2018年3月7日，GE公司將研制中的先進(jìn)渦槳（ATP）發(fā)動(dòng)機(jī)正式命名為“催化劑”（Catalyst），旨在表明全新的渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)正在成為促進(jìn)渦槳飛機(jī)發(fā)生變革的催化劑。這種新型發(fā)動(dòng)機(jī)不僅具有更大的巡航功率、更高的燃油效率，還將全面改善飛行員的駕駛體驗(yàn)，有望開創(chuàng)渦槳飛機(jī)設(shè)計(jì)和使用的新時(shí)代。

在2008年收購了捷克的沃爾特飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)（Walter Aircraft Engines）公司后，GE公司組建了GE公務(wù)和通用航空業(yè)務(wù)部門，推出了基于M601渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的H80衍生型發(fā)動(dòng)機(jī)，但其長(zhǎng)期愿景是在歐洲啟動(dòng)先進(jìn)渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)（ATP）研制計(jì)劃，為公務(wù)和通用航空市場(chǎng)提供一種全新的高性能渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)。

研制發(fā)展背景

從2012年開始，GE公司的渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)研制團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)期待擁有新技術(shù)和新價(jià)值的發(fā)動(dòng)機(jī)。隨后，研制團(tuán)隊(duì)開始走訪飛機(jī)制造商和運(yùn)營商，全面論證和評(píng)估一款全新的通用飛機(jī)對(duì)于渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)要求。在收集了來自世界各地的客戶反饋后，研制團(tuán)隊(duì)初步確定了未來市場(chǎng)對(duì)ATP發(fā)動(dòng)機(jī)的性能需求。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，研制團(tuán)隊(duì)首先提出了ATP發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)規(guī)范和總體構(gòu)型，在此基礎(chǔ)上先后優(yōu)化設(shè)計(jì)了4種方案，并啟動(dòng)了初始設(shè)計(jì)工作。同時(shí)，研制團(tuán)隊(duì)參照GE公司在商用發(fā)動(dòng)機(jī)上的研發(fā)流程，確定了切實(shí)可行的交付標(biāo)準(zhǔn)。作為全新渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)系列的一部分，ATP發(fā)動(dòng)機(jī)包括735～1176kW的系列發(fā)動(dòng)機(jī)，并將其第一個(gè)型號(hào)臨時(shí)稱作GE93。

在此期間，美國公務(wù)機(jī)制造商德事隆(Textron)集團(tuán)發(fā)出了為其全新設(shè)計(jì)的迪納利公務(wù)機(jī)尋求動(dòng)力的需求建議書。為此，GE公司進(jìn)一步優(yōu)化了設(shè)計(jì)方案，參與項(xiàng)目競(jìng)爭(zhēng)。2015年11月16日，德事隆集團(tuán)在美國公務(wù)航空協(xié)會(huì)（NBAA）年會(huì)上正式宣布選擇GE公司的ATP設(shè)計(jì)方案，作為新一代迪納利公務(wù)機(jī)的動(dòng)力裝置。同日，GE公司宣布正式啟動(dòng)661～1250kW的ATP發(fā)動(dòng)機(jī)研制計(jì)劃。

2017年年初，GE公司與捷克政府達(dá)成協(xié)議，在布拉格建立一個(gè)渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)研制、測(cè)試和生產(chǎn)的總部，在滿負(fù)荷生產(chǎn)后將雇用500名員工。

2017年12月22日，第一臺(tái)ATP發(fā)動(dòng)機(jī)在位于布拉格的GE航空捷克工廠進(jìn)行了首次點(diǎn)火試車。2018年3月7日，GE公司將ATP發(fā)動(dòng)機(jī)正式命名為“催化劑”（Catalyst），意在表明這項(xiàng)計(jì)劃將成為推動(dòng)渦槳飛機(jī)研制與發(fā)展的“催化劑”。GE航空集團(tuán)副總裁兼公務(wù)和通用航空業(yè)務(wù)總經(jīng)理布萊德·莫提耶在布拉格研發(fā)中心強(qiáng)調(diào)，這種全新研制的渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)不僅是為了提供更快或更省油的方法，而是讓飛行員感覺到更像是在操縱一架噴氣式飛機(jī)。

主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)

Catalyst發(fā)動(dòng)機(jī)是公務(wù)和通用航空市場(chǎng)30多年來第一種全新設(shè)計(jì)的渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)，充分借助了GE公司在大型商用發(fā)動(dòng)機(jī)上經(jīng)過驗(yàn)證的技術(shù)和數(shù)十億小時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)使用經(jīng)驗(yàn)，并擁有98項(xiàng)專利技術(shù)?；贑T7渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)堅(jiān)固耐用的模塊化結(jié)構(gòu)，Catalyst發(fā)動(dòng)機(jī)以更低的運(yùn)營成本實(shí)現(xiàn)更好的性能。

