重型直升机可以选配的发动机

未来中国陆军的发展方向应该是“瘦身强体、全域机动、火力聚焦、打击节点”，其中重要一环就是大力发展空中突击力量，它是陆军更高级别的“机械化”。陆航旅将向“空中突击师（旅）”的方向发展。两者最大的区别是，后者可以独立执行对地重要节点目标的突击，因此，它必须配属相应的陆军轻型特战部队，这样就需要增加运输直升机直-18和Z-20。这是近期目标，中长期还必须配备可调运火炮和轻型装甲车的“重型直升机”。

在去年天津直升机博览会上，中航展出一款“重型直升机”模型，与之前绿色涂装的模型有很大差异，之前有一期曾对国产重直做过介绍，这次我们来探讨它可能选用的发动机。

根据直博会给出的数据，中国将要发展的“重型直升机”是：总重38.2吨，飞行速度300Km/h，升限5700m航程630 Km。这样的重直需要多大功率的发动机呢？我们将其与美俄的重直做个比较（下图），如果采用类似直八那样的三发方案，单台功率为5000KW的涡轴发动机，其“总功率/总重”为392，与美国CH-47（402）、CH-53E（395）相当。CH-53E就是采用“品”字形排列的三台发动机。

下图2014年珠海航展展出的5000KW涡轴发动机，“总功率/总重”只是反映在低海拔的环境下单位重量的发动机功率，不同发动机在高原的功率下降比例不同，另外还涉及到桨叶和变速器的效率，所以这里只是作为一个直观的参考指标。CH-53E的升限只有5160米，换装5600KW的CH-53K（437）升限是5640米，我们的重直要求的升限是5700米，对应38.2吨，5000KW发动机如果要满足升限要求，可能需要进一步改进提高功率。

因为我们有青藏高原，所以军方对直升机的升限有特殊要求。军方在2000年就提出，陆航的直升机必须保证"三个六"的要求，即具有6000米高度、600公斤商载、600公里航程的能力。在去年央视报道直-18试验的视频里，直-18就飞到海拔8900米（下图）。

如果像直博会的重直模型那样是采用双发方案，对应38.2吨的总重，单台发动机的功率要达到8000KW，总功率/总重=419，与CH-35K（437）相当。美国肯定不会向我们出口，我们可以采用两条路线并行的方式，自研和进口乌克兰的D-136。在《中国工业2025》里有一款涡轴发动机，功率是8000KW（见下图）

涡扇发动机与涡轴发动机的技术是相通的，一款核心机可以通过不同结构，开发出涡扇、涡桨、涡轴发动机。下图是中法合作研制的1200KW的WZ-16、涡轴发动机结构示意图。

通过WS-10、WS-15的研制，我国航空发动机的研制水平突飞猛进，所以近年来我国涡轴发动机。例如正在试飞的直-20就是装配1750KW的WZ-10，改进型WS-10A将达到2000KW。直-18采用的WZ-6C通过改进压气机的叶片，功率达到1300KW，比WZ-6的1130KW提高了15%。（下图）选择适合的中推核心机，结合WZ-10、WZ-16研发的技术，研制一型8000KW的涡轴发动机是可行的，也是必须的。

当然自研需要试验时间，对于重直的试飞和初期生产，还是需要选择现成且成熟的发动机，如果新平台配新发动机，这会给试飞带来太多的风险，是不可取的。乌克兰的D-136是米-26配装的发动机，功率8500KW，用于“重直”是可行的方案。

D-136发动机的优点是技术成熟、稳定可靠，适合用于新型号直升机的研制试飞。其动力充沛、功率储备大，能够满足国产重直的5700米实用升限。缺点是技术落后，自身重量大，单位油耗大（影响航程）。我们可以先用D-136进行重直的原型机研发和小批量试制，并向乌克兰购买授权，在国内厂家仿制，在仿制过程中同步改进其原有不足。

