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超级突破卡盟 B-52H轰炸机的“商用发动机更换计划”

超级突破卡盟 超级突破卡盟 B-52H轰炸机的“商用发动机更换计划”

安装在B-52上的TF-33发动机。

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一架B-52机体开始为期一个月的旅程,前往俄克拉何马州廷克空军基地,波音工程师将在那里测试安装新发动机、雷达和其他装备。

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F130发动机在试验台上的新机舱中进行试验的计算机渲染图。

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一架美空军B-52经KC-135加油后飞越亚洲西南部。

美空军从2013年开始对其B-52机队进行技术升级,新发动机、新雷达、先进的超高频和超低频通信、数据链路更新等一系列更新计划将重新定义21世纪30年代的B-52。而这其中换装新发动机是B-52项目一系列升级中的核心,换发可以使B-52在未来20到30年内继续保持作战能力,将其寿命延长至2050年代。

B-52及其动力装置简介

B-52基本情况介绍

B-52H远程轰炸机编队自20世纪60年代以来一直在飞行。其既执行常规任务,又可以扮演战略核威慑角色。

B-52的系统组成包括三部分:(1)B-52H是一种远程全天候亚声速后掠翼远程战略轰炸机,机组成员包含两名飞行员、两名武器系统军官和一名电子战军官;(2)B-52的任务系统包括GPS辅助精确导航系统、战略雷达定位系统、电子作战系统以及全球通信和数据传输系统;(3)B-52H可以在内部炸弹舱/外部机翼塔架中携带高达80000磅(约36吨)的精确制导或非制导常规和核武器。

B-52的任务使命包括:(1)战区指挥官使用配备B-52H的机队进行远程、全天候常规和核打击行动,在中低威胁环境中对地面和海上目标使用多种弹药;(2)B-52可执行的战时任务包括:战略攻击、时间敏感目标定位、空中拦截、近距离空中支援、压制/摧毁敌人防空、海上作战和核威慑。

B-52的动力装置目前B-52的动力装置是普惠公司的TF-33,基于J57发动机的核心机发展而来。TF-33-P-7发动机的性能参数如下。

压气机:轴流式,2级风扇,6级低压压气机和7级高压压气机

涡轮:1级高压涡轮和3级低压涡轮

推力:21000磅(约9525千克)重量:4360磅(约1977千克)总体压比:16:1推重比:3.9涵道比:1.42:1比油耗:0.78lb/(lbf·h)(22 g/ (kN·s))(国际标准大气下,高度11000米,Ma 0.82,4000磅力(约1814千克))

从上世纪60年开始,民用版本(JT3D)为波音707-120和麦克唐纳道格拉斯DC-8客机提供动力;军用版本(TF-33)为波音B-52H、C-18、KC-135系列、E-3A AWACS,洛克希德·马丁公司C-141,诺斯罗普·格鲁门E-8C Joint STARS等提供动力。

B-52商用发动机更换计划

(CERP)项目背景自1961年普惠用TF-33发动机替换了搭载在B-52 A-G系列的PW J-57系列发动机起,B-52飞机的发动机就一直是美空军的一个重要议题。1982年普惠第一次提出用4个现代化和推力更大的发动机替换8台TF33,但五角大楼决定用B-1B和B-2A取代B-52,计划第一次被搁浅。“冷战”结束后,B-2采购量削减,不得不延长B-52的服役年限。由于最新的TF-33也是生产制造于1985年,年代久远,为延长B-52H的生命周期,1996年波音和罗罗提议用新的、租用的动力装置替换TF-33,但美空军回绝了这一提议,B-52换发计划第二次被搁置。随后在2004年,美国防部国防科学委员会再一次建议对B-52进行换发,由于与美空军使用B-52作为威胁范围的防区外干扰机的新概念不谋而合,从而获得军方的同意。随着2006年放弃了防区外干扰机概念,B-52换发计划再一次被搁。虽然一度于2008年重启换发计划和防区外干扰机概念,但次年迫于财政压力不得不再次取消。2014年空军全球打击司令部认为对B-52进行升级后可以延长其使用寿命至2040年或更长,但是由于年代久远,TF-33面临可持续性制造和保障的难题,需要替换已经服役了52年的TF-33发动机。美空军在其2021年预算申请随附的文件中表示,预计到2030年这些发动机将变得不可用。另一方面,由于发动机生产线已经停产数十年,寻找备件亦变得越来越困难,加大了后期维护的成本。据悉,TF-33的基地维修成本从1996财年的257000美元大幅增加到2006财年的125万美元,2019财年又提高到了约170万美元。据波音公司称,其2020年的检修成本已增加到了200万美元。此外cf卡盟24小时自动发卡平台,以同样装配TF-33发动机的E-3机队为例,当前TF-33计划检修时间为6000个飞行小时,2007年到2019年,廷克空军基地E-3机队TF-33发动机的检修时间为2753.5小时,不到当前计划大修时间的一半。因此,为了确保空军轰炸机部队的核威慑和常规火力,经历数次提议被搁浅后,美空军最终决定在2018年重新启动B-52换发计划,并命名为B-52商用发动机更换计划(CERP)。

