“側(cè)衛(wèi)”之心（上）

火心2000

在2015年的莫斯科航展上，俄羅斯的蘇-35戰(zhàn)機(jī)憑借一系列華麗的性能出盡風(fēng)頭，捍衛(wèi)了“側(cè)衛(wèi)”家族在世界戰(zhàn)機(jī)史冊上的威名。蘇-35雖然有著匪夷所思的機(jī)動性能、強(qiáng)悍而霸氣的武器裝備、先進(jìn)而全面的航電系統(tǒng)，但真正讓國人羨慕的是其“心臟”——117S/AL-41F1S發(fā)動機(jī)。除了蘇-35之外，改進(jìn)自AL-31F系列的117S發(fā)動機(jī)也將裝備俄羅斯最頂級戰(zhàn)機(jī)T-50（AL-41F1）。作為3代半（3++）和第4代（俄羅斯稱為第5代）隱身戰(zhàn)機(jī)的動力系統(tǒng)，117S發(fā)動機(jī)肯定是身懷絕技，所以才能讓俄羅斯對它如此重視。本文重點(diǎn)對其“血統(tǒng)身世”一探究竟。

Al-31F發(fā)動機(jī)問世的背景

回首漫長的航空發(fā)動機(jī)發(fā)展史，曾經(jīng)的紅色帝國為與美國爭霸世界，對關(guān)乎國家命運(yùn)的航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展向來都是全力以赴，不遺余力。在蘇聯(lián)眾多一流的航空發(fā)動機(jī)設(shè)計局中，能夠設(shè)計第三代大推力渦扇發(fā)動機(jī)的唯有一家——留里卡設(shè)計局。

留里卡設(shè)計局組建于1946年，是蘇聯(lián)主要戰(zhàn)機(jī)動力系統(tǒng)設(shè)計局。該設(shè)計局的首任總設(shè)計師阿爾西普·留里卡研制出了蘇聯(lián)的首臺渦噴發(fā)動機(jī)TR-1，被稱為俄羅斯“噴氣發(fā)動機(jī)之父”。在此之后，他又研制出了TR-2、TR-3、TR-5、AL-5、AL-7、AL-21等多種噴氣發(fā)動機(jī)，裝備于蘇-7、蘇-9、蘇-11、蘇-24、蘇-17M、蘇-20、米格-23等戰(zhàn)機(jī)，以及伊柳申、圖波列夫等設(shè)計局的多型飛機(jī)。這些飛機(jī)不僅用于蘇聯(lián)/俄羅斯，還出口到世界上許多國家。而真正把留里卡設(shè)計局推向世界頂級航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域的，當(dāng)屬后來大名鼎鼎的AL-31F發(fā)動機(jī)。

在冷戰(zhàn)正酣之際的20世紀(jì)60年代，蘇聯(lián)得知美國上馬了新一代戰(zhàn)機(jī)計劃，也啟動自己相應(yīng)的對抗計劃。這就是后來的米格-29和蘇-27戰(zhàn)斗機(jī)。此時，蘇聯(lián)針對美國普拉特·惠特尼（PW）公司的F100高性能發(fā)動機(jī)，決定由留里卡設(shè)計局負(fù)責(zé)研制一款與之性能相近的戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)。該項(xiàng)目代號99，正式型號名稱為AL-31F（字母F表示加力），并在1973年正式啟動。

擁有豪門“血統(tǒng)”的AL-31F發(fā)動機(jī)的初期研發(fā)工作十分順利，次年的8月就完成了第一臺樣機(jī)的裝配。留里卡設(shè)計局的早期設(shè)計方案為“3級風(fēng)扇+9級高壓壓氣機(jī)+高低壓渦輪各1級”。不過經(jīng)過精確計算，這個方案雖然重量很輕，但性能根本達(dá)不到F100的水平。為此，留里卡設(shè)計局只好把早期方案推倒，增加級數(shù)（4級風(fēng)扇、12級高壓壓氣機(jī)、高低壓渦輪各2級）以提高循環(huán)參數(shù)來獲得更大的推力。不過，級數(shù)的增加雖解決了推力不足的問題，但發(fā)動機(jī)的超重情況卻是高得離譜，達(dá)到1600千克，推力僅為108千牛，與F100相去甚遠(yuǎn)，研制進(jìn)度也大為拖延。

