俄制航空發(fā)動機簡析

1、俄制航空發(fā)動機簡析近期俄羅斯媒體報道，在俄國防部長9月訪華后，中國有意購買一批俄羅斯117S新型航空發(fā)動機。俄相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)也在珠海航展上證實說中國確實具有較高的興趣。那么俄羅斯近年來的航空發(fā)動機進展究竟如何？中國購買117S發(fā)動機的可能性有多大？網(wǎng)易軍事將進行獨家解析。俄羅斯117S新型航空發(fā)動機，注意其尾部的矢量噴嘴。近期俄羅斯媒體和相關(guān)人士表示中國確實對該型發(fā)動機有較高的興趣。據(jù)俄羅斯獨立軍事評論周刊12月3日報道，在今年9月俄羅斯國防部長謝爾久科夫訪華之后，中國軍政領(lǐng)導層宣布有意采購一批117S型航空發(fā)動機、S-400防空導彈系統(tǒng)和伊爾-476（伊爾76的改進型）大型運輸機。另外，俄羅斯

2、117S發(fā)動機量產(chǎn)企業(yè)代表在參加珠海航展時也證實，中方確實對該型發(fā)動機有較高的興趣。對此，俄專家弗拉基米爾-謝爾巴科夫撰文指出，在中俄軍事技術(shù)合作領(lǐng)域知識產(chǎn)權(quán)保護協(xié)議的效果暫時為零之際，北京再次表示出對采購俄各種武器、軍事裝備和特種設(shè)備的積極關(guān)注，莫斯科應當特別謹慎，防止對方學習相應技術(shù)，隨即仿制出類似產(chǎn)品，與俄方競爭，特別是在航空發(fā)動機方面。謝爾巴科夫認為，117S發(fā)動機是俄羅斯性能最好的航空發(fā)動機之一，完全可以和西方同類產(chǎn)品有力競爭。該型發(fā)動機出口供應，特別是對中國出口的決定事關(guān)重大，事先需要進行全面的分析。莫斯科應當保證銷售出去的發(fā)動機不僅不能落入不合適的人手中，而且不能被進口國隨意利用

3、，進而生產(chǎn)類似的仿制品。筆者認為，以上只是俄羅斯媒體單方面的說辭，盡管中俄軍貿(mào)最近兩年一直受知識產(chǎn)權(quán)問題所困擾，但俄羅斯軍工企業(yè)和政府出于實際利益的考慮，仍然對向中國出口高技術(shù)軍事裝備抱有極大的興趣。近年來，隨著俄羅斯從前蘇聯(lián)解體和經(jīng)濟休克的陰影中緩慢地恢復，加之俄羅斯五代機項目的刺激作用，俄羅斯的航空發(fā)動機研制成果又重新出現(xiàn)在世界各大航展上。各類俄羅斯航空發(fā)動機型號和編號以及對應的性能指標也讓大家眼花繚亂，本文就來梳理一下俄羅斯近年來在大推力加力渦扇發(fā)動機方面的進展，并對俄羅斯五代動力的研制情況進行分析。由克里莫夫設(shè)計局設(shè)計的RD-33發(fā)動機，該發(fā)動機曾裝備了米格29，其改進型RD-93也繼

4、續(xù)在梟龍戰(zhàn)機上使用?？死锬蛟O(shè)計局曾是前蘇聯(lián)的著名設(shè)計局之一。前蘇聯(lián)航空發(fā)動機研制體系 前蘇聯(lián)的航空發(fā)動機研制采用設(shè)計局-批量廠模式。解體前，前蘇聯(lián)涌現(xiàn)出大量偉大的航空發(fā)動機設(shè)計師，其領(lǐng)導的設(shè)計局負責航空發(fā)動機的研制工作。筆者整理了一下前蘇聯(lián)航空發(fā)動機設(shè)計局以及其最著名的作品：克里莫夫設(shè)計局（RD-33渦扇發(fā)動機）、伊索托夫設(shè)計局（TV3-117渦軸發(fā)動機）、索洛維也夫設(shè)計局（D-30渦扇發(fā)動機）、科列索夫設(shè)計局（RD-36渦噴發(fā)動機）、庫茲涅佐夫設(shè)計局（NK-321渦扇發(fā)動機）、留里卡設(shè)計局（AL-31F渦扇發(fā)動機）、圖曼斯基設(shè)計局（P-29渦噴發(fā)動機）、伊夫琴科設(shè)計局（AL-25渦扇發(fā)動機