Catalyst發(fā)動(dòng)機(jī)是一種逆流式發(fā)動(dòng)機(jī)，空氣從發(fā)動(dòng)機(jī)后部進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)，向前流入，依次進(jìn)入壓氣機(jī)、燃燒室和渦輪，從噴管排出燃?xì)狻Ｍ瑫r(shí)，低壓渦輪輸出功率，驅(qū)動(dòng)五槳葉復(fù)合材料恒速螺旋槳系統(tǒng)。

在同級(jí)別渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)中，Catalyst發(fā)動(dòng)機(jī)是第一種采用兩級(jí)可變靜子葉片和冷卻高壓渦輪葉片的渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)，號(hào)稱擁有業(yè)內(nèi)最高的總增壓比，燃油消耗率降低20%，巡航功率增加10%。從使用維護(hù)來看，它的平均大修間隔時(shí)間（MTBO）延長(zhǎng)了33%，達(dá)到4000～6000h。從外形尺寸來看，Catalyst發(fā)動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)度不大于1.83m，直徑為483mm，凈質(zhì)量為270 kg。

壓氣機(jī)源于GE公司的T700/CT7渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，采用了與GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)相同的三維空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，有4個(gè)軸向級(jí)和一個(gè)離心級(jí)，采用全鈦合金制造，具有質(zhì)量輕的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。隨著設(shè)計(jì)優(yōu)化，其壓氣機(jī)由最初的一級(jí)可調(diào)靜子葉片改為兩級(jí)可調(diào)靜子葉片，可以更好地調(diào)整壓氣機(jī)工作狀態(tài)，增大級(jí)增壓比。與同級(jí)別渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)相比，Catalyst發(fā)動(dòng)機(jī)的總增壓比幾乎增加了1倍，達(dá)到了16∶1，這將有助于飛機(jī)在完成同一任務(wù)時(shí)消耗更少的燃料，獲得更多的動(dòng)力，飛行更遠(yuǎn)的距離。

燃燒室采用了類似于HF120發(fā)動(dòng)機(jī)的單環(huán)形回流式燃燒室。制造過程中，GE公司廣泛采用了增材制造技術(shù)，可以針對(duì)回流式燃燒室的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，將燃燒室長(zhǎng)度最小化，有效地改善了裝配方式，減輕了發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量。

渦輪采用了兩級(jí)高壓渦輪和三級(jí)低壓渦輪。低壓渦輪采用對(duì)轉(zhuǎn)方式。基于CT7系列發(fā)動(dòng)機(jī)的使用經(jīng)驗(yàn)，Catalyst發(fā)動(dòng)機(jī)的兩級(jí)單晶高壓渦輪將成為同級(jí)別渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)中第一個(gè)采用冷卻渦輪的高溫部件，允許渦輪前溫度超出149℃，從而獲得更大的推力，提高燃油效率。

按照設(shè)計(jì)，迪納利渦槳飛機(jī)采用Catalyst發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)五槳葉復(fù)合材料恒速螺旋槳系統(tǒng)，航程超過2778km，航速超過518km/h，擁有一流的低運(yùn)營成本。

同時(shí)，Catalyst發(fā)動(dòng)機(jī)中還設(shè)置了多種傳感器，可以收集各種數(shù)據(jù)，不再需要頻繁檢查高溫部件，延長(zhǎng)了MTBO，甚至可以基于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的地區(qū)和工作方式，為發(fā)動(dòng)機(jī)創(chuàng)建個(gè)性化的維修計(jì)劃。

集成控制系統(tǒng)

針對(duì)公務(wù)和通用航空市場(chǎng)的需求，GE公司在Catalyst發(fā)動(dòng)機(jī)上的第二個(gè)突破性創(chuàng)新是首次采用了全權(quán)限數(shù)字式電子和螺旋槳集成控制（FADEPC）系統(tǒng)，將成為傳統(tǒng)渦槳飛機(jī)機(jī)械液壓多桿控制系統(tǒng)的替代產(chǎn)品，從而使飛行員能夠像駕駛噴氣式飛機(jī)一樣操縱渦槳公務(wù)機(jī)，大大改善了飛行駕駛的體驗(yàn)。為此，莫提耶表示：“僅僅是簡(jiǎn)化駕駛艙這一項(xiàng)技術(shù)就會(huì)成為改變未來飛機(jī)設(shè)計(jì)理念的催化劑?！?/p>

GE公司利用其在發(fā)動(dòng)機(jī)集成和控制方面的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)研發(fā)了單桿控制系統(tǒng)，使FADEPC成為飛行員通過油門桿來控制發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵，可以顯著減少工作量。