無奈之下，留里卡設(shè)計局只好把前后兩個方案都推倒進(jìn)行方案大改。雖然在AL-31F的設(shè)計初期困難重重，但作為當(dāng)時蘇聯(lián)唯一能與PW、通用電氣（GE）抗衡的世界級航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)跑者，留里卡設(shè)計局的自身實(shí)力可不是一般小魚小蝦所能比擬的。在留里卡院士的帶領(lǐng)下，設(shè)計局上下參考眾多優(yōu)秀設(shè)計方案，對設(shè)計方案進(jìn)行了重大改進(jìn)：保留了以前的4級風(fēng)扇，但高壓壓氣機(jī)減為9級，高低壓渦輪各為1級，總級數(shù)下降到15級，重量也降到了1530千克。修改后的發(fā)動機(jī)在試驗(yàn)過程中又遇到了許多故障，某些工作參數(shù)仍未能達(dá)到設(shè)計指標(biāo)。為此，設(shè)計局采用了新的工藝和材料將渦輪進(jìn)口溫度升高以提高渦輪效率。直到1979年8月23日，首架安裝AL-31FH發(fā)動機(jī)（型號名稱中的H表示附件下置。早期的AL-31F的齒輪箱等附件設(shè)計在發(fā)動機(jī)的下部，后來為配合飛機(jī)結(jié)構(gòu)修改，將附件機(jī)匣“高置”成現(xiàn)在的樣子）的蘇霍伊設(shè)計局蘇-27原型機(jī)T-10-3才飛上藍(lán)天。

Al-31F發(fā)動機(jī)早期存在的問題

盡管試飛取得成功，可發(fā)動機(jī)仍存在諸多問題。某些工作參數(shù)未能達(dá)到設(shè)計指標(biāo)，其中最嚴(yán)重的莫過于渦輪問題，直接導(dǎo)致了進(jìn)度的拖延。按照原計劃，發(fā)動機(jī)定于1982年通過國家鑒定。為此，兩家定點(diǎn)發(fā)動機(jī)生產(chǎn)企業(yè)——莫斯科“禮炮”（Salut，又譯作薩留特）機(jī)械制造廠和烏法發(fā)動機(jī)制造生產(chǎn)廠在1981年就分別建立了定型型號的批量生產(chǎn)線?？墒侵钡?984年6月，蘇聯(lián)航空發(fā)動機(jī)的大師級人物留里卡總設(shè)計師去世，高壓渦輪問題仍是橫亙在型號定型的道路上。

因?yàn)闇u輪效率的設(shè)計值比目標(biāo)低了4%，只好將渦輪進(jìn)口溫度提高到1392℃。但溫度的提高造成渦輪葉片熱負(fù)荷過大，運(yùn)轉(zhuǎn)不久葉身便產(chǎn)生裂紋，根本無法通過定型試車。發(fā)動機(jī)的翻修壽命也只有可憐的50小時左右。關(guān)鍵時刻，留里卡院士的親密戰(zhàn)友——設(shè)計局的新一任總設(shè)計師維克特·米哈洛維奇·切普金臨危受命，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)展開了新一輪的技術(shù)攻關(guān)，果斷決定修改渦輪葉片的冷卻流路。采用了旋轉(zhuǎn)式冷卻方式、改進(jìn)制造工藝與熱障、涂層技術(shù)等措施后，留里卡設(shè)計局最終邁過了這道坎。

1985年8月6日，AL-31F通過了蘇聯(lián)的國家鑒定試驗(yàn)，第二年開始批量生產(chǎn)。至此留里卡設(shè)計局耗時10余年的扛鼎之作終于“修成正果”。從1973年的項(xiàng)目上馬到1985年“準(zhǔn)生證”的取得，AL-31F發(fā)動機(jī)在設(shè)計中使用了57臺試車發(fā)動機(jī)，總運(yùn)轉(zhuǎn)22900小時（其中臺架試車16625小時、試飛6275小時），共解決了685個技術(shù)難題，獲得128項(xiàng)技術(shù)專利。

