“側衛”之心（下）

火心2000

AL-31F后續改進型號

在20世紀最后的10年里，俄羅斯根本無力繼續研發新的軍事裝備，基本都是在吃蘇聯的老本。只對現有型號進行小打小鬧的改進改型。這點在航空發動機工業上也不例外。

進入21世紀后，俄羅斯國力有所恢復，特別是在強勢總統普京的帶領下，利用能源經濟迅速讓病怏怏的北極熊再次活潑起來。受此紅利，其航空發動機工業也再次活躍起來，在俄羅斯政府的主導下，對其國內數家航空發動機工業實現集團化重組，資源得到優化，形成雙雄斗艷的格局。這兩大巨頭一個是在莫斯科機械制造企業“禮炮”的基礎上成立的“禮炮航空發動機聯合體”；另一個巨頭是通過整合位于雷賓斯克的“土星”科研生產聯合體、烏法的發動機生產聯合體和彼爾姆的航空發動機股份公司中的國家股份，再聯合著名的留里卡設計局，成立的“留里卡-土星”航空發動機聯合體。目前，該重組計劃仍在推進當中。根據俄羅斯政府的遠程規劃，準備將所有俄羅斯的航空發動機工業按照區域、體制、優勢盡數并入以上兩大巨頭，形成俄軍用大推力渦扇發動機研制的“兩強爭霸”的局面，為以后俄羅斯的航空發動機工業再次崛起鋪下了堅實基礎。兩大巨頭按照各自的計劃進行航空發動機研制形成各自的發展脈絡。不過不管這兩大巨頭如何騰挪轉移，現下他們的發展基礎都是建立在AL-31F上。

以“留里卡-土星”“禮炮”兩大航空發動機制造公司為首的兩大俄羅斯航空發動機集團，在經過漫長的冬眠后，迎著普京式崛起道路，逐漸蘇醒過來。利用以前AL-31F發動機的基礎、整合本集團資源，兩大巨頭各自推出了各具特色的AL-31F改進改型號。

“禮炮”聯合體——AL-31F-M系列（99M系列）

“禮炮”聯合體利用向中國銷售AL-31F和AL-31FN發動機獲得了大量資金，對本集團實現了大規模的技術改造。而“禮炮”聯合體與中國航空發動機龍頭老大——黎明發動機制造廠計劃成立合資公司。現在的“禮炮”發展重點是項目“99M”。但整個計劃并未得到俄政府的資金支持。不過這并未打消“禮炮”聯合體改進AL-31F發動機的決心。隨著航空技術的迅速發展，AL-31F發動機與西方同類發動機的差距日益拉大，不僅性能落后，壽命、可靠性也難以滿足用戶需求。越來越不能吸引客戶的注意。為了繼續挖掘AL-31F的潛力，“禮炮”在沒有政府資金支持的情況下，依然自籌資金針對現役機型存在的諸多不足，向俄空軍提出一項升級改型計劃，希望能吸引客戶的注意。技術開發工作由該公司和俄國內多家航空科研單位合作完成（如中央航空發動機研究院、航空材料研究所等），項目代號“99M”。

“99M”項目打算通過對AL-31F發動機的四步改進，使AL-31F逐步縮小與國際先進產品的差距，最終研制出真正的第5代航空動力系統。但目前，只有99M1/M2發動機裝備了俄空軍，后續的993/4型仍在研制中。

1. AL-31F-M1（99M1）計劃

99M1計劃是“禮炮”聯合體在AL-31F發動機的基礎上，小幅度優化改進的結果，主要采取了以下幾個措施：

（1）更換新研制的新4級風扇——KND-924-4部件，但第一級風扇直徑增加到924毫米，空氣流量相應提高了6%～7%（從原來的112千克/秒提高到118千克/秒）。風扇壓比和效率略有提高。

（2）改進發動機渦輪單元體，使燃燒室出口溫度增加了25K。

（3）提高發動機的首翻期。首翻期從AL-31F發動機的300小時增加到750小時，并通過了試車試驗，總壽命1500小時。以后，還將延長到首翻期1000小時，總壽命2000小時；減少維護工時，降低壽命期使用成本。

（4）更換新的起動機。99M選用了克里莫夫設計局研制的新的BK-100-1MH燃氣渦輪起動機。新型起動機的功率增加了15%～20%，從而根本上解決了原型機起動高度較低（只有2500米）的限制，使發動機具備了3500米左右的高原起動性能。