作為控制發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳槳距的一體化控制系統(tǒng)，F(xiàn)ADEPC可以根據(jù)飛機(jī)工作情況來改變發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，最大限度地提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能，杜絕發(fā)動(dòng)機(jī)超限。如果飛機(jī)上有防冰系統(tǒng)或環(huán)境控制系統(tǒng)，相應(yīng)的扭矩和螺旋槳轉(zhuǎn)速將會(huì)發(fā)生變化。FADEPC、兩級(jí)可調(diào)靜子葉片和三級(jí)對(duì)轉(zhuǎn)低壓渦輪可以在非設(shè)計(jì)狀態(tài)下及時(shí)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，保持性能參數(shù)處于最佳，由此使巡航功率提高10%。

FADEPC從本質(zhì)上使得飛行員能夠?qū)Ｗ⒃诟叨说娜蝿?wù)操作上，可以使飛行像推拉桿一樣簡(jiǎn)單。這樣，飛行員將有更多的時(shí)間駕駛飛機(jī)，眺望窗外，體驗(yàn)飛行的樂趣，而不是一直把注意力放在監(jiān)控和調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)上。

更為重要的是，F(xiàn)ADEPC獲得的數(shù)據(jù)還成為GE公司針對(duì)Catalyst發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)施數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)劃的重要推動(dòng)因素。在發(fā)動(dòng)機(jī)離開生產(chǎn)線后，各種測(cè)試傳感器用于收集發(fā)動(dòng)機(jī)的性能數(shù)據(jù)以及主要特性和關(guān)鍵容限。這些信息將構(gòu)成創(chuàng)建數(shù)字孿生發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)，在發(fā)動(dòng)機(jī)投入使用后，通過數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)控制器收集的運(yùn)行數(shù)據(jù)，可以評(píng)估實(shí)際工作中的性能和維修需求。

運(yùn)用先進(jìn)技術(shù)

GE公司在Catalyst發(fā)動(dòng)機(jī)的研制過程中廣泛采用了增材制造技術(shù)，簡(jiǎn)化了制造過程，以實(shí)現(xiàn)更先進(jìn)的零件設(shè)計(jì)，并減少了零件數(shù)量。隨著復(fù)雜性的降低，加快了生產(chǎn)速度，減少了燃油消耗和質(zhì)量，并通過更少的接縫和更嚴(yán)格的公差來提高耐久性。

其中，855個(gè)常規(guī)制造零件已減少到12個(gè)3D打印零件，包括框架、燃燒室襯套、滑油箱、排氣管、軸承座、流路中的固定部件和熱交換器，將發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量減輕了5%，并將燃油消耗率降低了1%。另外，整體式滑油箱取代了45個(gè)傳統(tǒng)零件，只需4天就可以打印出來，而最初需要14天。

Catalyst發(fā)動(dòng)機(jī)號(hào)稱是世界上第一臺(tái)“數(shù)字原生”（Digital Native）航空發(fā)動(dòng)機(jī)。設(shè)計(jì)師使用先進(jìn)的3D建模，并在此基礎(chǔ)上為發(fā)動(dòng)機(jī)配備了完備的傳感器，通過收集各種數(shù)據(jù)，可以隨時(shí)掌握發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的性能特征。

目前，捷克技術(shù)大學(xué)和GE公司正在使用第一臺(tái)Catalyst發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展新型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)防性健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過數(shù)字化技術(shù)創(chuàng)建更高標(biāo)準(zhǔn)的個(gè)性化服務(wù)和保障，有望徹底改變發(fā)動(dòng)機(jī)的使用和維護(hù)方式。具體而言，該系統(tǒng)可以在每次飛行過程中收集性能數(shù)據(jù)，并判斷當(dāng)下的飛行環(huán)境、飛行期間發(fā)動(dòng)機(jī)及其附件以及控制系統(tǒng)的健康狀態(tài)。

截至2018年6月初，第二臺(tái)Catalyst發(fā)動(dòng)機(jī)（編號(hào)005）已完成前幾個(gè)小時(shí)的試車，隨后于夏天運(yùn)送到加拿大進(jìn)行高空臺(tái)測(cè)試，進(jìn)入取證測(cè)試階段。按照計(jì)劃，GE公司將在2018年年底把3臺(tái)Catalyst發(fā)動(dòng)機(jī)送往堪薩斯州的威奇托，為2019年年初的迪納利原型機(jī)的首飛做好準(zhǔn)備。

目前，GE公司已經(jīng)將Catalyst發(fā)動(dòng)機(jī)列入其不斷增長(zhǎng)的渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)業(yè)務(wù)。從發(fā)展來看，該型發(fā)動(dòng)機(jī)還可以作為其他一些應(yīng)用的基礎(chǔ)平臺(tái)。針對(duì)不同用途，它可以經(jīng)過改進(jìn)，用作直升機(jī)的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，也可用作商用飛機(jī)的輔助動(dòng)力裝置（APU），甚至有望成為未來混合動(dòng)力電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)的核心。