AL-31F發(fā)動機(jī)的定型最終成就了后來的“側(cè)衛(wèi)”家族。蘇-27系列戰(zhàn)機(jī)在AL-31F發(fā)動機(jī)的強(qiáng)勁支持下，完成了至今仍讓人嘆為觀止、匪夷所思的高難度飛行動作。當(dāng)蘇-27戰(zhàn)機(jī)揚(yáng)威巴黎航展之時，整個西方都為其“變態(tài)”的機(jī)動性能“瞠目結(jié)舌”，也改變了以往西方對蘇聯(lián)航空發(fā)動機(jī)的“鄙視”態(tài)度?！皞?cè)衛(wèi)”家族正是因?yàn)橛辛诉@顆強(qiáng)悍的“心臟”， 才使得蘇霍伊設(shè)計局在經(jīng)過蘇聯(lián)解體的漫長陣痛后，依然能為俄羅斯航空工業(yè)撐起一片天空，且至今仍是俄羅斯軍工貿(mào)易中的“招牌產(chǎn)品”。

盡管AL-31F發(fā)動機(jī)通過了定型試驗(yàn)，但當(dāng)時的發(fā)動機(jī)還不能算作合格裝備。其最大的問題是翻修壽命過短，距軍方的最低要求還有差距，可靠性也不高。當(dāng)時蘇聯(lián)空軍要求型號首翻期不少于300小時，但首批生產(chǎn)型的指標(biāo)還不到100小時，其中發(fā)動機(jī)在最大推力和加力狀態(tài)上只能達(dá)到50小時，且大多數(shù)條件下也有著嚴(yán)格的限制，起動次數(shù)不能超過300次?？梢哉f，此時的AL-31F發(fā)動機(jī)連同樣問題百出的F100-PW-100發(fā)動機(jī)都不如。所以，發(fā)動機(jī)定型后的中心任務(wù)是持續(xù)進(jìn)行修改和提高，工作重點(diǎn)是延壽。

為此，承擔(dān)批量生產(chǎn)任務(wù)的兩家企業(yè)會同有關(guān)設(shè)計單位以及科研院所聯(lián)合進(jìn)行攻關(guān)，對發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵部位（如渦輪盤、軸、葉片、火焰筒）采用新的制造加工工藝、更換材料、改進(jìn)涂層等措施，以提高零部件的可靠性與耐久性，取得了較滿意的成果。發(fā)動機(jī)的首翻壽命從原來的100小時逐步提高了200小時，直至符合軍方要求的300小時，型號定為AL-31Fcep.2。綜合蘇聯(lián)各方面的延壽工作，主要采取了以下幾種卓有成效的手段：

采用空心陰極真空電弧釬焊，可使渦輪葉片工作壽命提高2～4倍。在渦輪葉片葉冠耦合面上釬焊一層耐磨鑲片。鑲片材料的耐高溫耐磨性能優(yōu)于葉片材料，從而顯著改進(jìn)了葉冠耦合面的性能。

綜合運(yùn)用多種噴涂技術(shù)對發(fā)動機(jī)零部件進(jìn)行表面處理和熱障涂層，延長其工作壽命2～4倍。

采用高精度優(yōu)質(zhì)齒輪的加工技術(shù)，包括唇齒、表面滲氮硬化，齒輪精磨、檢驗(yàn)等工序，提高生產(chǎn)效率，縮短了約一半的生產(chǎn)周期，加快零部件的生產(chǎn)速度。

使用等溫沖壓工藝，實(shí)現(xiàn)了少余量制造各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鈦合金零件，節(jié)約了30%～60%材料，并且提高了部件的疲勞壽命。

