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渦輪軸動力沙皇:它將是我國重型直升機的第一備選發動機!

要問直升機載重量哪家強?當屬米-26「光暈」!自1980年正式服役以來,這個出自著名米里設計局之手,機長40.025米、高度8.145米、空重28.2噸、最大起飛重量高達56噸、載重量與中國運-8運輸機和美國C-130大力神運輸機相當的超級龐然大物,在世界各地留下了令人難忘的身影。它曾吊運探井設備掠過西伯利亞的雪原,曾冒著致命的核輻射在切爾諾貝利上空噴洒清洗劑,曾在興都庫什山脈的皚皚雪中下吊出墜毀的美軍「支奴干」,曾在東南歐的一次次撲滅滾滾而來的森林大火。

在2008年汶川地震救援中,米-26更是在決戰唐家山堰塞湖的搶險戰鬥中大顯神威,一次次將工程機械、燃料、物資和救援官兵吊運到壩頂。飛行在廢墟上空的紅色米-26,成為那場天災中全體中國人的集體記憶之一。

米-26如此驚人的載重量,得益於渦輪軸發動機中的動力沙皇——D-136發動機。D-136發動機由前蘇聯伊伏琴柯設計局(現烏克蘭扎波羅熱「進步」設計局)研發,由烏克蘭馬達西奇公司生產,是米-26系列直升機的專用發動機,也是目前世界上功率最大的直升機發動機。D-136起飛功率7457千瓦,最大爬升功率6338千瓦,最大功率能達到8500千瓦——相比而言,美軍主力CH-53E的T64渦軸發動機,只有約3300千瓦,即便是美軍最新最強大的CH-53K「種馬王」,換裝了運用大量最新材料科技打造的的T408發動機,最大功率也僅5515千瓦。

以上世紀70年代末的工業水平,D-136渦輪軸發動機能實現這樣的指標殊為不易。要知道,雖然渦輪軸發動機是由渦輪風扇發動機的原理演變而來,只不過將風扇變成了直升機的旋翼,但和固定翼飛機上使用的渦扇發動機相比,研製難度可一點也不小:其小流量、小通道引起的「尺寸效應」對壓氣機、渦輪性能等方面產生諸多不利影響;高轉速的特性,使高速軸承、軸系、葉片盤的疲勞強度等方面都帶來挑戰;由於冷氣流程短等原因,冷卻效果難以提高;直升機野外條件起降的先天要求,使進氣防護裝置需要精心設計,粒子分離器等裝置又會降低輸出功率……而且,對直升機來說,渦輪軸發動機的自由渦輪(即不帶動壓氣機,專為輸出功率用的渦輪)和減速器、旋翼之間的匹配也比較複雜,研發出大功率的渦輪軸發動機並非易事。

面對D-136研發中的諸多困難,洛塔列夫擔任總設計師的進步設計局在當時採取了很多頗為前衛的設計。例如,採用了模塊化設計,核心機一共有9個模塊,這給D-136的可維護性和可靠性帶來了很大的好處,D-136壽命在6000小時以上,大修間隔達到了2000小時;D-136還最大限度繼承了蘇聯航空發動機歷史上第一台高涵道比發動機、雅克-42和安-72等飛機的配套發動機D-36的結構,其核心機內很多組件直接沿襲D-36的組件,使研發歷程大大縮短,從1977年開始台架試驗到1982年正式量產,僅用了5年時間。

洛塔列夫憑自己豐富的經驗,帶領團隊精心調整涵道比等指標,巡航狀態下D-136耗油率為每千瓦耗油0.28千克,在當時絕對是低油耗渦輪軸發動機的優秀代表;同時採用鈦轉子葉片和鋼靜子葉片,在保證強度的同時使D-136在減重方面做得不錯,凈重控制在1050千克左右。總的來說,D-136在上世紀80年代站在了渦輪軸發動機的技術巔峰,2台功率強勁、成熟可靠的D-136是米-26機型大獲成功的有力保證。

近年來,隨著國產重型直升機需求的日益迫切,中國航空企業對D-136系列發動機產生了越來越濃厚的興趣。特別是在中俄聯合研製40級重型直升機項目中,D-136系列發動機是一個繞不過去的選項。要想帶動40噸級的直升機,目前在非西方的渦輪軸發動機里,除了D-136系列,就只有俄羅斯在研的PD-12V具有可行性。PD-12V由俄羅斯聯合發動機公司研製,擬於2020年後開始測試。考慮俄羅斯和烏克蘭的緊張關係,不願在發動機上受制於烏克蘭的俄羅斯,計劃用來PD-12V替代俄軍裝備米-26上的D-136。俄方指出,PD-12V「類似於D-136的俄羅斯版」,「在尺寸和重量上,符合米-26的結構」。

但是,PD-12V的核心機是基於PD-14發動機的核心機研發的,PD-14作為俄羅斯新一代幹線飛機MS-21配套的大涵道渦扇發動機,尚未經受充分的考驗,成熟度本身還有待觀察。俄羅斯計劃在2020年完成第一台PD-12V原型發動機的生產和測試,到2025年才能完成全部試驗開發設計。新研發的PD-12V能否趕上中國重型直升機的進度,恐怕值得懷疑。而且,在聯合研製過程中,俄羅斯方面恐怕也有試圖通過綁定PD-12V來主導研製進程,甚至通過資金推動本國發動機研發的嫌疑。

隨著技術的發展,D-136發動機也在逐步改進。21世紀以來,針對D-136存在的一些問題和不足,烏克蘭 「進步」設計局推出了D-136-2型發動機,改進了核心機,配備了FADEC全許可權自動控制系統,排氣系統、自由渦輪等部件也進行了改進,使發動機使用條件進一步擴寬,輸出軸最大功率進一步提升,並在米-26M等機型上得到了成功運用。

上圖為D-136渦輪軸發動機,下圖為改進型的D-136-2發動機。

烏克蘭最新的D-136-2發動機是由D-136發動機發展而來,單台軸功率從D-136的8500千瓦(大約11500馬力),經過改進之後達到9190千瓦(大約12500馬力),應急時可以提供14500馬力的輸出動力,2台發動機就可以為中國未來的先進重型直升機提供近30000馬力的動力,而且非常適合在高原和高溫地區運行。

未來,中俄聯合研製重型直升機的發動機花落誰家,還需要時間的檢驗,但如果排除其他因素,久經考驗的D-136系列改進型,價格相對低廉,動力充沛澎湃,性能優良可靠,無疑是最有競爭力的。

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