美国陆军希望通过改进涡轮发动机项目（ITEP）、未来经济可承受涡轮发动机（FATE）和替代概念发动机（ACE）3个项目，既实现为现役的“黑鹰”、“阿帕奇”和“支奴干”直升机换发升级，又可为未来垂直起降旋翼机（FVL）做好动力技术储备。

GE公司研制的GE3000发动机

为了弥补军用直升机在阿富汗和伊拉克作战中表现出来的能力不足，并发展未来垂直起降旋翼机（FVL）中不同“能力设定”型号所需的发动机，美国陆军安排了改进涡轮发动机项目（ITEP）、未来经济可承受涡轮发动机（FATE）和替代概念发动机（ACE）等多个涡轴发动机发展计划。

FATE发动机示意图

从去年开始，各项目或计划均取得了较大的进展。2016年8月，美国陆军向普惠与霍尼韦尔合资的先进涡轮发动机公司（ATEC）和GE公司授予了总价值2.56亿美元的ITEP初步设计评审阶段合同；9月，GE公司交付了首台用于试验的FATE发动机整机；10月，陆军将ACE计划下的一项合同授予了ATEC公司。

ATEC公司研制的HPW3000发动机

ITEP瞄准现役机型换发，并可用于FVL轻型机

ITEP项目在美国陆军各研制计划中占据非常优先的位置。2014年，当时的陆军航空兵航空项目执行官表示，在经历了预算和人力的缩减后，陆军航空兵最关心的事情就是“黑鹰”和“阿帕奇”直升机的换发项目以及UH-60L直升机的数字化座舱升级。ITEP发动机项目的近期目标即是为“黑鹰”和“阿帕奇”直升机研制换发发动机；远期目标是为轻型FVL旋翼机提供动力。

需求背景

UH-60“黑鹰”通用直升机和AH-64“阿帕奇”武装直升机是美国陆军航空兵装备体系的主体，在陆军直升机机队中约占75%。当前，“黑鹰”和“阿帕奇”直升机都是使用两台GE公司的T700涡轴发动机，该发动机的基本型研制于20世纪70年代初期，经多次改进后，性能潜力已经挖掘殆尽。“黑鹰”服役初期，对发动机的功率要求是在约1220m高度和35℃的环境下，除3名机组人员外，可搭载11人组成的一个步兵班进行快速部署。

但是在伊拉克和阿富汗战争中，飞行高度和使用环境温度都已超出了最初的设计范围，如果执行把一个步兵班运送到约241km之外的任务，需要使用两架“黑鹰”直升机，还需在中途设置前沿武备补给和加油点（FARP），进行加油和挂载武器，这将需要更多的人员和护送车队进行保护以降低直升机和所搭载步兵班受到路边简易炸弹的威胁。而为了在一架直升机中搭载11人步兵班的所有人员和装备，指挥员通常会使用CH-47支奴干重型直升机，但是其目标特征较大，容易暴露，并且油耗很高。而使用配备T700发动机的“阿帕奇”在伊拉克和阿富汗执行任务时，经常因为要留出足够的燃油备份，而不能携带全部武器。T700发动机在这种环境下工作时动力不足，严重影响了陆军作战能力的发挥。

此外，ITEP发动机未来还计划为轻型FVL提供动力。2016年4月，美国陆军联合FVL/ITEP项目办公室主任表示，目前ITEP项目是以替换“阿帕奇”和“黑鹰”直升机的T700系列发动机为主，但未来也可以为FVL的轻型攻击/侦察“能力设定”提供动力。

项目历程

早在2000年时，美国陆军就提出过“黑鹰”和“阿帕奇”的换发计划，并安排了共用发动机项目（CEP）。但可能由于技术方面的原因，CEP项目没有真正启动。

2007年，美国在通用经济可承受先进涡轮发动机（VAATE）计划下，安排了先进经济可承受的涡轮发动机（AATE）预研计划，该计划是针对“黑鹰”和“阿帕奇”的换发型号而进行的预研项目。ITEP项目是AATE计划的延续，目的是承接后者的预研工作，把所研究的先进技术推进到工程与制造阶段，为“黑鹰”和“阿帕奇”换装全新的2240kW（3000shp）级别的先进涡轴发动机。

