“胖妞”发动机的原厂换代产品,如何实现史上首次“民转军”?

说到大型运输机更换新型大涵道比涡扇发动机的事儿,在经济性、维护性等方面的提升自然是为人乐道;但也有人担心,从外形到技术来源都“民味十足”的新发动机,能像老D-30KP-2那样保证皮实耐用么?其实D-30KP-2在俄罗斯的换代产品PS-90A-76,其发展原型PS-90A就是一款民用发动机。

作为D-30系列涡扇发动机的“娘家”索罗维耶夫设计局(现在的彼尔姆航空发动机公司)的作品,1982年开始研制的PS-90A,原本的名字是D-90(90代表90年代先进水平)。1986年12月26日,D-90在伊尔-76LL空中试车台上完成了首次试飞,1987年,为纪念设计局总师帕维尔·A·索洛维耶夫(Pavel Aleksandrovich Solovyov)的70岁生日,型号被批准更名为PS-90A。

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▲索洛维耶夫和他的学生兼助手亚历山大·伊诺泽姆采夫的合影,后者现任彼尔姆公司总经理兼总设计师

经过188个架次约400个小时的测试后,证明PS-90A的巡航油耗要好于预期,但巡航推力比设计值稍小(这也是导致图-204基本型的单发性能较差的一大原因)。使用PS-90A的伊尔-96和图-204分别在1988年和1989年顺利首飞,缩小了苏联民航客机与西方的差距。

1991年,PS-90A通过国家鉴定试验,随着几个月后苏联解体,PS-90A由此成为了苏联最后一型大涵道比涡扇发动机。此后局势的动荡、经费的难以维持,使得PS-90A在1993年随伊尔-96投入航线使用后,仍花了多年时间解决遗留问题。但同时要看到,由于苏联解体后俄罗斯在民机领域与西方的合作一度密切起来,也使得PS-90A在逐渐完善期间,应用了一些与西方航发厂家的技术交流成果。

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▲PS-90A在后期试验中引入了一些西方航发试验的环节,下图为PS-90A结冰试验后,试验人员测量积冰情况(俄罗斯中央航空发动机研究院网站)

1995年,索罗维耶夫设计局对PS-90A进行了一次全面改进,提升了起动稳定性、解决了燃烧室内燃油结焦问题、改善了结冰条件下的使用性能,以及体现在指标上最为引人注意的——寿命。1998年11月,一架伊尔-96客机上的四台PS-90A实现了6000小时的安全使用,之后更是有一台PS-90A创造了运行12198个小时后(期间在发动机短舱内进行若干次修理检测)才被从飞机上卸下进行彻底翻修的记录。

此时正值俄罗斯航空工业正积极地把各家的“招牌菜”摆上航展招徕顾客的时候,就算新型号其实还远没达到技术成熟的状态,只要参展样机能在挂载上“武装到牙齿”,那么哪怕是米格-21-93之类的“旧瓶装新酒”也能吸引不少注意力。运输机在道理上也差不多,只不过它们翼下挂的新玩意儿,就得是新发动机才行。

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▲当年这架603号“苏-30MK”挂得满坑满谷参加各大航展时,其实就并没有配套的多用途航电系统装机

按照苏联时期的规划,苏联下一代军用运输机伊尔-106的发动机,将在库兹涅佐夫设计局的NK-92和索罗维耶夫设计局的D-100之间产生。而作为苏联超音速战略轰炸机/超音速客机的主要发动机研制单位,库兹涅佐夫设计局在大涵道比涡扇发动机领域的成就不算太顺利。

与伊尔-86配套的NK-86在1981年投入使用后,评价一般;1985年,NK-56在苏联新一代民航机动力选型中落败于PS-90A;随着苏联解体,伊尔-106项目暂停,推力达176千牛的NK-92自然也无力推进(倒是衍生出了桨扇巨兽NK-93);尽管库局自筹资金上马了NK-44/46——风扇直径达3米、设计最大推力近400千牛的它们,计划作为图波列夫设计局的图-304/306宽体客机的配套,但随着俄罗斯90年代“一窝蜂”的民机项目逐渐尘归尘土归土,这两位“巨人”也只好沉睡在图纸堆里。