（5）控制單元改為數字式KRD-99C。AL-31F原有的混合式機械—模擬綜合調節器（KPⅡ-99ATB）雖能滿足當時的需要，但和同類發動機的數字式調節器相比，毫無先進性可言，只能達到夠用的階段。而新的數字式控制裝置具有運算能力強、精度高、速度快等特點。因此，能讓發動機發揮出更大的潛力，增強其操作性能。同時，便于進行系統監控、自檢和故障診斷，改善發動機的維護性。據俄方資料宣稱，換裝新型數控裝置的發動機和原來相比，大約可減少75%的維護時間，裕度設計則大幅度提高了裝置的可靠性。

（6）可選裝軸對稱矢量噴管及配套的控制裝置。經過印度這種“小白鼠”的試驗后，俄羅斯在軸對稱矢量噴管技術方面已相當成熟。其新型矢量噴管的設計壽命將超過850小時，與出口印度的蘇-30MKI發動機相比有著質的提高。雖然，新噴管會使整機重量增加，但矢量技術的應用將賦予戰機更高的機動性和敏捷性，明顯提升戰機作戰性能。

經過上述措施改進的99M1發動機的推力比AL-31F增加了78～98千牛，全加力推力由123千牛提高到了135千牛，耗油率明顯下降。AL-31FM1分為兩種批次：cep-42和cep-48批次。后者保持與AL-31F相當的推力水平，但使用壽命延長了30%。此外，針對“老客戶”，“禮炮”聯合體還提供了一整套動力升級服務，把現役舊型號發動機（達到翻修壽命）改造成AL-31F-M1結構，且具有與新型機相同的使用壽命。聯合體高層稱此方案不僅非常適合俄羅斯空軍，而且對于該公司的主要國外用戶也會有相當大的吸引力。

AL-31F-M系列用了“AL-31F發動機的第42批次”編號生產，隨后進行了國家試飛試驗。2002年12月國家試飛按計劃結束。2006年12月時任俄羅斯聯邦空軍總司令的弗拉基米爾-米哈伊洛夫上將簽署了AL-31F-M1發動機的國家試驗鑒定證書，批準其投入使用。新發動機的正式裝備編號為“AL-31F-42批次”（cep-42）。后來該發動機裝備了蘇-34戰斗轟炸機，加入了俄空軍的裝備序列。

AL-31F-M系列發動機有一項技術不得不提，那就是高原起動性能。俄國土本身并沒有3500米高原機場。這項技術讓諸多媒體引起了諸多遐想。有些媒體認為“禮炮”聯合體之所以在沒有本國資金支持下能進行如此龐大的航空發動機研制計劃，就是因為得到了“某些有高原軍用機場的國家”的支持。甚至有人直接認為99M系列發動機是“國外訂購人”投資研制的產物。這些評論在當時也許是炒作的“噱頭”，但也有人認為這些說法并非完全是空穴來風。

根據我國和印度這幾年的軍備計劃，可以發現一個很有趣的共同現象。前段時間兩國都派出了空軍精銳——蘇-30系列戰機揮師喜馬拉雅山兩側的高原，并都有將在此常駐的打算。同時，我國的航空發動機生產商黎明發動機廠已經和“禮炮”聯合體已經建立合資公司。種種跡象表明，也許99M系列發動機裝備蘇-34戰機更多的是一種拉攏客戶的手段。

2. AL-31F-M2（99M2）發動機

99M1的問世，“禮炮”聯合體并未就此滿足，仍然繼續推進其改進計劃99M2。99M2的改進重點。是從M1的風扇轉移到航空發動機的熱端部件（燃燒室和渦輪）和控制系統，并繼續改善風扇性能。

（1）風扇在KND-924-2基礎上，改進了葉型設計。

（2）采用全新的渦輪系列，無流氣動設計的轉子葉片。葉片材料為單晶高溫合金，無余量精鑄造涵道、復合冷卻結構，表面噴涂有隔熱涂層。新型渦輪的進口溫度升至1740～1780K。部件壽命也有明顯延長。