5、）。其中研制了前蘇聯(lián)唯一一型第三代大推力加力渦扇發(fā)動機AL-31F的設(shè)計局就是留里卡設(shè)計局，它也是今天俄羅斯“留里卡-土星”航空發(fā)動機聯(lián)合體的前身之一。前蘇聯(lián)航空發(fā)動機的生產(chǎn)單位是國有發(fā)動機批量廠，如：“土星”、“禮炮”、“進步”等?？梢钥闯?，前蘇聯(lián)的航空發(fā)動機行業(yè)是一種“設(shè)計單位百花齊放、生產(chǎn)單位三強并立”的格局。但是隨著前蘇聯(lián)的解體，前蘇聯(lián)的航空發(fā)動機行業(yè)“百花凋零”進入“嚴冬”。經(jīng)過一系列改組和整合，俄羅斯航空發(fā)動機工業(yè)形成了現(xiàn)在“禮炮航空發(fā)動機聯(lián)合體”(下圖)和“留里卡-土星航空發(fā)動機聯(lián)合體”(上圖)兩強并立的局面。俄羅斯航空發(fā)動機工業(yè)的整合 上世紀90年代前蘇聯(lián)解體之后，俄羅斯經(jīng)濟休

6、克療法失敗，原來國有的航空發(fā)動機設(shè)計局和批量廠紛紛被民營資本和國外資本收購。依然被國家控股的軍工企業(yè)也無法依靠俄羅斯政府和軍方嚴重縮水的撥款生存。在很長一段時間里，俄羅斯航空發(fā)動機行業(yè)競爭力非常低，行業(yè)的收益率從27%下降到7%，利潤減少一半，航空發(fā)動機銷售率下降了約93%。俄羅斯航空發(fā)動機的推力、壽命、耗油率、噪聲水平和環(huán)保水平等主要指標都落后于世界先進水平。原來國有的留里卡設(shè)計局和土星批量廠都被民營資本收購，成為私營企業(yè)。而禮炮批量廠依然維持國家控股，但是由于俄羅斯政府財力嚴重不足，只能依賴國外用戶的資金生存。為了挽救本國航空工業(yè)，并力圖重塑昔日大國形象，普京上任之后于2007年8月簽署了

7、關(guān)于成立聯(lián)邦國有獨資企業(yè)燃氣渦輪制造科研-生產(chǎn)中心“禮炮”的1039號俄聯(lián)邦總統(tǒng)令，正式開始了俄羅斯航空發(fā)動機行業(yè)的一體化整合。俄羅斯航空發(fā)動機行業(yè)根據(jù)政府的決定組建四個控股公司，其中兩個負責研制生產(chǎn)戰(zhàn)斗機使用的大推力渦輪風扇發(fā)動機。這兩個公司是：在莫斯科機械制造生產(chǎn)企業(yè)“禮炮”的基礎(chǔ)上成立的“禮炮航空發(fā)動機聯(lián)合體”；第二個公司是通過整合位于雷賓斯克的“土星”科研生產(chǎn)聯(lián)合體、烏法的發(fā)動機生產(chǎn)聯(lián)合體和彼爾姆的航空發(fā)動機股份公司中的國家股份成立的控股公司“留里卡-土星航空發(fā)動機聯(lián)合體”。該重組計劃仍在推進當中，現(xiàn)在已經(jīng)形成了現(xiàn)在俄羅斯軍用大推力渦扇發(fā)動機研制 “兩強爭霸”的局面。中國空軍殲10和殲