AL-31F的主要特色

第一特色：鋼筋鐵骨

作為“高精尖”代名詞的航空發(fā)動機(jī)工業(yè)，向來追求用最先進(jìn)的技術(shù)提升性能。20世紀(jì)70年代的蘇聯(lián)整體國力雄踞世界第二，但在細(xì)節(jié)方面仍不如西方來得精細(xì)。因此，蘇聯(lián)的航空發(fā)動機(jī)工業(yè)向來以實(shí)用至上，不盲目追求“高精尖”。這點(diǎn)在AL-31F發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計上有著最明顯的體現(xiàn)。在AL-31F的結(jié)構(gòu)設(shè)計上，蘇聯(lián)設(shè)計師采取了務(wù)實(shí)的做法。根據(jù)自身?xiàng)l件合理安排高技術(shù)的應(yīng)用比例。一方面繼承傳統(tǒng)的蘇式航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)（混合蘇式和西方的兩種類型），以降低技術(shù)風(fēng)險，保證研制進(jìn)度；另一方面學(xué)習(xí)借鑒西方設(shè)計中的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，采用當(dāng)時的尖端結(jié)構(gòu)技術(shù)（如焊接轉(zhuǎn)子、中介軸承等），使型號具有一定的先進(jìn)性。

1. 發(fā)動機(jī)大量使用鈦合金材料（達(dá)到整機(jī)重量的35%左右）與高溫合金，配合一系列獨(dú)到的加工工藝制造，實(shí)現(xiàn)減輕全機(jī)重量，獲得較高推重比的效果。但AL-31F在許多重要零部件材料選擇上卻比較保守，以高壓渦輪為例，AL-31F仍使用定向凝固合金制造的工作葉片和高溫合金制造的渦輪盤。這也是為何AL-31F壽命一直不長的重要原因之一。其實(shí)這并非蘇聯(lián)設(shè)計師做法保守，而是設(shè)計師充分認(rèn)識到當(dāng)時蘇聯(lián)尚未完全掌握新材料的加工制造技術(shù)、短期內(nèi)無法實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，尤其是大直徑粉末冶金渦輪盤生產(chǎn)技術(shù)不過關(guān)。但這并不代表蘇聯(lián)就不“新潮”。蘇聯(lián)在20世紀(jì)70年代的航空材料和工業(yè)技術(shù)已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)高的水平，某些新型材料如粉末冶金、單晶高溫合金等已開始應(yīng)用于型號。RD-33（俄文為PД-33）發(fā)動機(jī)就是其中最典型的發(fā)動機(jī)。即便AL-31F上有許多材料技術(shù)相對落后，但蘇聯(lián)已經(jīng)突破了新材料的關(guān)鍵研發(fā)階段，進(jìn)入了細(xì)節(jié)完善。當(dāng)時蘇聯(lián)航空材料研究所（BHAM）一直與批生產(chǎn)廠家聯(lián)合進(jìn)行技術(shù)工藝攻關(guān)，待發(fā)展成熟后就用于更換。

2. 該機(jī)采用單元體的設(shè)計結(jié)構(gòu)，可在最小調(diào)整量與校正量的情況下更換單元體，提高了可維護(hù)性，也為將來的升級提供了便利。

3. 設(shè)計中考慮了使用維護(hù)性，發(fā)動機(jī)機(jī)匣上設(shè)有許多觀察孔/探孔，方便維護(hù)人員檢查發(fā)動機(jī)葉片、燃燒室、燃油噴嘴等的工作情況。外涵與高壓壓氣機(jī)機(jī)匣上設(shè)有水平分離面，可以在外場進(jìn)行壓氣機(jī)葉片的修理和更換。

4. 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子采用了6個主支點(diǎn)，三大承力框架布局極富特色。壓氣機(jī)設(shè)計緊湊，高壓轉(zhuǎn)子軸向尺寸較短，其主軸上只安裝了2個軸承（支承方案為1-0-1）。低壓轉(zhuǎn)子卻是用了4個軸承（支承方案為1-2-1），在同代中較為異類。由于當(dāng)時蘇聯(lián)的整體技術(shù)實(shí)力有限，設(shè)計師只能在低壓轉(zhuǎn)子上設(shè)計4個支點(diǎn)，以保證發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性；而同時代的F110的低壓段只有3個支點(diǎn)。采用4支點(diǎn)設(shè)計顯著增加發(fā)動機(jī)的復(fù)雜程度和零部件數(shù)量，削弱了中介承軸的效果。因此，除了AL-31F發(fā)動機(jī)，別的高性能發(fā)動機(jī)都未采用這種設(shè)計。

