俄羅斯第五代軍用航空發(fā)動機(jī)的演進(jìn)

■ 何 謙 王巍巍/中國航發(fā)渦輪院

2017年12月5日，俄羅斯第五代軍用航空發(fā)動機(jī)——30號機(jī)——配裝蘇-57進(jìn)行了首飛（見圖1）。自俄羅斯第五代戰(zhàn)斗機(jī)立項以來，發(fā)動機(jī)一直是其研制過程中的一塊短板。盡管30號機(jī)預(yù)計將于2020年才能量產(chǎn)，但此次首飛無疑是為蘇-57，乃至整個俄羅斯航空工業(yè)注入了一劑“強(qiáng)心針”。追溯30號機(jī)的“前世今生”，或許可以為我國的航空發(fā)動機(jī)研制提供一些借鑒和參考。

俄羅斯第五代軍用發(fā)動機(jī)的研制歷史可以追溯到20世紀(jì)80年代的蘇聯(lián)時期。當(dāng)時，留里卡設(shè)計局開始第五代軍用發(fā)動機(jī)AL-41F的研制工作，目標(biāo)是配裝與美國第五代戰(zhàn)斗機(jī)抗衡的多用途前線殲擊機(jī)（MFI，即米格1.42）。由于蘇聯(lián)解體及相關(guān)研制目標(biāo)的調(diào)整，米格1.42戰(zhàn)斗機(jī)停止研制，AL-41F發(fā)動機(jī)的研制工作也被迫終止。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著經(jīng)濟(jì)實力的逐步恢復(fù)，俄羅斯第五代戰(zhàn)斗機(jī)的研發(fā)工作也重新提上了日程，在MFI的基礎(chǔ)上，先后提出了輕型前線殲擊機(jī)（LFS）、中型前線殲擊機(jī)（SFI)、未來戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)（PAK FA）等多個新一代戰(zhàn)斗機(jī)方案。俄羅斯發(fā)動機(jī)行業(yè)為了應(yīng)對不同的需求，在停止AL-41F發(fā)動機(jī)研制后，又先后推出了117S（又稱為 AL-41F-1S）、117（又稱為AL-41F-1）、30號機(jī)等型號發(fā)動機(jī)，以及其他多個競爭方案。

俄羅斯第五代發(fā)動機(jī)需求的變遷

圖1 30號機(jī)(左側(cè)發(fā)動機(jī))配裝蘇-57試飛

需求牽引是發(fā)動機(jī)發(fā)展的驅(qū)動力，俄羅斯新一代軍用航空發(fā)動機(jī)的發(fā)展也不例外。俄羅斯第五代軍用航空發(fā)動機(jī)的研制工作是與第五代戰(zhàn)斗機(jī)的研制需求緊密關(guān)聯(lián)的。雖然蘇聯(lián)第五代軍用戰(zhàn)斗機(jī)的需求提出得很早，但受蘇聯(lián)解體、經(jīng)濟(jì)危機(jī)、軍事戰(zhàn)略調(diào)整等諸多因素的影響和制約，俄羅斯第五代戰(zhàn)斗機(jī)的軍事需求和發(fā)展戰(zhàn)略不斷發(fā)生變化，其研制工作一波三折，研發(fā)方案幾經(jīng)調(diào)整，導(dǎo)致第五代軍用航空發(fā)動機(jī)的研制工作也是幾經(jīng)周折，總體方案甚至推力量級和重要的技術(shù)指標(biāo)都進(jìn)行了大幅調(diào)整。

軍事抗衡需求

蘇聯(lián)為了抗衡美國的F-22戰(zhàn)斗機(jī)，于1983年開始研制MFI，該戰(zhàn)斗機(jī)由米高揚設(shè)計局研制。蘇聯(lián)解體后，俄羅斯開始一廂情愿地倒向西方，與西方軍事抗衡的必要性似乎一夜之間就消失了。加上隨之而來的經(jīng)濟(jì)危機(jī)，米格1.42研制進(jìn)度大大拖延，最后被迫終止。米格1.42的技術(shù)參數(shù)與F-22比較接近，因此對發(fā)動機(jī)的要求很高。留里卡設(shè)計局研制的AL-41F發(fā)動機(jī)早年雖然被選中用于MFI，但發(fā)動機(jī)的研制工作隨戰(zhàn)斗機(jī)項目的終止而擱淺。