（3）對主燃燒室進行技術升級。改進成為短環形燃燒室，并且采用雙層壁面結構設計。整體環形外層壁作為主承力結構，承受機械載荷，內層壁則承受熱負荷。新型火焰筒克服了低循環疲勞蠕變、變曲面及裂紋故障，大幅度延長使用壽命；同時又改善了燃燒效率和冷卻效果，減少冷卻用氣量，火焰筒壁溫將最高下降達150℃，具有良好的出口溫度分布品質；改進燃燒室的點火特性，擴大了點火包線，提高了起動/再起動的可靠性，且無需進行補氧。

（4）將發動機的控制系統更換為CAy-235C全權限數字電子控制系統。所謂全權限數字電子控制系統即發動機規定的全部工作都由數控裝置來完成，而附件中的液壓機械裝置僅作為執行結構。CAy-235C采用了多余度設計。有兩個相同且互相對立的數控通道。即一個主通道與另一個備份通道。此外，還有備用控制通道和發動機保護通道。該系統能完全負責發動機在飛行包線內、全狀態工作時（精確）的控制任務，并實現超控保護，防/消喘振、故障診斷、隔離重構以及狀態檢測等功能。該系統與飛機系統進行數據傳送，進而為飛控—火控—發控的交聯打下基礎。

CAy-235C的安裝比較方便，適用于所有AL-31F系列（型號不同功能要求可以通過修改FADEC軟件實現），使用后發動機的重量減輕了約40千克。

2006年，俄羅斯“發動機—— 2006”展會上，M2發動機參與了展覽。同年底 ，M2發動機已在地面性能試車中驗證了140千牛的起飛動力。其低壓壓氣機雖然仍是4級，但增壓比因葉型的改進提高到了4。

經過這些卓有成效的改進后，M2的尺寸和AL-31F并無變化，重量略有下降，起飛推力增加至140千牛。M2已基本具備了20世紀80年代西方先進大推力發動機的基本要素：短環形燃燒室、單晶葉片、全權數字電子控制系統等，但是依然保留了較落后而復雜的4級風扇設計。這些先進而落后的措施的采用，為以后的進一步升級打下了基礎。

3. AL-31F-M3（99M3計劃）發動機

有了前兩個富有成效的改進，M3的計劃推進就順利許多，且改進是脫胎換骨的，逐步接近了第5代發動機的設計要求，是AL-31F發動機向第5代發動機跨越的關鍵型號。目前，“禮炮”聯合體已完成了AL-31F-M3-1發動機的研制工作。據“禮炮”高層透露，首臺試車的驗證機的最高推力達到了144千牛，未來來M3的目標機要達到150千牛的加力推力。2007年上半年舉行的能源系統和行業發展企業家協會會議上，M3試驗樣機以及其公司研制其他發動機向與會人員進行了展示。AL-31F-M3的參數指標接近俄第5代發動機的要求。可以作為“遠景前線戰斗機系統”原型機（即T-50PAK FA）試飛用動力裝置。并且也能用于改裝現有的“側衛”系列戰機，延長其服役期限，大幅度提高技戰術性能。不過最后俄方為T-50戰機選擇了對手“土星”的117S發動機。但這并未讓“禮炮”灰心。“禮炮”聯合體仍堅持對M3用新技術進行完善工作。M3上采用了由3維氣動技術全新設計的KND-924-3型三級風扇，級數從AL-31F的4級減為3級；所有級風扇均采用整體葉盤結構，提高了工藝水平，并降低了重量；風扇葉片采用小展弦比（即寬弦）和葉尖前掠設計，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，增加了推力，大修周期進一步延長。

4. AL-31F-M4（99M4計劃）發動機

“禮炮”聯合體在俄羅斯第5代發動機競爭中雖先輸一局，但這并沒讓公司上下就此沉淪，而是利用在M1、M2、M3的研發基礎，繼續推進第5代發動機的研發工作。目前，“禮炮”聯合體只是公開了第5代發動機的設計草圖。但即便如此，也可從中推測出俄下一代渦扇發動機的總體情況。新機的研發工作早在2001年就已啟動，是在M3的基礎上發展而來的。推力等級預估為147～157千牛，空氣流量125～130千克/秒。當然，俄在研發M4時也大量參考了西方先進航空發動機經驗，特別是F119、F135發動機的經驗，對俄羅斯未來航空發動機發展有著獨具俄羅斯風情的研發。

