中國(guó)航空科技正在起飛，令人振奮的新飛機(jī)在不斷飛向天空。應(yīng)該先走一步的航空發(fā)動(dòng)機(jī)還沒(méi)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(guó)的航發(fā)研發(fā)重點(diǎn)集中在戰(zhàn)斗機(jī)和運(yùn)輸機(jī)的渦扇，如WS15和CJ1000，直升機(jī)的渦軸也有起色，但螺旋槳飛機(jī)的渦槳還是重災(zāi)區(qū)。這無(wú)疑是現(xiàn)有航發(fā)研發(fā)的重點(diǎn)所決定的。戰(zhàn)斗機(jī)是國(guó)之重器，戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)自然優(yōu)先。民航客機(jī)的成敗最終取決于發(fā)動(dòng)機(jī)，這也是中國(guó)制造2025的重點(diǎn)之一，也需要優(yōu)先。直升機(jī)是中國(guó)航空的短板，直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)先等級(jí)正在提高。但螺旋槳飛機(jī)也需要成為重點(diǎn)，而且原因很多。

噴氣時(shí)代的螺旋槳

螺旋槳可由渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)或者活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，渦槳比活塞式的重量輕、功率大、升限高、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，活塞式通常只用于小功率場(chǎng)合。相對(duì)于噴氣式飛機(jī)來(lái)說(shuō)，渦槳飛機(jī)速度慢，噪聲大，但省油、起飛著陸距離短，在不少場(chǎng)合具有獨(dú)特的優(yōu)越性。盡管有巴西KC-390、日本C-2、烏克蘭安-72的存在，主流戰(zhàn)術(shù)運(yùn)輸機(jī)如C-130、A400M、C-27等依然是渦槳的，正是因?yàn)槠洫?dú)特的優(yōu)點(diǎn)。

C-130是戰(zhàn)術(shù)運(yùn)輸機(jī)中的常青樹(shù)，渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)讓它可以在沙土跑道上降落

渦槳的使用靈活。除了常見(jiàn)的機(jī)翼上安裝的雙發(fā)、四發(fā)，還有機(jī)頭安裝的單發(fā)。螺旋槳不僅有常見(jiàn)的拉進(jìn)，還有槳葉在后的推進(jìn)。

除了軍用運(yùn)輸機(jī)，通用航空也是渦槳的主要市場(chǎng)。中國(guó)幅員廣大，地形復(fù)雜，通用航空大有可為，但通用航空的發(fā)展不僅受到法規(guī)、機(jī)場(chǎng)的限制，更受到飛機(jī)尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)的限制。在龐大的中國(guó)航空工業(yè)產(chǎn)品譜系中，并沒(méi)有通用航空多少位置，適用的先進(jìn)渦槳更是稀缺。

隨著無(wú)人機(jī)的興起，渦槳具有了新的重要性。小型無(wú)人機(jī)可用活塞式甚至電池驅(qū)動(dòng)，較大的無(wú)人機(jī)大多采用渦槳，典型的如美國(guó)的“捕食者”系列。噴氣式的推力更大，但較費(fèi)油，而且不適宜低速飛行，特別追求長(zhǎng)航時(shí)、大航程的察打一體無(wú)人機(jī)還是渦槳驅(qū)動(dòng)為多。

MQ-9“收割者”

中國(guó)由于缺乏合適的中小功率渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)，被迫使用功率小、性能受限的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，嚴(yán)重限制了性能。比如說(shuō)，“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(fā)動(dòng)機(jī)，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(duì)地視界和增加巡航阻力，也限制了高原起飛性能，好在續(xù)航時(shí)間從14小時(shí)延長(zhǎng)到60小時(shí)。

彩虹-5無(wú)人機(jī)