對標(biāo)需求

在20世紀(jì)90年代初，美國開始研制第四代輕型戰(zhàn)斗機(jī)JSF。作為傳統(tǒng)的軍事強(qiáng)國，俄羅斯于1996年宣布了殲擊機(jī)-2000項目（LFS），需要推力為137～157kN的發(fā)動機(jī)。留里卡設(shè)計局為了滿足LFS的技術(shù)需求，決定在AL-41F和AL-31F發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)上研制推力為137～147kN的新型發(fā)動機(jī)，該發(fā)動機(jī)的設(shè)計代號為117（見圖2）。但是，由于俄羅斯在20世紀(jì)90年代遭遇經(jīng)濟(jì)危機(jī)，根本沒有資金支持LFS的研制，對航空發(fā)動機(jī)的投資也少得可憐，這一時期LFS和117發(fā)動機(jī)的研制工作基本處于紙上談兵階段。

戰(zhàn)術(shù)需求

隨著經(jīng)濟(jì)形勢和國際環(huán)境的變化，俄羅斯空軍決定調(diào)整未來戰(zhàn)斗機(jī)研制計劃，不再一味跟隨美國，而是著眼于國際局勢，立足于本國實際。1998年俄羅斯提出了21世紀(jì)殲擊機(jī)項目（SFI），也就是研發(fā)介于MFI和LFS之間的中型殲擊機(jī)。SFI計劃使用兩臺用于LFS的發(fā)動機(jī)。2000年6月，留里卡設(shè)計局研制的117發(fā)動機(jī)被選為SFI的發(fā)動機(jī)。

2000年年底，俄羅斯空軍修改了SFI項目的技術(shù)要求，在此基礎(chǔ)上于2001年4月提出了未來戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)項目，取代SFI。PAK FA的標(biāo)準(zhǔn)起飛重量約23t，最大達(dá)到30～32t，與F-22基本相當(dāng)。2002年，蘇霍伊設(shè)計局的T-50中標(biāo)，被選定為PAK FA戰(zhàn)斗機(jī)方案。2003年，在T-50戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)動機(jī)選型競標(biāo)中，留里卡設(shè)計局的117發(fā)動機(jī)順利中標(biāo)。T-50將配裝兩臺117發(fā)動機(jī)。

圖2 T-50第一階段使用的117發(fā)動機(jī)

2004年12月，俄羅斯空軍又宣布調(diào)整PAK FA的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)，并確定分兩個階段來達(dá)到目標(biāo)。PAK FA第一階段使用117發(fā)動機(jī)，飛機(jī)最大飛行速度從Ma2.15調(diào)整為Ma2.0；第二階段計劃采用推力為147～152kN的全新發(fā)動機(jī)，以保證飛機(jī)實現(xiàn)不加力超聲速巡航和超機(jī)動性。

俄羅斯第五代軍用航空發(fā)動機(jī)的研制歷程

AL-41F發(fā)動機(jī)

在蘇聯(lián)時期確定的第五代戰(zhàn)斗機(jī)米格1.42的牽引下，留里卡設(shè)計局于1981年在比較成熟的AL-31F發(fā)動機(jī)的基礎(chǔ)上，開始研制內(nèi)部設(shè)計代號為20號機(jī)的AL-41F發(fā)動機(jī)。

在為米格1.42進(jìn)行發(fā)動機(jī)選型時，聯(lián)盟航空發(fā)動機(jī)科研生產(chǎn)聯(lián)合體（SOUS）提供了R179-300發(fā)動機(jī)方案進(jìn)行競爭。R179-300發(fā)動機(jī)的推力達(dá)196kN，推重比接近12。該發(fā)動機(jī)以用于雅克-141超聲速垂直起降戰(zhàn)斗機(jī)的R79V-300發(fā)動機(jī)為基礎(chǔ)。但空軍認(rèn)為AL-41F發(fā)動機(jī)從進(jìn)度上更有保證，還是選擇了AL-41F發(fā)動機(jī)為動力。