（1）風扇設計：風扇采用3級風扇、六級壓氣機和單級高低壓渦輪的總體方案設計。進氣口還安裝了變彎度的導向葉片，三元流氣動設計選型，掠形的轉子葉片，小展弦比（寬弦），葉身上無阻尼凸肩，風扇轉子全都為整體葉盤結構，復合材料出口導葉和中介機匣，設計成向上耦合，改善了風扇出口的流場品質，減少損失，提高部件性能與穩定裕度，使風扇的壓比達到4.9，空氣流量達到130千克/秒。

（2）6級高壓壓氣機，Blisk葉盤設計，工作葉片采用寬弦葉型，設計增壓比預估在6左右。

（3）高低壓渦輪各一級，選用新一代的單晶高溫合金鑄造葉片（該合金已應用到俄新一代PS-90渦扇發動機上了），新材料、新工藝以及先進冷卻、涂層技術的綜合運用使渦輪進口燃氣溫度增加。未來計劃將采用更好的冷卻技術，使進口溫度進一步提升到2000～2100K水平。

（4）采用徑向式加力燃燒室，軸對稱矢量推力噴管。

（5）采用新型主燃燒室，雙層壁火焰筒。此設計是學習西方的先進技術，特別是F119發動機的燃燒室設計，采用雙環腔（帶單獨頭部）高溫升主燃燒室，也不排除采用層板冷卻、多斜孔技術，更好地組織燃燒，火焰筒頭部設計成單獨結構，每個頭部安裝燃油噴嘴部件。

可以說，AL-31F-M4的紙面技術指標完全可以媲美美國的F119發動機，若是俄羅斯真的能夠完成該發動機設計定型，那么落后西方多年的俄羅斯航空發動機工業完全可以再次和西方站在同一起跑線上。不過，從目前公開資料可知，“禮炮”聯合體除了公開這些設計圖紙外，并未有進一步的實質性資料，估計是遇到難以跨越的難關了。

“留里卡-土星”聯合體的117S發動機

俄羅斯的兩大航空發動機企業都在AL-31F的基礎上，利用新技術進行改進改型，希望能完成第5代發動機的研發。“禮炮”聯合體利用曾經負責生產的身份，連續推出99M系列發動機，且在市場中有所斬獲，讓“禮炮”聯合體信心倍增，深入進行99M計劃的推進，且對第五代航空發動機虎視眈眈。雖在第一輪較量中先輸一陣，但其雄厚實力仍是不容小覷。

“禮炮”聯合體的強勢崛起重新勾繪俄羅斯航空發動機版圖，那么，其搶占的市場就是其最大對手“留里卡-土星”聯合體的“地盤”。然而，視第5代航空發動機為自己“后花園”的“留里卡-土星”聯合體在面對“禮炮”的挑戰時也推出了自己的撒手锏——117S發動機（又稱AL-41F1S），以應對對手的挑戰，且在第一輪較量中先贏一局。而且其最后“王牌”——AL-41F發動機已在醞釀之中，正等待最后的“破繭成蝶”的那一刻的到來。

如果說“禮炮”聯合體改進AL-31F發動機有種“鳩占鵲巢”的感覺 ，那么包含AL-31F發動機的設計者留里卡設計局的“留里卡-土星”聯合體則是AL-31F發動機真正的名正義順的血統繼承者。而這個繼承者自蘇聯時代就擔負著第5代航空發動機——AL-41F發動機的研

究。蘇聯解體后，AL-41F計劃在進行了約30%的時候就基本停止了。無奈之下，留里卡設計局只好利用AL-41F開發的新技術對AL-31F機型技術升級，開發了兩者之間的過渡者——117S發動機。

117S發動機是留里卡設計局經過十余年技術積累的研究成果，特別是大量采用為AL-41F發動機開發的先進技術，在AL-31F基礎上改進而來的。新機綜合性能顯著提高，使用壽命大幅延長。前幾年，第8屆莫斯科航展上，首架安裝117S發動機的蘇-35戰機高調亮相，一時間讓世人為之矚目。其后不久，T-50戰機傲嘯長空，打破了F-22戰機求敗多年的孤獨。而T-50戰機的動力目前仍是117S發動機。