这就像为枭龙配装的中推三部曲，（1）先进口RD-93、（2）并在仿制RD-93的过程中克服其缺陷，研制出WS-13，（3）等自研的先进中推定型后，再接替WS-13装备枭龙改进型。WS-13项目起步于15年前，以这15年中国航空发动机的技术进步，仿制并改进D-136的进度肯定要比WS-13快得多，可以赶上重直的早期生产型。这样既不会因为发动机是进口，而使重直的批量生产受国际局势的影响，也不会因自研的8000KW级发动机研制进度，推延重直的试飞。

俄罗斯参与中国重直的研制，其实主要是提供重型直升机的机体设计经验，如今俄罗斯的桨叶技术还不如中国，发动机是没法指望俄罗斯。虽然俄副总理去年8月份曾说“俄罗斯5年内可以为重直提供PD-12V”，但 PD-12V发动机是以俄罗斯的PD-14（下图）涡轮风扇发动机为基础的衍生型号。PD-14涡扇发动机于2015年6月才做完地面台架试验，至今还在进行空中试飞台的试飞考核，PD-12V发动机还停留在纸面。所以俄副总理的话听听就好，别受其忽悠，他是想让我们出钱开发，那样的话，中国还不如与乌克兰合作，把经费用于仿制改进D-136，进度更有保障。

目前国产重直刚立项，还没有技术冻结，采用三发或双发都有可能，三发方案则可用5000KW的涡轴发动机，三发方案则可先用乌克兰的D-136试飞和初产，量产用国产的仿制改进型，以及自研的8000KW级涡轴发动机。

 

 先进中推三箭齐发

推力在10吨以上的属于大推力航空发动机，如目前我军歼-10/11配装的AL-31和“太行“，推力是12.5—14吨。推力8—10吨的称作中等推力发动机，它通常用于中型双发战机、或轻型单发战机，如枭龙所配的RD-93涡轮风扇发动机。航展展示的“岷山”（进气10Kg/s级）推力仅4.7吨，只能算是轻型发动机。本文综合多年来八股资料，一起探讨我国目前正在研制生产的三个型号8—10吨的中等推力发动机。

中俄两国在2005年签订了100台发动机的合同，2010年合同履行完毕。2014年航展上双方再签订合同，在2016年底前俄罗斯将再向中国提供100台RD-93。RD93是在RD33发动机基础上，为适应“枭龙”需要，将原本上置的发动机机匣置于发动机下部的改型，控制系统为机械液压式。需要指出的是RD93并不是来自早期的RD33，是由RD33-esries-3发展而来，最大推力8.7吨/中间推力5.3吨，自重1254 Kg、涡轮进口温度1590K。

推重比是衡量航空发动机先进性的指标之一，俄标只计算干质量(分母小、数值上浮15—20%)，英美军标要计入润滑油和扇热器的重量，中法两国的军标最严格，自重比英美的计算标准要多0.5—1%。如果按国军标计算RD-93的推比只有7.2级，而且是通过减寿增推，其使用寿命只有1200小时。

我国在引进RD-93之前就已经开始研制中推发动机，涡轮院研制的“先进中推”核心机，无论是高压压气机的效率（实测压比7.38，接近Ｆ４１４）、采用DZ22定向凝固合金涡轮叶片的材料，无余量精铸，还是GH4169镍基高温合金为材料的涡轮盘、以及核心机各部分构件，都比RD-93先进得多，涡前温度1700K、推比8以上。后来因为没有相应配装的战机，而歼-10、歼-11又急需国产的大推力发动机，国家为了集中力量研制“太行“，先进中推核心机在通过考核之后没有进一步开发完整的发动机。
在引进RD-93之后，针对RD-93推比偏小、寿命较短的缺点，中航组织力量在仿制的同时解决这些问题。涡轮研究院和贵州黎阳设计所共为总设计师单位，贵州黎阳航空发动机公司为主承制厂并建设一条生产线，这就是WS-13“泰山”项目，所以WS-13不是简单的复制RD-93，而是对其进行现代化改进。改进计划分小改、中改、大改，（不是本文题目所对应的“三箭”）。