B-52商用发动机更换计划2018年美空军正式启动B-52换发计划,同时宣布将同时考虑现成的商用发动机和对TF-33发动机升级两个方案。CERP并对商用发动机提出了以下要求:

(1)燃油效率提高20%~40%,不会对作战造成任何影响;

(2)发动机具有与TF-33相同的推力等级(17000磅,约7700千克);

(3)航程提高40%;

(4)当前最小控制空速不变的情况下,维持当前的作战上限和起飞性能;

(5)发动机必须与当前B-52的电气、液压、气动和燃油系统兼容同时不影响外部武器性能。

一年后否决了对TF-33发动升级的计划,将考虑使用成熟的、现成的商用发动机。

2020年3月美国防部作战测试与评估(DOT&E)批准了初始B-52商用发动机更换计划(CERP)测试和评估总体规划(TEMP)。空军批准了一项B-52 CERP能力发展文件(CDD),并于2020年5月制定正式的作战要求。这些文件符合《2020年国防授权法案》(NDAA)的具体要求。同年5月19日,CERP征求建议书规定了TF-33将与新发动机进行一对一换发。随后GE、普惠和罗罗北美公司递交了投标书。GE选择CF34-10和Passport系列发动机;普惠选择PW815发动机;罗罗则选择使用F130系列发动机,它是BR725商用系列的军用版本,目前为美空军在C-37(BR710)和E-11BACN(BR710)提供动力。2021年9月24日,罗罗赢得了CERP竞赛,赢得了美国国防部一份价值5.009亿美元的初始合同,用于在B-52上对F130进行开发和测试。随后将为美空军所有76架B-52战略轰炸机更换650台新型F130涡扇发动机,包括42台备用发动机,总价格高达26亿美元。B-52 CERP项目的管理创新(1)采用新的采办类别CERP项目规划成本超出采办分类I类项目门槛(总金额4.8亿美元以上),属于重大国防采办项目,并于2018年9月20日被确定为中层采办(MTA)项目。这是2016年《国防授权法》第804节授权的新采购类别,有助于快速系统原型制作和采办。据悉通过中层采办,美空军可以将CERP时间提前39个月。所谓的中层采办是快速采办的临时方法,聚焦于在2~5年内的交付能力。

自2018年以来,B-52 CERP项目一直与波音公司合作,开展风险降低需求研究,并提供虚拟发动机短舱原型,包括计算机建模、发动机集成。2021年9月,该项目选择罗罗与波音合作,将其发动机集成到虚拟系统原型设计中。虚拟系统原型开发正在逐步进行,并于2021年9月具备初始能力(螺旋1增量1),预计于2022年7月具备完整能力(螺旋1增量2)。

(2)引入数字工程在2020年9月虚拟空军协会的空中、空间和网络会议上的演讲中,当时的服务部长Barbara公布了新的e系列类开发项目,该项目将在采用物理形式之前进行数字化设计和虚拟测试。耗资数十亿美元的B-52 CERP是仅绝地辅助挂有的几个获得e系列认证的计划之一。这种创新的数字工程方法将节省大量时间并降低大规模升级计划的风险。

数字工程可以使公司能够完全实现在线设计、制造和测试飞机、卫星或武器系统,从而压缩项目时间,减少对基础设施需求,降低成本。

2019年11月,竞争承包商交付了发动机虚拟动力舱原型(vPPP)数字设计。vPPP用于开发完整的飞机数字设计模型,称为虚拟系统原型(vSP)。vPPP和vSP数字设计模型将提供详细信息,以支持两架B-52原型飞机的物理改装。

CERP项目现阶段进展

CERP寻求为每架B-52换装8台新的罗罗F130发动机,以取代1962年制造的普惠TF-33发动机。由于换装新发动机,需要新的挂架、新的双发动机短舱;同时新发动机将采用数字控制,因此需要对动力装置与B-52驾驶舱的接线进行重新布置。

目前该项目正在稳步快速推进中,两台新的F130发动机已经完成,CERP的初步设计审查计划将在今夏进行,并于秋季对前两台发动机再进行台架测试。

波音工作进展作为B-52H的制造商,同时也是CERP项目的主集成商,波音将负责:

(1)设计新的发动机短舱,并进行发动机集成,同时确保新的动力装置不会对现有或新设备的功能产生不利影响;

(2)负责连接驾驶舱和发动机接线的重新布置;

