俄罗斯发动机技术与美差距拉大到20年

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据俄罗斯《独立军事评论》周刊12月3日报道,在今年9月俄罗斯国防部长谢尔久科夫访华之后,中国军政领导层宣布有意采购一批117S型航空发动机、S-400防空导弹系统和伊尔-476(伊尔76的改进型)大型运输机。另外,俄罗斯117S发动机量产企业代表在参加珠海航展时也证实,中方确实对该型发动机有较高的兴趣。


对此,俄专家弗拉基米尔-谢尔巴科夫撰文指出,在中俄军事技术合作领域知识产权保护协议的效果暂时为零之际,北京再次表示出对采购俄各种武器、军事装备和特种设备的积极关注,莫斯科应当特别谨慎,防止对方学习相应技术,随即仿制出类似产品,与俄方竞争,特别是在航空发动机方面。谢尔巴科夫认为,117S发动机是俄罗斯性能最好的航空发动机之一,完全可以和西方同类产品有力竞争。该型发动机出口供应,特别是对中国出口的决定事关重大,事先需要进行全面的分析。莫斯科应当保证销售出去的发动机不仅不能落入不合适的人手中,而且不能被进口国随意利用,进而生产类似的仿制品。


笔者认为,以上只是俄罗斯媒体单方面的说辞,尽管中俄军贸最近两年一直受知识产权问题所困扰,但俄罗斯军工企业和政府出于实际利益的考虑,仍然对向中国出口高技术军事装备抱有极大的兴趣。


近年来,随着俄罗斯从前苏联解体和经济休克的阴影中缓慢地恢复,加之俄罗斯五代机项目的刺激作用,俄罗斯的航空发动机研制成果又重新出现在世界各大航展上。各类俄罗斯航空发动机型号和编号以及对应的性能指标也让大家眼花缭乱,本文就来梳理一下俄罗斯近年来在大推力加力涡扇发动机方面的进展,并对俄罗斯五代动力的研制情况进行分析。


前苏联航空发动机研制体系


前苏联的航空发动机研制采用设计局-批量厂模式。解体前,前苏联涌现出大量伟大的航空发动机设计师,其领导的设计局负责航空发动机的研制工作。


笔者整理了一下前苏联航空发动机设计局以及其最著名的作品:克里莫夫设计局(RD-33涡扇发动机)、伊索托夫设计局(TV3-117涡轴发动机)、索洛维也夫设计局(D-30涡扇发动机)、科列索夫设计局(RD-36涡喷发动机)、库兹涅佐夫设计局(NK-321涡扇发动机)、留里卡设计局(AL-31F涡扇发动机)、图曼斯基设计局(P-29涡喷发动机)、伊夫琴科设计局(AL-25涡扇发动机)。


其中研制了前苏联唯一一型第三代大推力加力涡扇发动机AL-31F的设计局就是留里卡设计局,它也是今天俄罗斯“留里卡-土星”航空发动机联合体的前身之一。前苏联航空发动机的生产单位是国有发动机批量厂,如:“土星”、“礼炮”、“进步”等。可以看出,前苏联的航空发动机行业是一种“设计单位百花齐放、生产单位三强并立”的格局。但是随着前苏联的解体,前苏联的航空发动机行业“百花凋零”进入“严冬”。


俄罗斯航空发动机工业的整合


上世纪90年代前苏联解体之后,俄罗斯经济休克疗法失败,原来国有的航空发动机设计局和批量厂纷纷被民营资本和国外资本收购。依然被国家控股的军工企业也无法依靠俄罗斯政府和军方严重缩水的拨款生存。在很长一段时间里,俄罗斯航空发动机行业竞争力非常低,行业的收益率从27%下降到7%,利润减少一半,航空发动机销售率下降了约93%。


俄罗斯航空发动机的推力、寿命、耗油率、噪声水平和环保水平等主要指标都落后于世界先进水平。原来国有的留里卡设计局和土星批量厂都被民营资本收购,成为私营企业。而礼炮批量厂依然维持国家控股,但是由于俄罗斯政府财力严重不足,只能依赖国外用户的资金生存。


为了挽救本国航空工业,并力图重塑昔日大国形象,普京上任之后于2007年8月签署了《关于成立联邦国有独资企业燃气涡轮制造科研-生产中心“礼炮”》的1039号俄联邦总统令,正式开始了俄罗斯航空发动机行业的一体化整合。俄罗斯航空发动机行业根据政府的决定组建四个控股公司,其中两个负责研制生产战斗机使用的大推力涡轮风扇发动机。