2012年10月，ITEP项目正式启动。同年11月，该项目进入了装备方案分析阶段。ITEP项目在2013年年底达到里程碑A，2015年9月发布需求征询书，使ATEC公司的HPW3000（2017年授予编号T900）发动机和GE公司的GE3000（2017年授予编号T901）发动机进入竞争性的技术开发阶段。2016年8月，陆军将总价值2.56亿美元的ITEP初步设计合同授予ATEC和GE两家公司，并准备在2018年进行完全初步设计评审。陆军希望ITEP项目在2019年进入工程与制造发展阶段。在这个阶段，陆军将只选出一型发动机进行研制、地面试验和飞行试验，另一型则被淘汰出局。陆军计划在2024年使ITEP发动机进入服役，2027年达到全速生产能力。

项目指标与技术

ITEP发动机功率为2240kW级，要求在基本保持T700涡轴发动机尺寸的基础上，耗油率降低25%、功率提高50%、成本降低35%。

ATEC公司对其HPW3000发动机使用的新技术报道较少，仅透露其使用双轴构型。GE公司则通过其网站宣传了GE3000发动机使用的先进技术。比如在涡轮部件上应用了耐高温陶瓷基复合材料（CMC）；燃气发生器为单轴构型，这使其维修性、可靠性和经济性大幅提高，但单轴构型要满足高性能指标，需要在三维气动设计方面取得重大突破。GE公司在GE3000发动机上使用了在研制其他发动机中发展的三维气动设计程序，保证其具有最先进的气动构型。此外，GE公司在GE3000发动机上也使用了流行的增材制造部件。上述这些先进技术的使用保证了GE3000发动机满足美国陆军未来的全球作战需求。

FATE瞄准FVL中型机，并可用于现役重型直升机换发

项目背景和历程

为了升级现有的重型直升机和满足未来中型FVL旋翼机的动力需求，美国陆军启动了FATE技术预研计划。FATE计划同样隶属于VAATE，目的是通过预研3675～7350kW的先进大功率涡轴发动机技术，为研制替代T55涡轴发动机打好基础，提升支奴干等机型的作战能力，并为中型FVL的发动机做好技术储备，以便在2025年左右，各大直升机承包商竞争中型FVL旋翼机项目时可以使用先进的动力系统，满足FVL性能指标。

与AATE计划的竞争机制不同，FATE技术验证机项目只有一个承包商。2011年11月，GE公司获得超过4500万美元的FATE计划合同，期限5年。合同中要求GE公司开展一系列台架试验，验证从部件到整机系统的先进创新性技术。

截至2015年，FATE项目已完成了进口粒子分离器、压气机、燃烧室和涡轮部件等关键部件的试验，验证了将要在整机验证中使用的这些部件的先进技术。2016年9月，GE公司交付了第一台用于试验的FATE发动机整机。FATE计划预计在今年达到技术成熟度6级，并期望在2020年启动工程研制项目，以便在2025年左右提供先进的动力系统。

项目指标与技术挑战

FATE计划的目标是验证3675～7350kW级的先进涡轴发动机技术，具体技术要求是：相比T55发动机，耗油率降低35%，功重比提高90%，设计寿命增加30%，发动机维护成本降低45%，研制成本降低20%。除了提供更高的功率以提高高温/高原地区的有效载荷和性能外，陆军也关注通过降低部分功率的耗油率以延长航程、增加耐久性和可靠性以降低运营成本等问题。

根据GE公司的说法，FATE验证机和GE3000的构型完全不同，但是可以通用部分先进技术，比如增材制造零部件等。为了满足苛刻的要求，FATE计划需要有很大的技术进步。GE公司将把先进的气动结构、最新的冷却结构以及先进的材料应用于FATE大型涡轴发动机的开发，以提高未来重型直升机的有效载荷，延长航程，降低使用成本。

FATE计划要实现高性能目标，需要增加发动机的转速、温度和压力，这给涡轮发动机的力学部件带来了很大的挑战。更高的转速会导致更大的离心载荷，对部件的耐久性和损伤容限也是挑战。另外，密封件、轴承、转子支承系统以及润滑系统需要在保持重量最小、在满足性能指标要求的条件下能够承受更高的循环温度、压力和速度，这为发动机的设计带来了挑战。FATE压气机台架试验演示了GE公司历史上增压比最高的单轴压气机；燃烧室试验通过使用CMC材料降低了冷却气流的流量；涡轮台架试验演示了最高效率、先进气动和优化的冷却方案。在FATE项目中将使用增材制造技术实现发动机部件的低成本快速生产。

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