5. 由于當(dāng)時蘇聯(lián)并未完全掌握高溫材料的焊接技術(shù)，在AL-31F壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的連接工藝上既采用了先進(jìn)的電子束焊接，也采用了落后而傳統(tǒng)的長螺栓連接成形的工藝。用電子束焊接工藝焊接轉(zhuǎn)子的輪盤、鼓環(huán)、軸等，可以省去相應(yīng)連接件，大為簡化轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，是20世紀(jì)70年代后提高發(fā)動機(jī)推重比的十分有效的方法。不過，由于蘇聯(lián)在當(dāng)時對電子束焊接工藝掌握得不夠成熟，只好延續(xù)RD-33發(fā)動機(jī)的做法，使用傳統(tǒng)而落后的長螺栓連接工藝來連接壓氣機(jī)（特別是后3級轉(zhuǎn)子使用的多）。同時，由于采用這種落后的工藝方法，不得不在葉片上開孔，讓螺栓穿過。這樣雖方便高壓渦輪和壓氣機(jī)部件通過剛性連軸器的安裝，也便于拆換單原件，但是這些鉆孔會大幅削弱零部件的強(qiáng)度，影響部件的可靠性和壽命。所以，先進(jìn)發(fā)動機(jī)都避免采用這種方法。

第二特色：無憂操作

如果說，先進(jìn)的制造材料是發(fā)動機(jī)強(qiáng)壯而結(jié)實(shí)的筋骨，那么先進(jìn)的控制裝置則是發(fā)動機(jī)的大腦，而調(diào)節(jié)計劃（控制方案）就是存在其中的思想，是全機(jī)的靈魂。后兩者構(gòu)成完整而復(fù)雜的發(fā)動機(jī)綜合控制系統(tǒng)。作為典型的世界級3代大推之一，AL-31F控制裝置的設(shè)計達(dá)到了同類設(shè)計的先進(jìn)水平，其全程多元復(fù)合調(diào)節(jié)與發(fā)動機(jī)完美結(jié)合，能夠根據(jù)不同的工作環(huán)境及運(yùn)行狀態(tài)，合理運(yùn)用適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)規(guī)律來獲得所需性能，以滿足飛機(jī)在寬廣飛行范圍內(nèi)的技戰(zhàn)術(shù)要求。該系統(tǒng)既繼承了蘇式發(fā)動機(jī)的分段調(diào)節(jié)、追求最大推力的設(shè)計思想，同時也不排除歐美先進(jìn)的設(shè)計理念，提高發(fā)動機(jī)過渡態(tài)（加、減速等）的控制質(zhì)量。不過由于蘇聯(lián)的電子工業(yè)長期落后于西方，在先進(jìn)的全權(quán)限數(shù)字式發(fā)動機(jī)控制（FADEC）尚未成熟之時，AL-31F只好采用混合式（液壓機(jī)械-模擬式電子調(diào)節(jié)）控制設(shè)計。但在長于機(jī)械系統(tǒng)整合的蘇聯(lián)設(shè)計師面前，這樣的控制設(shè)計也是頂級存在。后來，用薩留特集團(tuán)的Sau-235系統(tǒng)更換以前的混合式控制系統(tǒng)。改進(jìn)后，發(fā)動機(jī)重量減輕了約40千克。據(jù)薩留特集團(tuán)稱，這套裝置的性能不亞于F100-PW-229的發(fā)動機(jī)數(shù)字電子控制（IDEEC）。

即便如此，AL-31F的出色控制設(shè)計能力仍可為世界諸多國家所學(xué)習(xí)。后來我國大量引進(jìn)蘇-27戰(zhàn)機(jī)時，對AL-31F發(fā)動機(jī)的這套系統(tǒng)有著深入而透徹的分析研究，科技人員對該系統(tǒng)性能相當(dāng)滿意，并為我國航空發(fā)動機(jī)科研單位所借鑒，經(jīng)適當(dāng)改進(jìn)后被移植到國產(chǎn)的WS-10“太行”發(fā)動機(jī)上。