这两个公司是:在莫斯科机械制造生产企业“礼炮”的基础上成立的“礼炮航空发动机联合体”;第二个公司是通过整合位于雷宾斯克的“土星”科研生产联合体、乌法的发动机生产联合体和彼尔姆的航空发动机股份公司中的国家股份成立的控股公司“留里卡-土星航空发动机联合体”。该重组计划仍在推进当中,现在已经形成了现在俄罗斯军用大推力涡扇发动机研制 “两强争霸”的局面。


俄罗斯军推大推力涡扇发动机行业“两强争霸”的局面形成之后,两个航空发动机研制巨头自然会按照各自的计划进行航空发动机研制,形成各自的发展脉络。


首先来看礼炮联合体,前面提到的礼炮联合体前身之一“礼炮发动机制造厂”就是闻名遐迩的战斗机发动机AL-31F的批生产工厂。经过改组之后,礼炮正式成为俄罗斯政府控股的国有航空发动机研制生产联合体。礼炮联合体利用向中国销售Al-31F和AL-31FN发动机获得的资金对企业实行了大规模的技术改造,而且礼炮联合体与中国黎明发动机制造厂计划成立合资公司。


现在该公司的发展重点就是“项目 99M”航空发动机研制计划,值得一提的是,虽然礼炮联合体一直就是俄罗斯政府所有的企业,但是99M整个计划并没有获得俄罗斯政府的资金。99M计划打算通过对于AL-31F发动机的四步改进,最终研制出真正的第五代航空动力系统。但目前,只有99M1发动机装备了俄罗斯空军,后续的99M2/3/4型都还在研制中。


已装备俄罗斯空军的99M1发动机


99M1发动机(AL-31F-M1发动机)是礼炮联合体在AL-31F发动机上进行小幅度优化改进的结果。该机主要更换了新研制的四级风扇,风扇的第一级直径增加,流量相应提高,压比和效率略有改善;改进了发动机的涡轮单元体,使燃烧室出口温度增加了25K;首翻期从AL-31F发动机的300飞行小时增加到了750飞行小时,目标是将发动机延寿至首翻期1000小时/总寿命2000小时;控制单元改为数字式KRD-99C;更换了新的启动机,使发动机具备了3500米左右的高原启动性能。


高原启动性能也是99M系列发动机都具备的技术指标之一,而俄罗斯国土本身并没有3500米的高原机场,因而引起了外界的遐想。有些媒体认为礼炮联合体之所以在没有本国政府资金支持下能够进行庞大的航空发动机研制计划就是因为得到了“某些拥有高原军用机场的国家”的支持,甚至有人认为99M系列发动机就是“国外订购人”投资研制的产物。99M1发动机后被正式赋予“AL-31F发动机第42批次”的编号,开始国家试飞。2002年12月国家试飞按计划结束,该型发动机加力推力达到13.5吨的加力推力,其他指标与AL-31F发动机相比略有进步。


99M2/3/4发动机的改进计划


99M2发动机将改进的重点从第一阶段的风扇转移到了航空发动机的热端部件:燃烧室和涡轮,服役编号暂定AL-31F-M2。AL-3lF-M2上采用的风扇在KND-924-4型风扇基础上改进了叶型设计;将燃烧室改进成为短环型燃烧室并且采用了双层壁面设计,提高了燃烧室本身的冷却能力;采用新的低压涡轮盘和三元流气动设计的单晶高温合金叶片;将发动机控制系统更换为全权数字电子控制系统;该机尺寸和重量无变化,燃烧室出口温度增加到1740K-1780K,起飞推力增大至14吨。经过这个步骤的改进后,AL-31F-M2基本具备了上世纪80年代西方先进大推力涡扇发动机的基本要素,如短环燃烧室、单晶叶片、全权数字电子控制系统,但是依然保留了较为复杂的四级风扇。


99M3发动机(AL-31F-M3发动机)将会是AL-31F发动机向五代动力跨越的关键型号,该改型不仅加力推力接近了15吨,而且相比较AL-31F发动机,会进行结构上的大改。AL-31F-M3发动机可以成为五代机试飞的过渡性动力而且用于改进现有三代战斗机可以大幅度提高作战性能。AL-3lF-M3上采用了由三维气动技术全新设计的KND-924-3型三级风扇,级数从AL-31F发动机的四级减为三级;所有级风扇均采用整体叶盘结构,提高了工艺水准并且降低了重量;风扇叶片采用小展弦比(即宽弦)和叶尖前掠设计,取消了阻尼凸肩,压比增加到了4.2;采用了新的燃烧室.改良了高压涡轮叶片材料从而在涡轮前温度不变的情况下延长了寿命,起飞推力增大至14.5吨,大修周期进一步延长。礼炮的五代动力系统就要以该改型为基础发展。