(3)与罗罗联合开发新的混合机械数字油门系统。

2020年起,波音在克拉何马城工厂建造一个新的“high bay”,这座耗资2000万美元、占地60770平方英尺(5645平方米)的扩建工程将用于容纳一架退役的美空军B-52轰炸机的机翼和机身,用于换装发动机及后续雷达现代化项目(RMP)等测试工作。一架B-52于2022年1月份从亚利桑那州的戴维斯-蒙森空军基地运到俄克拉荷马州的廷克空军基地,在“high bay”中完成安装后,将为项目提供一个可以用于工程的全尺寸的测试平台。

由于将对B-52进行一对一换发,因此短舱是升级的关键要素之一。波音目前正在设计一种新的发动机短舱来容纳F130,并在未来几年进行测试以确保发动机升级不会对B-52的性能产生不利影响。今年04月13日,波音选择Spirit AeroSystems公司为B-52 CERP的初始阶段提供发动机挂架和短舱。

罗罗工作进展罗罗公司负责发动机的生产、制造及对维护人员的培训。最初的合同要求罗罗开发和生产24台发动机,其中4台用于地面测试,20台用于飞机和备件测试。

罗罗正在建设一个耗资6亿美元的新生产工厂,并将新建一个用于F130演示的测试台,并计划在NASA约翰·C·斯坦尼斯航天中心进行首批次两台发动机的评估,还将在室外喷气发动机测试试验台对发动机进行可操作性和侧风效应测试。由于第一批发动机将配备大量仪表,将其投入运营服务可能不具有成本效益,因此目前尚不清楚测试发动机最终是否会安装部署到B-52。发动机的物理测试数据可以更新软件模型的预测值,同时为罗罗和波音联合开发的控制系统提供数据。

罗罗已经为B-52发动机维修人员开发了虚拟现实(VR)培训软件,可以降低培训新维护人员的成本和风险,并提高安全性。更重要的是可以为世界各地的维护人员提供实时、全天候的全球支持能力,即无论飞机部署在何处,维修人员都可以通过VR培训系统与罗罗技术专家联系。但罗罗公司表示目前考虑为维护人员提供相关培训还为时过早。

CERP的未来前景

B-52 CERP面临成本持续上涨的困境

2020年美国空军就曾向国会表示,由于新冠大流行导致的供应链问题,CERP的成本增加了9%,约为110亿美元。2022年5月19日,美国《空军杂志》发文称,在新的改装估计中,与空军项目办公室2017年发布的原始预算相比,B-52换发的成本增加了50%,且更多地与发动机集成有关,与发动机本身的关系不大。随后空军采购执行官Andrew P. Hunter承认了B-52 CERP价格上涨,但是并没有明确具体价格。

GAO完成B-52 CERP项目中层采办的评估

2022年6月,美国国会政府问责局(GAO)发布了名为《武器系统年度评估:更快部署能力的挑战持续存在》“Weapon Systems Annual AssessmentChallenges to Fielding C a p a b i l i t i e s F a s t e r Persist”的报告,对CERP的中层采办的螺旋1的项目进度、技术、软件开发和网络安全、过渡计划等内容进行了评估,确定了合同延期、技术成熟度及试验设施扩建、供应链挑战、其他B-52现代化项目的延误以及空军和波音计划之间的脱节等可能导致整个项目进度延误的其他风险,且目前正在努力了解这些问题对未来项目工作的影响。

B-52 CERP的后续计划2023年定于年中进行关键设计审查,并于秋季进行室外短舱试验,如果一切顺利,将开始生产24个用于开发/运行测试的发动机。

2024年波音公司将在其圣安东尼奥改装工厂使用F130发动机改装前两架B-52H。并于2025年开启飞行测试。

2027年计划授予F130生产合同,但现在开始低速率初始生产和里程碑C或全速率生产还为时过早。现计划以每年10到11台的速度进行组装。

2035年完成所有发动机的升级。2040年通过换发带来燃料和维护成本的降低来收回CERP项目的投资成本。

2050年B-52将退役,结束其一生。

B-52 CERP未来前景美国《空军杂志》2022年6月发布的美空军2021财年(2020年10月1日至2021年9月30日)年鉴中指出,现有轰炸机编队中现役轰炸机共计141架,其中B-52H“同温堡垒层”占据半壁江山共计76架,只有20架B-2隐身轰炸机和45架B-1B“枪骑兵”。今年早些时候的5月20日美空军表示,第一架B-21“空袭者”轰炸机的首飞时间推迟至2023年,比预期的时间推迟了至少6个月,尚不用谈大量部署。再加上隐形B-21的数量和有效载荷有限,更加突显B-52不可或缺的重要地位。因此为保证美空军远程、全天候常规和核打击力量,对B-52换发势在必行。

B-52 CERP凭借采用新的采办策略和引入先进的数字工程,可以有效降低项目成本,降低项目风险,压缩项目时间,加速实现让美国20世纪最著名的飞机之一服役到21世纪上半叶的目标。

小结

目前美军F-35同样面临对F135发动机进行升级以及换装自适应变循环发动机(GE的XA100和普惠的XA101)的两种选择,而正在进行的B-52 CERP的项目可能会提供些许思路。

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