中國(guó)也缺乏先進(jìn)的大功率渦槳。運(yùn)-9的渦槳6C的基本設(shè)計(jì)是蘇聯(lián)時(shí)代的東西，比C-130J的羅羅AE2100落后很多，嚴(yán)重限制了運(yùn)-9的性能。如果傳說(shuō)中的運(yùn)-30也最終成真，更取決于先進(jìn)渦槳。為了適應(yīng)更加靈活、分散的部署，中國(guó)可能還需要一級(jí)類似C-27的雙發(fā)輕型運(yùn)輸機(jī)，同樣依賴先進(jìn)渦槳。運(yùn)-20解決了大運(yùn)的有無(wú)問(wèn)題，但用途更加廣泛的中運(yùn)和輕運(yùn)不能長(zhǎng)期停留在退而求其次的狀態(tài)。傳說(shuō)中的艦載預(yù)警機(jī)的飛行性能最終可能也取決于先進(jìn)渦槳，這決定了艦載預(yù)警機(jī)的起飛重量、升限和留空時(shí)間。

在原理上，從適當(dāng)?shù)臏u噴或者渦扇的核心發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)渦槳并不是太困難的事，難處在于可靠性和效率。核心發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速太高，要降低到適合螺旋槳的轉(zhuǎn)速，需要沉重、復(fù)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(jìn)螺旋槳的前進(jìn)方向

PT6系列或許是歷史上最成功的渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)，到2015年11月已經(jīng)累計(jì)生產(chǎn)51000臺(tái)，累計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)4億小時(shí)以上，功率范圍從580馬力到1940馬力。最值得稱道的是可靠性：每65萬(wàn)飛行小時(shí)里低于1次空中停車。

PT6發(fā)動(dòng)機(jī)的3D模型

為了降低對(duì)減速齒輪的要求，PT6采用獨(dú)特的逆流自由渦輪設(shè)計(jì)。自由渦輪說(shuō)白了就是風(fēng)車。在有風(fēng)天里，小直徑風(fēng)車轉(zhuǎn)速快，大直徑風(fēng)車轉(zhuǎn)速慢，渦槳的自由渦輪也是一樣的道理。當(dāng)然，風(fēng)車直徑還要考慮其他因素，比如發(fā)動(dòng)機(jī)直徑和葉片受力，一步到位并不現(xiàn)實(shí)。但從較低的轉(zhuǎn)速開(kāi)始，減速齒輪裝置可以較小、較輕、更加可靠，傳動(dòng)損耗也低。由于自由渦輪的轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速脫鉤，自由渦輪渦槳可以用單轉(zhuǎn)子核心發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)雙轉(zhuǎn)子的效果，或者用雙轉(zhuǎn)子核心發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)三轉(zhuǎn)子的效果，熱力學(xué)效率顯著高于直接驅(qū)動(dòng)、齒輪減速的傳統(tǒng)渦槳。

不過(guò)常見(jiàn)的螺旋槳飛機(jī)都是拉進(jìn)的，這意味著PT6的核心發(fā)動(dòng)機(jī)的噴氣必須向前，噴氣流吹動(dòng)風(fēng)車做功后，再轉(zhuǎn)個(gè)方向，向側(cè)后噴出。觀察典型的采用PT-6發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)(如巴西“巨嘴鳥(niǎo)”或者瑞士PC-9)，不難看到發(fā)動(dòng)機(jī)噴口在很靠前的奇怪位置，幾乎緊貼在螺旋槳后，好像兩撇小胡子一樣。正是因?yàn)檫@個(gè)獨(dú)特的設(shè)計(jì)，進(jìn)氣依然在前方，繞過(guò)核心發(fā)動(dòng)機(jī)后，從尾后折返向前，進(jìn)入核心發(fā)動(dòng)機(jī)。因此成為逆流設(shè)計(jì)。

PT6的剖面模型

對(duì)于高速飛機(jī)來(lái)說(shuō)，進(jìn)氣、噴氣這么繞來(lái)繞去會(huì)造成可觀的動(dòng)能損失，但PT6主要用于中低速飛機(jī)，這個(gè)問(wèn)題不大。進(jìn)氣在發(fā)動(dòng)機(jī)尾轉(zhuǎn)彎時(shí)，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力，是有利于壓氣機(jī)工作的。噴氣的能量在吹動(dòng)自由渦輪之后，本來(lái)就沒(méi)有多少動(dòng)能了，只是排氣而已，所以再轉(zhuǎn)個(gè)彎問(wèn)題也不大。