礼炮联合体的五代动力方案AL-31F-M4发动机将会在AL-31F-M3发动机基础上研制,加力推力达到15吨左右。AL-31F-M4发动机将会采用三级风扇、六级压气机和单级高低压涡轮的总体方案设计;继续修改KND-924-3型整体叶盘三级风扇,使风扇压比达到4.2的水平;在发动机所有叶片上广泛应用三维有粘气动算法,修改压气机和涡轮设计,提高部件压比和效率;改进涡轮单元体,使发动机循环参数达到1800K的水平;并安装三元矢量喷管以实现俄罗斯五代战斗机的过失速超机动性。


俄罗斯最近装备的苏-35BM(在新闻中也经常称为“新苏35”)战斗机使用了“留里卡-土星”联合体的117S发动机。根据该发动机联合体的宣传,“项目117”航空发动机研制计划是承接前苏联五代动力AL-41F发动机计划的发动机研制系列工程。


AL-41F型加力式双涵道涡轮风扇发动机是由留里卡设计局在苏-27动力装置AL-31F和苏-37动力装置AL-37F基础上研制发展的俄罗斯第五代发动机,该机加力推力达到了令人震惊的17吨、循环参数1910K。该机研制计划进行到30%的时候就因为前苏联解体而中断,后来留里卡设计局被土星合并成为“留里卡-土星”航空发动机联合体。因而“留里卡-土星”联合体利用留里卡现有成果继续进行AL-41F发动机的研制显然是理所应当的。


“项目 117”计划分为两个步骤:第一步,利用AL-41F发动机的现有技术对AL-31F发动机进行改进,研制出117S发动机;第二步,在117S发动机验证的五代机动力技术成熟之后发展出真正的五代机动力“新AL-41F”发动机。现在留里卡-土星联合体完成了117S发动机的研制,该机加力推力14吨/军用推力8.8吨,推比7.5。


所以,与留里卡-土星联合体宣传的不同,117S发动机其实就是类似AL-31F-M2发动机的三代改进型动力,而性能不足以谈得上是五代动力的过渡型号。在117S发动机基础上,土星计划用两到三年研制117A发动机(AL-41F1-A)也就是AL-41F型号重新开始研制后的第一个正式型号,该机计划达到15吨的推力,不过目前由于经费不足依然处于停滞阶段。然后再继续改进出真正的五代动力装置,加力推力16吨左右,目前也没有获得到资金支持。


1974年11月,世界上第一个第三代大推力涡扇发动机,美国的F100-PW-100投入使用。与美国F100-PW-100发动机相对应的前苏联AL-31发动机于1985年完成研制。考虑到AL-31F发动机不仅完成研制时间晚了十年而且性能与F100-PW-100依然有一定差距,此时美苏在航空动力领域方面的总体差距大概在15年左右。但是在前苏联解体之后,美俄在航空发动机领域的差距逐渐增大。


以美国的F110发动机改进计划为例,F110-GE-134发动机在上世纪九十年代末就实现了15吨的台架加力推力,而俄罗斯达到15吨加力推力的发动机至今还没有研制出来。而且俄罗斯发动机在性能不足的情况下,在耐久性方面的差距更大,F110-GE-134发动机首翻期达到了4300战术循环(大概2000飞行小时),其首翻期已经达到了AL-31F-M2发动机总寿命的水平。美国在1986年完成研制的F100-PW-220发动机就装备了发动机全权数字电子控制系统,而俄罗斯发动机从AL-31F-M2发动机才开始使用类似控制系统,并且AL-31F-M2发动机现在还未投入使用。


当美国真正的四代动力(西方划代方法,相当于俄罗斯的五代动力)F119-PW-100于2002年9月获得美国空军颁发的初始使用批准之时,其加力推力15.5吨/军推10吨、推重比10.5和首翻期大于4000飞行小时的性能,已经足以对所有俄罗斯航空发动机形成质的代差。


综合考虑美俄发动机在型号研制和技术实力方面的因素,两国在航空发动机研制领域的差距可能已经增加到了20年以上。




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