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▲在本就小众的桨扇发动机中,NK-93采用的是更为小众的涵道桨扇设计(目的是结合桨叶的优化设计,获得更好的静音性和安全性),其桨扇直径达2.9米,让一旁的D-30KP-2显得十分娇小

既然库局此时没有现成可用的型号,而苏联时期研制大飞机发动机的另一巨头——伊夫琴科“进步”设计局,更是已经划归乌克兰所有;那么作为俄罗斯运输机出口的拳头产品,伊尔-76的换发大计除了刚刚通过国家鉴定试验的PS-90A之外,几乎别无选择(由生产厂家“土星”掺和的D-30KP-3那都是新世纪的事儿了)。

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▲坐拥安东诺夫、“进步”和马达西奇等具备雄厚研发生产能力的单位,乌克兰也曾有过重整其航空工业、搞几个型号的想法,比如图中的安-218宽体客机(仅有木质样机),使用两台D-18TM发动机(安-124/225同款型号的小改型)

于是两家一拍即合,在1992年莫斯科航展上展出了使用PS-90A,机身加长了6.6米的伊尔-76MF,原型机在苏联时期伊尔-76的生产厂,此时已经归属乌兹别克斯坦的塔什干契卡洛夫工厂制造。由于伊尔-76在改型中没有对气动做出过多调整,为了适配伊尔-76这款老机型的巡航速度范围,索罗维耶夫设计局研制了空气流量、涡轮前温度均有所降低,最大推力下降到142千牛的PS-90A-76型,指标仍全面领先D-30一代。

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▲作为军用发动机,PS-90A-76相比PS-90A要更重视抗损冗余性方面的设计。图中下方是后来全面改进的民用型PS-90A2,采用气压作动燃油附件替换液压作动,提高防火安全性,并采用新结构高压涡轮和支承结构,尺寸也更为紧凑

索罗维耶夫设计局在研制PS-90A基本型时,就充分展现了该局成熟的军用发动机设计理念,如单元体结构、双余度数字式电子控制系统和机械液压式备份系统,以及发动机内置故障诊断系统等。而在定型测试中,考虑到苏联诸多民航机场的运行条件也相当恶劣,PS-90A的复杂工况考核试验颇为全面,例如首次进行了投放总重近700千克的石英粉尘环境测试和抗鸟撞击试验。

前文提到,通过与西方的技术交流,加上自身的技术底蕴,PS-90A在1995年前后进行了一次全面改进,此时也正值PS-90A-76这款“民转军”型号的关键时刻——随伊尔-76MF于同年8月完成首飞。由于推力要求相比民机较低(但仍保留157千牛的应急推力模式),PS-90A-76在寿命上的提升空间更大,同时在排放、噪声等指标上的显著改善,也让全球能够“接纳”伊尔-76改进型的民航机场更多。

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▲伏尔加-第聂伯公司的伊尔-76TD-90VD(伊尔-76MD-90A的民用版),去年防疫物资紧缺的时候,也是全世界机场的常客之一

尽管受限于和契卡洛夫工厂的跨国合作中的种种问题,伊尔-76MF最终只有两架交付约旦(后来被转手给埃及)的外贸订单;但2003年通过国家验收后,PS-90A-76已经具备了投产的条件,只是其较高的价格,让包括俄军自己在内的诸多客户一时间望而却步。

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▲不差钱的人那还是有的,印度空军的A-50EI“费尔康”预警机,就换装了PS-90A-76