有意思的是，由于采用自由渦輪設(shè)計(jì)，PT6可以很容易地轉(zhuǎn)型為直升機(jī)用的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，原則上只需要在自由渦輪的輸出端加一個(gè)傘齒輪，把動(dòng)力輸出轉(zhuǎn)90度就可以驅(qū)動(dòng)旋翼了。對(duì)于PT6家族來(lái)說(shuō)，PT6A是渦槳，PT6B和C都是渦軸，還有其他型號(hào)。

善于倒立的馬戲團(tuán)演員正過(guò)來(lái)站著走也沒(méi)問(wèn)題，同樣，PT6也可以用于順流應(yīng)用場(chǎng)合，螺旋槳改為推進(jìn)，就像MQ-9“捕食者”或者“彩虹5”那樣。直升機(jī)的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)也有前輸出和后輸出問(wèn)題，PT6作為渦軸的時(shí)候同樣便于靈活使用。

PT6在世界上得到廣泛應(yīng)用，在中國(guó)也得到應(yīng)用，運(yùn)-12、直-8F和AC313都用PT6，如果不是美國(guó)作怪，***本來(lái)用的也是PT6。

AC313直升機(jī)

PT6這樣把動(dòng)輪軸和輸出軸分開(kāi)還有一個(gè)好處：兩根軸都相對(duì)較短，受力情況大為改善。發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸不僅工作時(shí)受熱、受力情況極其嚴(yán)峻，停車?yán)鋮s時(shí)也有獨(dú)特的煩惱。卸載冷卻后，較長(zhǎng)的轉(zhuǎn)軸會(huì)“松弛”下來(lái)，產(chǎn)生些微下垂變形。這是正常的，但在啟動(dòng)時(shí)，需要慢慢加熱“張緊”才能增加轉(zhuǎn)速和出力。普拉特-惠特尼的齒輪減速渦扇(簡(jiǎn)稱GTF)正是因?yàn)檫@個(gè)問(wèn)題而推遲交付，致使超過(guò)100架空客A320NEO沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)可用，不能交貨。但分成兩段后，受力和受熱情況都極大改善。PT6的啟動(dòng)是出名地容易。

PT6從1963年投產(chǎn)到現(xiàn)在，盡管在不斷改進(jìn)中，基本設(shè)計(jì)已經(jīng)很老了。這五十多年來(lái)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速，但很多新技術(shù)沒(méi)有在PT6體現(xiàn)出來(lái)。這也與一波又一波“渦槳過(guò)時(shí)論”有關(guān)，航發(fā)公司不愿意投資，挑戰(zhàn)PT6。

但渦槳非但沒(méi)有過(guò)時(shí)，還需求旺盛。為此通用電氣借用已經(jīng)成熟的其他發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，重新打造21世紀(jì)的PT6，這就是“先進(jìn)渦槳”(簡(jiǎn)稱ATP)，現(xiàn)在改名“催化劑”，設(shè)計(jì)功率范圍為850-1600馬力。

ATP的剖面3D圖

ATP里35%的部件都使用鈦合金增材制造(也稱3D打印)，按照常規(guī)制造方法需要用855個(gè)部件實(shí)現(xiàn)的功能縮減為12個(gè)部件，減重12%，對(duì)于降低油耗的貢獻(xiàn)達(dá)到1%。不過(guò)現(xiàn)在還只限于固定部件，如框架、燃燒室器壁、機(jī)油泵體、出氣口、軸承座、流道、換熱器等，旋轉(zhuǎn)部分如葉片和轉(zhuǎn)軸還是用傳統(tǒng)方法制造的。

壓氣機(jī)采用先進(jìn)的3D流體力學(xué)方法設(shè)計(jì)，采用可調(diào)導(dǎo)流葉片(簡(jiǎn)稱VSV)，使得壓縮比達(dá)到16?？烧{(diào)導(dǎo)流葉片是通用電氣的拿手好戲，解決了發(fā)動(dòng)機(jī)喘振和效率問(wèn)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(jí)反轉(zhuǎn)自由渦輪則以最高效率和最優(yōu)轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)輸出軸，并抵消核心發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致的章動(dòng)效應(yīng)。全權(quán)限數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)控制(簡(jiǎn)稱FADEC)不僅控制發(fā)動(dòng)機(jī)的工作，還控制變距螺旋槳的工作，在發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳的工作狀態(tài)之間實(shí)時(shí)優(yōu)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(shí)提高到4000小時(shí)，油耗降低20%，巡航功率增加10%。