AL-41F發(fā)動機(jī)共生產(chǎn)了26臺，僅在蘇聯(lián)時期投入的經(jīng)費就達(dá)到了15億美元。1987—1988年，AL-41F發(fā)動機(jī)在圖-16和米格-25PD飛行試驗臺上進(jìn)行了飛行試驗。AL-41F發(fā)動機(jī)最大狀態(tài)推力約117.6kN，加力推力接近175kN，按照俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)計算，其推重比超過11（按照美國標(biāo)準(zhǔn)計算則為10左右）。

AL-41F發(fā)動機(jī)采用了3級風(fēng)扇、7級壓氣機(jī)、全環(huán)形燃燒室、單級高壓渦輪、單級低壓渦輪、加力燃燒室和推力矢量噴管，AL-41F還在俄羅斯率先嘗試采用全權(quán)限數(shù)字式電子控制（FADEC）系統(tǒng)，此外還大量采用了在當(dāng)時較為先進(jìn)的工藝和新材料。高壓渦輪葉片采用了先進(jìn)的增強(qiáng)冷卻結(jié)構(gòu)，渦輪前溫度為1828K。有報道稱，AL-41F還嘗試采用了變循環(huán)技術(shù)。

盡管采用了一些創(chuàng)新設(shè)計思路，但總體而言，AL-41F發(fā)動機(jī)的研制是不成功的。首先是由于片面追求高指標(biāo)，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)的部件匹配、整機(jī)振動、壓氣機(jī)喘振、加力燃燒室振蕩燃燒等諸多問題久拖未決，影響了進(jìn)一步的研制工作。其次是尺寸過大，雖然其葉輪機(jī)級數(shù)比AL-31F減少了3級，但其尺寸明顯增加，這也是后來在蘇-57上無法直接使用的主要原因。

117發(fā)動機(jī)

為了滿足飛機(jī)的需求，盡快推出先進(jìn)的航空發(fā)動機(jī)，俄羅斯的相關(guān)發(fā)動機(jī)設(shè)計局開始對現(xiàn)有的發(fā)動機(jī)進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。

留里卡設(shè)計局在1996年推出了117發(fā)動機(jī)項目，參加LFS項目競標(biāo)。戰(zhàn)斗機(jī)項目由于缺乏資金沒有開展實質(zhì)性研發(fā)，但發(fā)動機(jī)卻沒有完全停止。2000年，117發(fā)動機(jī)進(jìn)入了工程制造階段。在吸取了AL-41F和AL-31F發(fā)動機(jī)的研制經(jīng)驗和教訓(xùn)后，117發(fā)動機(jī)的進(jìn)展比較順利，在2001年的莫斯科航空航天展覽會上以AL-41F-1的名義首次進(jìn)行了公開展示。

2003年，117發(fā)動機(jī)和SOUS研制的R145M-300發(fā)動機(jī)參加了PAK FA戰(zhàn)斗機(jī)的動力裝置競標(biāo)。得益于前期開展的一系列研制工作，有了較好的技術(shù)儲備，技術(shù)更為成熟且風(fēng)險較小， 117發(fā)動機(jī)成功中標(biāo)。

2003年，117發(fā)動機(jī)進(jìn)入臺架試驗階段。2005年，117開始在蘇-27M飛行試驗臺上進(jìn)行飛行試驗。2007年，117發(fā)動機(jī)安裝在蘇-35飛機(jī)在莫斯科航展上進(jìn)行了展示。2009年年底，裝有兩臺117發(fā)動機(jī)的T-50開始試飛。

117發(fā)動機(jī)的研制是以AL-31F發(fā)動機(jī)為基礎(chǔ)，采用了在AL-41F發(fā)動機(jī)上得到驗證的部分技術(shù)，以降低研制風(fēng)險和研制成本，縮短研制周期。117發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)形式與AL-31F相同：4級風(fēng)扇、9級高壓壓氣機(jī)、環(huán)形燃燒室、單級高壓渦輪和低壓渦輪、加力燃燒室以及全向可偏轉(zhuǎn)的矢量噴管。117發(fā)動機(jī)風(fēng)扇直徑從AL-31F發(fā)動機(jī)的905mm增加到932mm；渦輪前溫度比AL-31F的高90K。主燃燒室和加力燃燒室采用了等離子點火技術(shù)，高空點火時不需要補(bǔ)氧。117發(fā)動機(jī)在AL-31F發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)上有了脫胎換骨的變化，其80%的零部件為全新研制，推力增加了19.6kN達(dá)到142～147kN且重量下降了150kg，耗油率降低8%，發(fā)動機(jī)壽命大幅增加達(dá)到4000h。