直到俄空天军2012年订购了39架机身长度不变的伊尔-76MD-90A之后,这型发动机才随之进入批产阶段;而且由于伊尔-76的新厂家——位于乌里扬诺夫斯克的“航空之星-SP”工厂,和俄国防部之间围绕定价问题的扯皮等因素,导致伊尔-76MD-90A目前的交付速度非常“感人”,发动机的交付数量也不会太多。

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▲在下一代运输机(PAK VTA)也不怎么有谱的时候,无论是运输型还是加油型,俄空天军对新一代伊尔-76平台的需求都是很现实的;所以对于厂家要求涨价(差不多是4亿人民币一架)的事儿,国防部的态度总体还是“你能把产量搞上去怎么都好说”。而面对“贵了就没法多订,订少了又便宜不了”的局面,俄罗斯仍然积极寻求伊尔-76MD-90A的外销

俄国防部长绍伊古上个月去厂里视察时称,“2020年你们交付了3架,2021年你们计划交付5架,以后咱们有必要一年达到10架”。那么要想在2030年达到装备200架以上伊尔-76MD-90A的目标,就得在每年新造10架的同时,至少还得每年把10架伊尔-76MD升级成伊尔-76MD-90A,反正PS-90A-76的生产任务是不愁了。

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▲下图为绍伊古视察时摆在总装车间里,已经与短舱组合完成的4台PS-90A-76。和多数发动机类似,随着载机生产速度的加快,PS-90A-76也会在后续生产批次中有所改进

值得一提的是,就在伊尔-76MF概念推出的1992年,深知这玩意儿短期内很难让PS-90A系列迅速挣到钱(事实也证明的确如此)的索罗维耶夫设计局,并没有把PS-90A的发展希望全放在“民转军”上,而是打算在D-30系列发动机的另一个老客户——图-154M客机(使用D-30KU-154发动机)的后续发展中分一杯羹。为了适配图-154M的尾吊式发动机布局,PS-90A的这款改型在安装结构上有所更改,称之为PS-90A-154。

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▲图-154M2的设想图,介绍中可见安装两台NK-93桨扇发动机的另一款改型图-154M3

使用PS-90A-154的图-154M2机身略微拉长,由于新发动机的起飞推力相当于D-30KU-154的1.5倍,因此图-154M2只需使用两台PS-90A-154发动机,就能实现原来三台发动机的推力。这样一来,飞机的阻力明显减小,再加上PS-90A-154的耗油率本就比D-30KU-154低了15%,这使得图-154M2的燃油效率有明显提升。

然而这样一来,图-154M2实质上就成了一架尾吊发动机布局的图-204——前者起飞重量96.5吨/载客171-192人,后者起飞重量105吨/载客172-210人——完全拉不开档次差距。当初研制图-154M2的一大考虑,就是担心俄罗斯政府是否会放弃当时刚首飞3年的图-204;既然图-204最后还是活了下来,那么图-154M2无果而终也在情理之中。

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▲这么些年了产量还没过百,这活得也确实憋屈

不过站在上世纪90年代初的视角看,全球范围内的图-154M机队仍然非常活跃,所以索罗维耶夫设计局又用PS-90A的核心机对D-30KU-154进行了进一步改进,称之为D-30KU-90。尽管它的性能相对D-30KU-154的提升没有PS-90A-154那么巨大,但由于其外形轮廓及配套液压、供油、电气等系统均保持不变,使得D-30KU-90在噪声、排放指标均满足国际标准的同时,能够方便地在图-154M上实现原位换装,同时让飞机的航程增长近10%。

尽管此后图-154M因事故频发等原因较早退出商业市场,剩下的少量用户本着“用完用烂”的原则,又不想为之采购新发动机,使得D-30KU-90同样未能投产;但对于那些希望提升现有使用D-30系列发动机的飞机性能,但飞机布局又决定了难以更换尺寸更大的发动机的用户来说,D-30KU-90的发展思路仍然值得借鉴。

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▲毕竟大飞机平台是要用很久的,中期升级时能有条件换个发动机,那是相当舒服

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