ATP現(xiàn)在只用于塞斯納“德納利”，這是單發(fā)的7-9座小型通用飛機(jī)，使用的ATP為1300馬力版。更多應(yīng)用和更多功率型號(hào)只是時(shí)間問(wèn)題，直升機(jī)使用的渦軸版也將水到渠成。

ATP的首個(gè)用戶：塞斯納“德納利”

對(duì)于中國(guó)來(lái)說(shuō)，還可以把眼光放遠(yuǎn)點(diǎn)，因?yàn)闇u槳、渦軸的核心發(fā)動(dòng)機(jī)與中校推力渦扇可以通用。羅爾斯-羅伊斯AE2100渦槳用于洛克希德C-130J，但共享基本技術(shù)的T406用于貝爾-波音V-22，渦扇版AE3007則用于塞斯納“獎(jiǎng)狀”公務(wù)機(jī)、巴西航空ERJ145支線客機(jī)和諾思羅普MQ-4C“海王”/RQ-4“全球鷹”大型無(wú)人機(jī)。這樣的30-40kN級(jí)先進(jìn)渦扇也是中國(guó)急需的，特別適用于大型長(zhǎng)航時(shí)高空無(wú)人機(jī)。相比之下，中國(guó)“翔龍”等采用渦噴7實(shí)在是無(wú)奈之舉，各種高性能無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)、高亞音速巡航導(dǎo)彈(包括在巡航段使用渦扇推進(jìn)的反艦導(dǎo)彈、空地導(dǎo)彈、反潛導(dǎo)彈等)、教練機(jī)等都可得益于先進(jìn)渦扇。

中國(guó)航發(fā)在大舉攻克大推力戰(zhàn)斗機(jī)和高涵道比民用渦扇的同時(shí)，不應(yīng)該忽視中小推力渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)家族(包括渦槳、渦軸、渦扇)。各種先進(jìn)技術(shù)也可以首先在中小推力發(fā)動(dòng)機(jī)上使用，為大推力發(fā)動(dòng)機(jī)上的使用鋪路，比如增材制造、FADEC等。

更重要的是，成飛與沈飛的競(jìng)爭(zhēng)啟動(dòng)了中國(guó)戰(zhàn)斗機(jī)設(shè)計(jì)空前活躍的時(shí)代，中國(guó)航發(fā)的研發(fā)與制造有必要借鑒這樣的模式。如果不在所有領(lǐng)域都保持平行競(jìng)爭(zhēng)，至少避免“欽定”，鼓勵(lì)二線廠所從中小推力發(fā)動(dòng)機(jī)入手，積累經(jīng)驗(yàn)，在條件成熟的時(shí)候涉足大推力發(fā)動(dòng)機(jī)。

這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止是給新興廠所練手的機(jī)會(huì)，中國(guó)對(duì)相應(yīng)推力級(jí)的發(fā)動(dòng)機(jī)有急切地大量需求。無(wú)人機(jī)、通用航空、運(yùn)輸機(jī)已經(jīng)是很大的市場(chǎng)，直升機(jī)可能是更大的市場(chǎng)，中國(guó)陸海軍的直升機(jī)化才上路。小推力渦扇方面，光巡航導(dǎo)彈就是很大的需求。實(shí)際上，按發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)數(shù)和累計(jì)價(jià)值來(lái)說(shuō)，這可能是比戰(zhàn)斗機(jī)渦扇、民航機(jī)渦扇更大的市場(chǎng)，不能忽視。

中國(guó)無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，顯然會(huì)發(fā)展成一個(gè)非常龐大的市場(chǎng)

在人們的眼光集中在大推力、高涵道比渦扇的同時(shí)，莫忘渦槳(和渦軸、小渦扇)。