117發(fā)動機(jī)目前有兩個不同的型號：第一個是117S，即AL-41F-1S，推力為137～142kN，采用機(jī)械電子式控制系統(tǒng)，配裝蘇-35戰(zhàn)斗機(jī)，并出口到國外；第二個是117，即AL-41F-1，推力為142～147kN，采用全權(quán)限數(shù)字式自動控制系統(tǒng)，并與飛控系統(tǒng)綜合，用于蘇-57戰(zhàn)斗機(jī)第一階段動力。

117發(fā)動機(jī)雖然采用了AL-41F部分技術(shù)，但它只能勉強(qiáng)稱得上第五代軍用發(fā)動機(jī)，或者“準(zhǔn)五代”發(fā)動機(jī)。作為蘇-57第一階段動力，它不能保證戰(zhàn)斗機(jī)實現(xiàn)持續(xù)的不加力超聲速巡航，同時在雷達(dá)和紅外隱身方面考慮不夠。這也促使俄羅斯軍方下定決心，全新研制第五代軍用航空發(fā)動機(jī)。

30號機(jī)

為了滿足蘇-57的全部性能指標(biāo)要求，俄羅斯聯(lián)合發(fā)動機(jī)公司（ODK）開始研制全新的第五代軍用發(fā)動機(jī)，設(shè)計代號為30號機(jī)（見圖3），設(shè)計工作主要由其旗下的留里卡設(shè)計局承擔(dān)，同時其旗下的烏法、土星、彼爾姆、禮炮等公司都參加了研制。

30號機(jī)方案設(shè)計工作于2011年開始；2013年發(fā)動機(jī)技術(shù)方案凍結(jié)；2014年開始了部分部件和核心機(jī)臺架試驗；2015年完成全部設(shè)計工作；2016年11月，30號機(jī)的驗證機(jī)成功進(jìn)行了首次試車；2017年12月5日，30號機(jī)配裝蘇-57成功首飛。首飛時，30號機(jī)安裝在蘇-57的左發(fā)位置，右發(fā)位置安裝的還是117發(fā)動機(jī)，首飛持續(xù)時長約15min。

圖3 禮炮機(jī)械制造廠內(nèi)的30號機(jī)

30號機(jī)是俄羅斯真正意義上的第五代發(fā)動機(jī)，在研制過程中采用了一系列先進(jìn)技術(shù)。首先，高壓壓氣機(jī)采用了新的氣動設(shè)計和結(jié)構(gòu)方案，其效率比上一代發(fā)動機(jī)高壓壓氣機(jī)平均提高了4%，零件數(shù)減少了50%，增壓比達(dá)到6.7。雖然技術(shù)先進(jìn)，但制造成本并沒有明顯增加。高壓渦輪葉片采用了先進(jìn)的鎳基高溫合金材料和冷卻結(jié)構(gòu)，工作溫度達(dá)到了1950～2100K；全向推力矢量噴管的調(diào)節(jié)片采用了鋸齒狀結(jié)構(gòu)，以改善隱身性能。同時，為了減輕重量和提高壽命，部分冷端和熱端部件也使用了復(fù)合材料。

30號機(jī)的基本結(jié)構(gòu)為3級風(fēng)扇、5級高壓壓氣機(jī)、全環(huán)燃燒室、單級高壓渦輪和低壓渦輪、加力燃燒室、全向矢量噴管，全權(quán)限數(shù)字式電子控制系統(tǒng)，內(nèi)置先進(jìn)的故障診斷系統(tǒng)。根據(jù)發(fā)布的30號機(jī)首飛視頻初步判斷，其長度小于117發(fā)動機(jī)。