第三個特色：華麗性能

首先，AL-31F發(fā)動機(jī)沿襲蘇式發(fā)動機(jī)一貫風(fēng)格，追求最大推力的設(shè)計。高度速度特性較好，性能潑辣（有更大的剩余功率，以滿足飛機(jī)加速性要求。蘇-27的起飛爬升性能、中低空機(jī)動性能都相當(dāng)出色）。發(fā)動機(jī)的全加力推力與F110-GE-100基本相當(dāng)，但中間推力超過后者。這主要?dú)w功于AL-31F采用小涵道比、高渦輪工作溫度設(shè)計，全加力/最大推力狀態(tài)下的單位推力分別達(dá)到1093牛/（千克/秒）和680牛/（千克/秒），進(jìn)口風(fēng)扇輪緣速度大（476.8米/秒，壓氣機(jī)的加力量大）、增壓比大（風(fēng)扇增壓比3.54）。因而風(fēng)扇可以減小，核心機(jī)空氣流量上AL-31F比F110略大（約多25千克/秒），循環(huán)功率稍微更大一些。

AL-31F采用“兩高一低”的熱力循環(huán)參數(shù)：渦輪進(jìn)口溫度1665K，總壓比25，涵道比在同類型號中較低，為0.571。

其次，AL-31F的第二性能特點(diǎn)是抗壓力、溫度畸變能力強(qiáng)、壓氣機(jī)喘振裕度大（設(shè)計轉(zhuǎn)速下，喘振裕度可以達(dá)到25%）、氣動穩(wěn)定性高。AL-31F的高低壓壓氣機(jī)的平均壓比都不高，級載荷水平適中。采用3代大推中“異類”的4級風(fēng)扇方案，壓氣機(jī)的級數(shù)過多，影響了發(fā)動機(jī)的主要性能。但渦輪只用2級，降低了總體級數(shù)（比F100還少一級）。不過，這樣的設(shè)計若想提高渦輪的工作溫度、增加功率輸出，就十分的困難了。

第三，AL-31F十分注重發(fā)動機(jī)的氣動穩(wěn)定性。雖然蘇式發(fā)動機(jī)一貫追求高推力，但對氣動穩(wěn)定性的追求甚至高于高推力。蘇式發(fā)動機(jī)為了保證正常工作，甚至不惜犧牲航空發(fā)動機(jī)性能來換取高穩(wěn)定和大裕度。AL-31F發(fā)動機(jī)就是這種思想的產(chǎn)物。為保證發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定工作，蘇聯(lián)設(shè)計師運(yùn)用諸多先進(jìn)和落后的技術(shù)。壓氣級數(shù)多就是這種方法的折衷處理。當(dāng)然在增加級數(shù)的同時，AL-31F的進(jìn)氣機(jī)匣還安裝了23片可變彎度導(dǎo)流葉片。在第4級工作葉片對應(yīng)處設(shè)計了處理機(jī)匣，開設(shè)400多個斜槽，風(fēng)扇出口實(shí)現(xiàn)了飛行包線內(nèi)的無顧忌操作。反觀早期的F100發(fā)動機(jī)，在服役初期就因多起壓氣機(jī)失速等氣動穩(wěn)定性故障，讓F-15這樣的強(qiáng)者都背上了“機(jī)庫皇后”的惡名。由此可見，AL-31F獨(dú)到的折衷設(shè)計對發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定性具有十分重要的作用。更重要的是AL-31F壓氣機(jī)失速裕度大、抗畸變能力強(qiáng)的特點(diǎn)，非常適合艦載機(jī)的使用。根據(jù)壓氣機(jī)特性圖，從慢車道最高狀態(tài)下的失速裕度達(dá)到25%～30%。特別是低轉(zhuǎn)速的喘振裕度對滿足發(fā)動機(jī)空中起動以及加速性能有著至關(guān)重要的作用。