在“土星”聯合體內部，“項目117”航空發動機研制計劃是承接蘇聯第5代航空發動機AL-41F發動機計劃的發動機研制工程。計劃分為兩個步驟。第一步，利用AL-41F發動機現有技術，對AL-31F機型進行改進改型，研制出117S發動機；第二步，在117S發動機的5代動力技術成熟之后，發展出真正的第5代動力“新AL-41F”發動機。

“土星”聯合體在提升117S發動機性能之路上采用的方法正是國際上航空發動機工業慣用的方法——加大低壓部件尺寸、增加進口空氣流量。117S發動機的進口直徑從原來的905毫米增加到932毫米。由此將空氣流量提高了約10%，總流量超過了120千克/秒，加力推力147千牛，軍用推力79千牛，推重比7.5。117S的風扇仍舊采用傳統的窄弦直葉片，葉片數目較多，葉身上保留阻尼凸肩（或者是加強肋）。新型結構如整體葉盤仍未得到應用，部件重量比較大。風扇直徑的加大，造成尺寸加大，重量增加，對發動機的單位性能影響不利。從這點上看，117S發動機其實與AL-31F-M2發動機類似，都是3代改進型動力，從性能上看只能是第5代動力前的過渡型號。

當然，“土星”聯合體不會對自己的產品吝嗇新開發的技術，全權限數字控制系統、軸對稱矢量噴管等經過驗證的一系列新技術一股腦都應用到117S上。受益于俄羅斯航空工業整體實力的提升，及先進材料的陸續問世，據稱117S壽命將達到1000小時的首翻修時間，未來計劃進一步提升到2000小時，總壽命為4000小時。蘇聯解體后，俄羅斯也深刻反思自己的航空工業的弊端，并不排斥西方先進的管理經驗，接受并采用西方航空發動機壽命管理標準。這一點對蘇俄過去那種“粗放式”發展模式有著根本性改變，并直接促進現在俄航空發動機的壽命有著質的提升。這點最直接的表現，就是對發動機的維護是學習西方那種視情維護的原則維修或更換發動機部件。“禮炮”和“土星”聯合體均將這一原則應用到旗下的最新型號上。由于117S發動機被選為俄第5代戰機的T-50的動力系統，俄方很重視對117S性能的保密工作，至今仍沒有公布該機內部技術情況。但按常理推測，其核心機也會進行相應的改動，如，燃燒室、渦輪等重要部件的結構材料、加工工藝、氣動設計都會使用俄羅斯當下掌握的最新技術。

雖然117S發動機的具體性能數據并未公布，但從裝備117S的蘇-35戰機和T-50戰機的表現看，俄政府對其還是比較滿意的，并且希望把117S推向國際市場，再次為俄羅斯帶來真金白銀。“土星”也對117S信心滿滿，計劃在117S基礎上，用兩到三年時間研制117A（即AL-41F-A），也就是AL-41F型號重新開始研制后的第一個正式型號。該計劃達到 147千牛推力，然后再繼續改進出真正的5代動力裝置，加力推力157千牛左右。雖然還沒有獲得資金的支持，不過隨著普京總統高調回歸，以其一貫強勢風格，對軍隊的投入絕不會少，當然對關乎國家命運的航空工業定會青睞有加。估計，“禮炮”和“土星”在不久將會得到經費，繼續推進各自的第5代發動機計劃。

結語

近20年來，俄羅斯完全采用符合國際上3代航空發動機的發展軌跡來發展AL-31F，即利用現有的技術成果充分發掘型號潛能。在設計中不再像蘇聯時代那樣過分追求性能，甚至不惜犧牲耐久性、可維護性和可靠性，而是綜合平衡各方面性能。在獲取高性能的同時，也采取措施大力提高可靠性、耐久性和可維護性。這一類似西方的指導思想的采用，改變以前 “粗放式”的蘇式發展模式，實實在在地提升了本國的航空工業實力。在國際市場競爭中也增強了自身的競爭力。例如，在原來最為人詬病的壽命管理模式方面，AL-31F發動機改型已趨向于單元體或大部件的管理方式，只規定了關鍵部件和單元體的壽命指標，取消了傳統的翻修壽命模式（規定首翻期、翻修期和總壽命指標，定期對型號進行大拆大卸式的檢修）。AL-31F改型不僅可以滿足俄對現役飛機升級的動力需要，同時也為繼續占領傳統海外市場乃至擴大份額創造條件。（續完）