30號機(jī)的基本性能為：中間推力107 kN，加力推力達(dá)到176kN，耗油率和全生命周期成本均比第四代發(fā)動機(jī)大幅降低。按照留里卡設(shè)計局原總師契普金的說法，30號機(jī)的總體性能比第四代發(fā)動機(jī)提高了15%～25%。

雖然30號機(jī)原型機(jī)完成了首飛，但該發(fā)動機(jī)后期還需要進(jìn)行大量的試驗、調(diào)試、改進(jìn)等工作，其研制工作應(yīng)該還有比較長的道路要走。根據(jù)俄羅斯空軍計劃，蘇-57第二階段戰(zhàn)斗機(jī)在2025年左右開始交付部隊。

俄羅斯第五代發(fā)動機(jī)研制的經(jīng)驗教訓(xùn)

如果從蘇聯(lián)時期研制AL-41F發(fā)動機(jī)開始算起，俄羅斯的第五代發(fā)動機(jī)研制工作已經(jīng)持續(xù)了近40年時間。但到目前為止，俄羅斯真正的第五代發(fā)動機(jī)30號機(jī)只是剛剛完成了原型機(jī)首飛，其中的很多問題值得深思，也有很多經(jīng)驗值得借鑒。

表1 AL-31F、AL-41F、117、30號機(jī)等發(fā)動機(jī)基本參數(shù)比較

需求牽引

航空發(fā)動機(jī)的發(fā)展與飛機(jī)的發(fā)展息息相關(guān)。飛機(jī)的需求牽引是發(fā)動機(jī)研發(fā)的驅(qū)動力，特別是有了明確的需求時，就好比給航空發(fā)動機(jī)研制注入了加速劑，使其發(fā)展更加迅猛。俄羅斯第五代航空發(fā)動機(jī)的研制一路坎坷，磕磕絆絆，雖然有其政治和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的原因，但飛機(jī)需求的不確定性也是導(dǎo)致其未能及時推出有競爭力發(fā)動機(jī)的重要原因。因此，在航空發(fā)動機(jī)研制時，要充分重視飛機(jī)的需求牽引，要研究和掌握用戶需求，預(yù)測其潛在的發(fā)展變化，并在發(fā)動機(jī)研制時及時貫徹。

動力先行

“動力先行”是一句老話，但決不能把它當(dāng)作套話，而是要真正貫穿在航空發(fā)動機(jī)的自主研制中。動力先行，需要有全球視野，立足于對未來國防戰(zhàn)略發(fā)展態(tài)勢的預(yù)測分析，在了解了國際政治軍事發(fā)展態(tài)勢和飛機(jī)需求后，提前啟動發(fā)動機(jī)的研制工作。俄羅斯新一代航空發(fā)動機(jī)研制方案多次更改與其對發(fā)展形式的預(yù)判不確定有一定的關(guān)系。政治、經(jīng)濟(jì)和軍事形勢的變化不是一朝一夕就能完成的，是有其潛在變化特征信號的，航空發(fā)動機(jī)研制發(fā)展應(yīng)當(dāng)有發(fā)展的眼光，著眼于未來。

小核心、大協(xié)作

航空發(fā)動機(jī)是知識密集型產(chǎn)業(yè)，是一個國家綜合實力的集中體現(xiàn)。研制一臺先進(jìn)的航空發(fā)動機(jī)需要舉全國之力，實現(xiàn)全行業(yè)大協(xié)作。雖然俄羅斯有著豐富的航空發(fā)動機(jī)研制經(jīng)驗，但30號機(jī)的研制工作還是要發(fā)動全行業(yè)大協(xié)作才能順利實施。30號機(jī)的研制采用了“小核心、大協(xié)作”的模式，設(shè)計工作主要由留里卡設(shè)計局承擔(dān)，總裝工作由烏法發(fā)動機(jī)制造廠承擔(dān)，莫斯科禮炮機(jī)械制造廠承擔(dān)壓氣機(jī)、燃燒室和噴管的研制，ODK公司旗下的彼爾姆發(fā)動機(jī)制造廠、克里莫夫機(jī)械制造廠等，以及俄羅斯中央航空發(fā)動機(jī)研究院（CIAM）、全俄航空材料研究院（VIAM）等研究院所都參與其中。