”確認后，新型航空發動機的型號研制工作將按系統全壽命周期分階段研發管理［18-19］，如圖2所示。

圖2　武器裝備分階段研發

從上述分類分階段管理介紹可知，美國在航空發動機的研發方面有1套完整的科研管理體系，通過預先研究先取得技術突破，經裝備開發決策確認后，再按武器裝備全壽命周期管理推出滿足作戰需求的新型裝備，以維持美軍長期以來的作戰能力優勢。

2.2新型渦軸發動機的分階段研發分析

AATE/ITEP計劃作為美國國防科研項目，必須按國防條例和指令進行研發管理。由于目前公開發表的有關GE3000和HPW3000渦軸發動機研發信息有限，無法直接看到這2個項目研發情況的全貌，但通過對公開發表信息的梳理，結合上述國防科研分階段管理規定，可以分析出該項目分階段研發的情況。

關于T700換代的GE3000和HPW3000渦軸發動機分類研發對照見表2，其進展對照見表3并如圖3所示。

3　結束語

通過對AATE和ITEP計劃下T700發動機換代候選發動機GE3000和HPW3000研發過程的分析，可以得出以下結論：

表2　GE3000和HPW3000發動機分類研發對照

表3　GE3000和HPW3000發動機分階段研發進展對照

圖3　GE3000和HPW3000發動機分階段研發進展

（1）國防科研的分類管理體現了美國科技創新理念，科學和技術類側重突出技術先進性的原始創新，武器裝備研發類側重突出產品競爭力的集成創新。

（2）國防武器裝備研發的分階段全壽命周期管理反映了美國基于技術成熟度對復雜系統研發有效的風險管控理念。

（3）科學合理且有針對性的預先研究和型號研制計劃，如AATE計劃和ITEP計劃，是促成新型發動機研發各階段順利過渡的關鍵。

（4）AATE和ITEP計劃遵循美國國防部分類、分階段的科研管理規定和條例，在美國陸軍采購策略的指引下，在2種不同技術特征和結構布局的候選發動機機型GE3000和HPW3000發動機之間展開良性競爭，通過全面評估將最終選擇1型發動機進入工程和制造階段。這種競爭促使參與競標的公司盡盡最大努力去實現發動機技術和成本的優化，以滿足美國陸軍對新型發動機的嚴酷要求，同時驅動其不斷提升技術和管理水平，保持持續的技術創新動力。

（5）即使對于美國這樣的航空發動機強國，全新升級換代航空發動機的研發也并非一蹴而就，必須嚴格按分類分階段一步一個腳印逐步推進，才能最終獲得研發的成功。

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Review of Research and Development for Turboshaft Engine Based on AATE and ITEP Program

XIAO Man
（AVIC Aviation Powerplant Research Institute，Zhuzhou 412002，China）

In order to study Research and Development（R&D）strategy and roadmap of new aeroengine，some information about the candidate 2237 kW turboshaft engines（GE3000 and HPW3000）under AATE and ITEP were collected and analyzed according to American Defense Acquisition Policy.The overlook of American new aeroengine R&D was presented.It was shown that classification management of America defense R&D embodied an innovation methodology of balancing development for original innovation and integration innovation，and life cycle management of defense weapon R&D reflected the risk control ideas for the complicated system R&D based on technology maturity.Comparative competition helped the army to get good equipment，urged the competing companies to improve their technology and management level，and drived continuous technology innovation.

AATE；ITEP；GE3000；HPW3000；turboshaft engine；R&D；science and development management

V 37

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.02.019

2015-07-16

肖蔓（1965），女，副研究館員，從事航空科技情報研究工作；E-mail：xiaom60815@163.com。

引用格式：肖蔓.AATE和ITEP計劃下的渦軸發動機分階段研發綜述［J］.航空發動機，2016，42（2）：98-102.XIAOMan.Reviewofresearchanddevelopment forturboshaftenginebasedonAATEandITEPprogram［J］.航空發動機，2016，42（2）：98-102.