8、11戰(zhàn)機都大量裝備了AL-31F發(fā)動機(下兩圖)。禮炮聯(lián)合體利用出售中國AL-31F發(fā)動機所獲得的資金進行了大規(guī)模改造，并成功研制出了第一步改進計劃中的AL-31F-M1發(fā)動機(上圖)。俄羅斯軍推大推力渦扇發(fā)動機行業(yè)“兩強爭霸”的局面形成之后，兩個航空發(fā)動機研制巨頭自然會按照各自的計劃進行航空發(fā)動機研制，形成各自的發(fā)展脈絡(luò)。首先來看禮炮聯(lián)合體，前面提到的禮炮聯(lián)合體前身之一“禮炮發(fā)動機制造廠”就是聞名遐邇的戰(zhàn)斗機發(fā)動機AL-31F的批生產(chǎn)工廠。經(jīng)過改組之后，禮炮正式成為俄羅斯政府控股的國有航空發(fā)動機研制生產(chǎn)聯(lián)合體。禮炮聯(lián)合體利用向中國銷售Al-31F和AL-31FN發(fā)動機獲得的資金對企業(yè)實行了大

9、規(guī)模的技術(shù)改造，而且禮炮聯(lián)合體與中國黎明發(fā)動機制造廠計劃成立合資公司?，F(xiàn)在該公司的發(fā)展重點就是“項目 99M”航空發(fā)動機研制計劃，值得一提的是，雖然禮炮聯(lián)合體一直就是俄羅斯政府所有的企業(yè)，但是99M整個計劃并沒有獲得俄羅斯政府的資金。99M計劃打算通過對于AL-31F發(fā)動機的四步改進，最終研制出真正的第五代航空動力系統(tǒng)。但目前，只有99M1發(fā)動機裝備了俄羅斯空軍，后續(xù)的99M2/3/4型都還在研制中。已裝備俄羅斯空軍的99M1發(fā)動機 99M1發(fā)動機（AL-31F-M1發(fā)動機）是禮炮聯(lián)合體在AL-31F發(fā)動機上進行小幅度優(yōu)化改進的結(jié)果。該機主要更換了新研制的四級風扇，風扇的第一級直徑增加，流量相

10、應提高，壓比和效率略有改善；改進了發(fā)動機的渦輪單元體，使燃燒室出口溫度增加了25K；首翻期從AL-31F發(fā)動機的300飛行小時增加到了750飛行小時，目標是將發(fā)動機延壽至首翻期1000小時/總壽命2000小時；控制單元改為數(shù)字式KRD-99C；更換了新的啟動機，使發(fā)動機具備了3500米左右的高原啟動性能。高原啟動性能也是99M系列發(fā)動機都具備的技術(shù)指標之一，而俄羅斯國土本身并沒有3500米的高原機場，因而引起了外界的遐想。有些媒體認為禮炮聯(lián)合體之所以在沒有本國政府資金支持下能夠進行龐大的航空發(fā)動機研制計劃就是因為得到了“某些擁有高原軍用機場的國家”的支持，甚至有人認為99M系列發(fā)動機就是“國外

11、訂購人”投資研制的產(chǎn)物。99M1發(fā)動機后被正式賦予“AL-31F發(fā)動機第42批次”的編號，開始國家試飛。2002年12月國家試飛按計劃結(jié)束，該型發(fā)動機加力推力達到13.5噸的加力推力，其他指標與AL-31F發(fā)動機相比略有進步。在后續(xù)的發(fā)展中，99M3發(fā)動機（AL-31F-M3發(fā)動機）將會是AL-31F發(fā)動機向五代動力跨越的關(guān)鍵型號。它將采用整體葉盤結(jié)構(gòu)的三級風扇和新的高壓渦輪葉片材料等一系列新技術(shù)。99M2/3/4發(fā)動機的改進計劃 99M2發(fā)動機將改進的重點從第一階段的風扇轉(zhuǎn)移到了航空發(fā)動機的熱端部件：燃燒室和渦輪，服役編號暫定AL-31F-M2。AL-3lF-M2上采用的風扇在KND-924