1、“小改”是保持RD-93发动机外廓尺寸和重量基本不变，在继承国内成熟技术的基础上，通过运用大量成熟的先进技术和高推重比发动机的多项技术成果，对RD-93发动机中各部件的结构进行优化设计和改良设计，在有些很细小的方面还进行了重新设计，使其成为可靠性和耐久性更高的WS-13“泰山”发动机。WS-13于200１年开始预研、03年正式进入工程设计、总师黄维娜（现任涡轮院副院长）、05年获得中航集团立项、06年首台全国产整机的台架试车成功，08年完成高空台考核、09年完成飞行台试验、2010-4-18装枭龙首飞成功，2012年春定型。算得上是十年磨一剑，贵发通过研制ＷＳ－１３，技术上了一个新台阶。

“泰山”WS-13涡扇发动机在RD-93发动机的基础上作了如下几个方面改进：（1）进气口的4个前掠式支板改为20个可变弯度的进口导流叶片。（２）风扇转子鼓盘从传统的径向销钉连接式结构改为整个风扇转子用电子束焊焊为一个整体结构。（3）高压压气机转子为电子束焊和螺栓连接的混合结构，前3级盘用BT-9钛合金制成，第4～6级盘由高温钛合金制成，1～6级用电子束焊焊为一体。第7～9级盘由粉末冶金制成，用长螺栓前与第7级盘，后与篦齿盘和后轴连为一体。（4）采用FGH4097镍基粉末高温合金直接热等静压件，制造涡轮盘、压气机盘鼓筒轴等高温转动件。（5）对加力燃烧室和尾喷管进行优化设计，采用新的耐高温合金材料，改进冷却设计，减轻重量。发动机其他细节的改进还有很多，这里不细述。经过改进之后8.7吨的WS-13平均寿命达到2775小时，大大提高使用寿命、同时维修性也得到改善，降低了使用和维护成本。

2、“中改”就是去年报道的、2012-02-13首飞的增推型WS-13E，最大推力提高到9吨。主要改进是（1）虽仍为四级风扇，但第一级风扇有改进，转速 +1.1%、流量 +7.1%(7kg/s)、压比 +7.4%、效率提高2.9%。（2）采用三代单晶叶片, 并提高涡轮进口温度50℃。（3）控制系统采用全数字发动机控制系统。系统中还带有防喘保护装置和故障检测诊断系统。（4）通过采用新的无烟燃烧室技术，WS-13E在工作中产生的烟雾大幅减少。

央视在介绍鹘鹰战机时称装配的是国产发动机，按时间推算应该是WS-13而不是增推型WS-13E。在采访中总师孙畅回应“黑烟”时说，31001是验证飞机平台，所以要用成熟的发动机。WS-13E在2012-08-14完成飞行台试验（预定型），2015年正式定型，下图是装配WS-13E发动机的枭龙，可以看到使用的喷管与RD-93有明显区别。

去年有媒体报道巴基斯坦决定继续采用俄罗斯生产的RD-93，所以2014年底中俄又签了100台。笔者认为这是因为俄罗斯推出了推力9吨、带FADEC（电调）的RD-33MK（下图），虽然WS-13E同样是9吨也带有FADEC，但巴方考虑更多的是后勤保障的一致性。八股称贵航在2016年将投入WS-13E的批量生产，目前国内没有批量适装的战机，那么肯定是装配在为第三国订购而生产的枭龙。

３、“大改”是2012年航展展出的9500Kg的方案。发动机的增推改型是以增加进气量为基础，这就要提高风扇和压气机的效率。涡轮院设想将风扇改为三级，核心机的各部件也有较大改动。