早期AL-31F發(fā)動機(jī)的主要改進(jìn)型號

AL-31F的問世一掃蘇聯(lián)對美國先進(jìn)發(fā)動機(jī)的頹勢，讓其航空發(fā)動機(jī)工業(yè)再一次與美國站在同一起跑線上。不過，即使促使蘇-27這款劃時代戰(zhàn)機(jī)的誕生，但AL-31F仍存在許多難以忍受的缺陷，特別是最為人詬病的“短命”、故障率居高不下等一系列問題。1985年，剛剛通過鑒定的AL-31F，其初始壽命只有短暫的50小時。如此指標(biāo)用“堪用”都勉為其難，連當(dāng)初問題不斷的F100-PW-100都不如。因此，蘇聯(lián)眾多研制和生產(chǎn)單位，在AL-31F服役后，針對其暴露的諸多缺陷采取了一系列富有成效的改進(jìn)措施，特別是針對其“短命”的改進(jìn)更是作為重中之重。經(jīng)過各方面的專家、工程技術(shù)人員的不懈努力，發(fā)動機(jī)使用壽命逐步延長。到20世紀(jì)90年代末期，生產(chǎn)型號的翻修壽命可超過500小時。

AL-31FN發(fā)動機(jī)

該型號是專為出口中國的殲10戰(zhàn)機(jī)所用的型號。作為本為雙發(fā)布局蘇-27戰(zhàn)機(jī)設(shè)計的發(fā)動機(jī)，為能在單發(fā)的殲10戰(zhàn)機(jī)上使用，留里卡設(shè)計局-禮炮公司根據(jù)殲10的需求，對AL-31F進(jìn)行了針對性改進(jìn)。將發(fā)動機(jī)附件、傳動箱從附著在發(fā)動機(jī)上面，移到附著在發(fā)動機(jī)的下面，而飛機(jī)附件傳動機(jī)匣還是安裝在發(fā)動機(jī)的上面。

據(jù)俄羅斯2002年11月公開的資料顯示，AL-31FN發(fā)動機(jī)性能、尺寸和重量的數(shù)據(jù)，與原型的AL-31F只有很少的區(qū)別。由于從雙發(fā)機(jī)改為單發(fā)飛機(jī)使用，發(fā)動機(jī)附件得以簡化；又由于AL-31FN發(fā)動機(jī)拆去了內(nèi)外涵流道的分流隔板，使得發(fā)動機(jī)的質(zhì)量減輕了一些。AL-31FN較AL-31F的燃油消耗率略有提高。因此，AL-31FN發(fā)動機(jī)仍有性能改進(jìn)的必要。

AL-31Fcep·3發(fā)動機(jī)

在漫長的冷戰(zhàn)時代，蘇聯(lián)雖在眾多軍備領(lǐng)域能與美國抗衡，甚至領(lǐng)先，但在航母方面始終甘拜下風(fēng)。在艦載機(jī)方面，尤其是在固定翼艦載機(jī)方面，蘇聯(lián)更是羞于見人。這種局面直到冷戰(zhàn)結(jié)束前夜才有根本性的改變。這主要得益于蘇聯(lián)推出了蘇-33艦載機(jī)。

早在蘇-27戰(zhàn)機(jī)設(shè)計定型階段，蘇霍伊設(shè)計局就根據(jù)蘇聯(lián)高層指示，在蘇-27基礎(chǔ)上設(shè)計一款艦載機(jī)。這就是后來蘇-33戰(zhàn)機(jī)的雛形。計劃于1978年開始啟動。1984年4月18日，蘇共中央和蘇聯(lián)部長會議決定由蘇霍伊設(shè)計局在蘇-27的基礎(chǔ)上研制新型艦載防空戰(zhàn)斗機(jī)。其主要作戰(zhàn)對象是美國的F-14和F/A-18系列戰(zhàn)斗機(jī)。

用于艦載機(jī)的動力裝置必須非常穩(wěn)定可靠。然而，當(dāng)時AL-31F的“短命”是最大的問題，顯然不能作為艦載機(jī)的動力裝置。為此，留里卡設(shè)計局聯(lián)合諸多航空工業(yè)部門，對AL-31F進(jìn)行系統(tǒng)的技術(shù)改進(jìn)。經(jīng)過工程技術(shù)人員的不懈努力，發(fā)動機(jī)開始逐漸成熟。其改進(jìn)工作也進(jìn)展迅速，至20世紀(jì)80年代末，蘇聯(lián)第一種重型艦載機(jī)的發(fā)動機(jī)——AL-31Fcep·3終于研制成功。