12、-4型風扇基礎(chǔ)上改進了葉型設(shè)計；將燃燒室改進成為短環(huán)型燃燒室并且采用了雙層壁面設(shè)計，提高了燃燒室本身的冷卻能力；采用新的低壓渦輪盤和三元流氣動設(shè)計的單晶高溫合金葉片；將發(fā)動機控制系統(tǒng)更換為全權(quán)數(shù)字電子控制系統(tǒng)；該機尺寸和重量無變化，燃燒室出口溫度增加到1740K-1780K，起飛推力增大至14噸。經(jīng)過這個步驟的改進后，AL-31F-M2基本具備了上世紀80年代西方先進大推力渦扇發(fā)動機的基本要素，如短環(huán)燃燒室、單晶葉片、全權(quán)數(shù)字電子控制系統(tǒng)，但是依然保留了較為復雜的四級風扇。99M3發(fā)動機（AL-31F-M3發(fā)動機）將會是AL-31F發(fā)動機向五代動力跨越的關(guān)鍵型號，該改型不僅加力推力接近了15噸

13、，而且相比較AL-31F發(fā)動機，會進行結(jié)構(gòu)上的大改。AL-31F-M3發(fā)動機可以成為五代機試飛的過渡性動力而且用于改進現(xiàn)有三代戰(zhàn)斗機可以大幅度提高作戰(zhàn)性能。AL-3lF-M3上采用了由三維氣動技術(shù)全新設(shè)計的KND-924-3型三級風扇，級數(shù)從AL-31F發(fā)動機的四級減為三級；所有級風扇均采用整體葉盤結(jié)構(gòu)，提高了工藝水準并且降低了重量；風扇葉片采用小展弦比(即寬弦)和葉尖前掠設(shè)計，取消了阻尼凸肩，壓比增加到了4.2；采用了新的燃燒室改良了高壓渦輪葉片材料從而在渦輪前溫度不變的情況下延長了壽命，起飛推力增大至14.5噸，大修周期進一步延長。禮炮的五代動力系統(tǒng)就要以該改型為基礎(chǔ)發(fā)展。禮炮聯(lián)合體的五代

14、動力方案AL-31F-M4發(fā)動機將會在AL-31F-M3發(fā)動機基礎(chǔ)上研制，加力推力達到15噸左右。AL-31F-M4發(fā)動機將會采用三級風扇、六級壓氣機和單級高低壓渦輪的總體方案設(shè)計；繼續(xù)修改KND-924-3型整體葉盤三級風扇，使風扇壓比達到4.2的水平；在發(fā)動機所有葉片上廣泛應用三維有粘氣動算法，修改壓氣機和渦輪設(shè)計，提高部件壓比和效率；改進渦輪單元體，使發(fā)動機循環(huán)參數(shù)達到1800K的水平；并安裝三元矢量噴管以實現(xiàn)俄羅斯五代戰(zhàn)斗機的過失速超機動性。俄羅斯“新蘇35”戰(zhàn)斗機使用了“留里卡-土星”聯(lián)合體的117S發(fā)動機(上圖)。另外，由于五代機發(fā)動機還沒研制出來，俄羅斯正在進行試飛的五代機T-5

15、0據(jù)說暫時使用的也是117S發(fā)動機。俄羅斯最近裝備的蘇-35BM（在新聞中也經(jīng)常稱為“新蘇35”）戰(zhàn)斗機使用了“留里卡-土星”聯(lián)合體的117S發(fā)動機。根據(jù)該發(fā)動機聯(lián)合體的宣傳，“項目117”航空發(fā)動機研制計劃是承接前蘇聯(lián)五代動力AL-41F發(fā)動機計劃的發(fā)動機研制系列工程。AL-41F型加力式雙涵道渦輪風扇發(fā)動機是由留里卡設(shè)計局在蘇-27動力裝置AL-31F和蘇-37動力裝置AL-37F基礎(chǔ)上研制發(fā)展的俄羅斯第五代發(fā)動機，該機加力推力達到了令人震驚的17噸、循環(huán)參數(shù)1910K。該機研制計劃進行到30%的時候就因為前蘇聯(lián)解體而中斷，后來留里卡設(shè)計局被土星合并成為“留里卡-土星”航空發(fā)動機聯(lián)合體。因