2014年珠海航展上，涡轮院展出一款“高负荷两级风扇”,总压比达到4.27，这比RD-93的3.48要高得多，F414也仅有4.03。

美国F414的推力从8027Kg增加到9780Kg，其中一项大改就是将总增压比从26（3.66X7.14），大幅提升到30（4.03X7.45）。9500方案的总增压比至少可达29（4.２７X６.７８）。

由于RD-9的基础较弱，9500方案改动太多，相当于推倒重来，得不偿失，据说该方案最终被放弃了。但笔者相信WS-13还会继续发展，中航技航空产品发展部部长李培，在接受采访中称：中方还计划为增推后的发动机加装矢量喷管，以改善飞机的机动性。期待矢量版的WS-13Ｅ早日投入市场。下图是俄罗斯推出的带矢量喷管的RD-93。

　　　　9500方案从外形上看与RD-93差异较大、更像是EJ200。

　　涡轮院曾有个规划，经由五个系列的核心机（进气量5、10、20、25、30kg／S），发展不同推力和用途的航空发动机，其中YWH－20－13核心机就属于中推。

在改进WS-13的同时，涡轮院在2008年与中航黎明合作，发展S3-2型技术验证机。下图是辽宁省2010年度引进国外人才计划表的截图。

　　　　S3-2项目的2011年度目标是，为核心机配上低压转动零部件的图纸和实物、各部件强度试验、生产及工装标准，生产出两台S3-2整机。

下图是涡扇发动机的结构示意图，标出了发动机的各主要部件的名称和相对位置。

对比S3-2核心机结构与指标，与当年“先进中推”核心机很相近。上面截图中有一段文中是对S3-2型发动机的描述：S3-2型技术验证机是一台双转子、加力式带矢量喷管的涡轮风扇发动机，由三级风扇、中介机匣、七级高压压气机、双层壁短环形燃烧室、单级高压涡轮、单级低压涡轮、涡轮后支撑、加力燃烧室、轴对称矢量喷管、全权限数控系统、下置附件机匣、外涵机匣以及相关系统组成。验证机最大状态推力9800kgf级，推重比9一级。

显然S3-2型发动机是3-7-1-1结构，与RD-93的4-9-1-1完全不同，它是推比九级、推力９.８吨，并带有FADEC、以及矢量喷管的先进中推。如果按照中国军标，矢量喷管的传动机构的重量也计入发动机自重，那么“９一级”的推重比换算成英美军标，推重比就不止是９，而是相当于１０级，性能优于Ｆ414、EJ200。

虽然S3-2项目称主要是针对枭龙和长航时无人侦察机，但２０１１年的截图中有一句，“验证机达标后争取在国家立项，批产后满足国内军用航空发动机市场对矢量喷管的中推发动机的需求”。我们知道枭龙是为广大第三世界国家换装二代轻型战机而设计的，中国军方不会装备；长航时无人侦察机又不需要带矢量喷管的加力版中推，那么“国内市场需求“只能是“鹘鹰”这样的战机，鹘鹰是四代机，目前用WS-13只是为了验证平台的总体设计，最终产品必须是配四代发动机，它会选择S3-2、还是另有一款在研的四代中推呢？

2011年的“黎明经典”（下图）里有一句，“实现第四代发动机验证机提前交付”。无论S3-2与上述的“第四代发动机验证机“是否为同一个项目，即使推力仅有9.8吨，双发的总推力也比美F-35隐身战机的单发Ｆ-135（18.1吨）发动机的推力大1.6吨。如果有兴趣还可以计算，双发WS-13与单发Ｆ-135所占的体积基本相当，Ｆ-135的重量是１.７吨，如果国产四代中推是推力９.８吨（推比１０）的发动机，双发的总重只比单发Ｆ-135多260kg。

最终定型的歼-31，其空战的机动性将比美Ｆ-35更强，加上隐身性更高一筹，成本更低、歼-31将是Ｆ-３5的克星。中国有了先进的第三、四代中推发动机、未来十年，装矢量版WS-13的枭龙改进型和歼-31都会有美好的外贸前（钱）景。