16、而“留里卡-土星”聯(lián)合體利用留里卡現(xiàn)有成果繼續(xù)進行AL-41F發(fā)動機的研制顯然是理所應當?shù)?。“項?117”計劃分為兩個步驟：第一步，利用AL-41F發(fā)動機的現(xiàn)有技術(shù)對AL-31F發(fā)動機進行改進，研制出117S發(fā)動機；第二步，在117S發(fā)動機驗證的五代機動力技術(shù)成熟之后發(fā)展出真正的五代機動力“新AL-41F”發(fā)動機?，F(xiàn)在留里卡-土星聯(lián)合體完成了117S發(fā)動機的研制，該機加力推力14噸/軍用推力8.8噸，推比7.5。所以，與留里卡-土星聯(lián)合體宣傳的不同，117S發(fā)動機其實就是類似AL-31F-M2發(fā)動機的三代改進型動力，而性能不足以談得上是五代動力的過渡型號。在117S發(fā)動機基礎(chǔ)上，土星計劃用兩

17、到三年研制117A發(fā)動機（AL-41F1-A）也就是AL-41F型號重新開始研制后的第一個正式型號，該機計劃達到15噸的推力，不過目前由于經(jīng)費不足依然處于停滯階段。然后再繼續(xù)改進出真正的五代動力裝置，加力推力16噸左右，目前也沒有獲得到資金支持。F-22使用的F119-PW-100發(fā)動機早在02年就已經(jīng)獲準使用，性能指標已與俄羅斯發(fā)動機形成相當差距，而目前俄羅斯的同代發(fā)動機卻仍然還在研制之中。1974年11月，世界上第一個第三代大推力渦扇發(fā)動機，美國的F100-PW-100投入使用。與美國F100-PW-100發(fā)動機相對應的前蘇聯(lián)AL-31發(fā)動機于1985年完成研制?？紤]到AL-31F發(fā)動機不

18、僅完成研制時間晚了十年而且性能與F100-PW-100依然有一定差距，此時美蘇在航空動力領(lǐng)域方面的總體差距大概在15年左右。但是在前蘇聯(lián)解體之后，美俄在航空發(fā)動機領(lǐng)域的差距逐漸增大。以美國的F110發(fā)動機改進計劃為例，F(xiàn)110-GE-134發(fā)動機在上世紀九十年代末就實現(xiàn)了15噸的臺架加力推力，而俄羅斯達到15噸加力推力的發(fā)動機至今還沒有研制出來。而且俄羅斯發(fā)動機在性能不足的情況下，在耐久性方面的差距更大，F(xiàn)110-GE-134發(fā)動機首翻期達到了4300戰(zhàn)術(shù)循環(huán)（大概2000飛行小時），其首翻期已經(jīng)達到了AL-31F-M2發(fā)動機總壽命的水平。美國在1986年完成研制的F100-PW-220發(fā)動機就裝備了發(fā)動機全權(quán)數(shù)字電子控制系統(tǒng)，而俄羅斯發(fā)動機從AL-31F-M2發(fā)動機才開始使用類似控制系統(tǒng)，并且AL-31F-M2發(fā)動機現(xiàn)在還未投入使用。當美國真正的四代動力（西方劃代方法，相當于俄羅斯的五代動力）F119-PW-100于2002年9月獲得美國空軍頒發(fā)的初始使用批準之時，其加力推力15.5噸/軍推10噸、推重比10.5和首翻期大于4000飛行小時的性能，已經(jīng)足以對所有俄羅斯航空發(fā)動機形成質(zhì)的代差。綜合考慮美俄發(fā)動機在型號研制和技術(shù)實力方面的因素，兩國在航空發(fā)動機研制領(lǐng)域的差距可能已經(jīng)增加到了20年以上。俄羅斯近年來航空發(fā)動機研制有逐漸回暖的趨勢，經(jīng)過產(chǎn)業(yè)重組之后形成了“99M