1989年11月11日，安裝AL-31Fcep·3發(fā)動機(jī)的蘇-27K（T-10K-2）在功勛試飛員普加喬夫的駕駛下順利降落在“第比利斯”號（即后來的“庫茲涅佐夫”號）航母上，開創(chuàng)了蘇聯(lián)航空史上的新紀(jì)元。同年，蘇-27K/蘇-33的生產(chǎn)工作正式啟動，首先制造定型試飛樣機(jī)?？墒?，由于蘇聯(lián)解體，俄羅斯的國力一落千丈，新型艦載機(jī)直到1998年才正式裝備部隊(duì)。

與基本型相比，AL-31Fcep·3最明顯的改進(jìn)是增加了特殊推力模式。發(fā)動機(jī)在此工作模式下通過短時間內(nèi)提高渦輪前溫度來獲得更大動力。艦載機(jī)的起降條件十分苛刻，而且蘇-33采取了滑躍起飛方式。這個過程發(fā)動機(jī)是滿負(fù)荷狀態(tài)。如果是降落狀態(tài)下，推力還得更高（增推幅度大約為5%，最高可產(chǎn)生129.4千牛推力），著艦失敗后，發(fā)動機(jī)必須要在短時間內(nèi)提供足夠的動力來實(shí)現(xiàn)復(fù)飛。AL-31Fcep·3可以在5秒內(nèi)從正常進(jìn)場狀態(tài)加速到全加力/特殊推力狀態(tài)。Cep·3安裝有功能增強(qiáng)的KPD-99B綜合電子調(diào)節(jié)器，可以適應(yīng)艦載機(jī)復(fù)雜的油門控制。

由于AL-31Fcep·3發(fā)動機(jī)的工作環(huán)境不同于陸基型號，所以設(shè)計中選用了抗腐蝕新材料以及多種防腐涂層措施，以滿足長期在高濕、鹽霧等惡劣條件下運(yùn)行的需要；同時，還注意發(fā)動機(jī)的使用維護(hù)性和耐久性，翻修壽命延長到500小時。

艦載機(jī)的動力必須具備良好的操作性能，而AL-31F本身就是一款操作應(yīng)用性很強(qiáng)的型號。在加速性方面，空中加速（慢車至中間推力）時間在8秒以內(nèi)，地面狀態(tài)3～5秒。若直接推油門到全加力，所需時間不超過7秒。這些華麗的性能指標(biāo)完全可以匹敵美國的同類發(fā)動機(jī)型號。正是有此基礎(chǔ)，AL-31F才能順利應(yīng)用到艦載機(jī)上。Cep·3型在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高，比如空中起動功能，型號提供了多種起動方案，其中包括了起動機(jī)代轉(zhuǎn)起動模式。這與F110-GE-400的設(shè)計相同。發(fā)動機(jī)空中起動可以全自動進(jìn)行，也能手動（半自動）操作。后一種模式下，飛行員首先得將油門桿收回停車位置，然后再推至慢車進(jìn)行起動?；蛘卟扇?qiáng)制執(zhí)行模式，按座艙內(nèi)的“再次起動”按鍵，進(jìn)行再次起動。同時，該型號還保留了蘇式發(fā)動機(jī)慣用的補(bǔ)氧系統(tǒng)，提供輔助。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使用靈活，在地面起動過程中可直接向起動機(jī)燃燒室供氧，助燃；空中起動時向主燃燒室供氧以擴(kuò)大點(diǎn)火邊界，這也是AL-31F起動系統(tǒng)中最突出的特點(diǎn)。

AL-31FP推力矢量發(fā)動機(jī)

冷戰(zhàn)結(jié)束后，繼承蘇聯(lián)大統(tǒng)的俄羅斯國力一落千丈。不要說按蘇聯(lián)時代的計劃更換武器系統(tǒng)，就是能養(yǎng)活接收自蘇聯(lián)時代的軍事裝備都是十分吃力。一時間，俄羅斯眾多的軍備設(shè)計生產(chǎn)商陷入了斷炊困境中。缺乏國內(nèi)訂單的眾多實(shí)力雄厚的發(fā)動機(jī)研制單位只得將目光盯向海外市場，希望能用海外的市場來向本國輸血。為了搶到訂單，俄羅斯的眾多軍備設(shè)計生產(chǎn)商迫不及待地對外展示其試驗(yàn)性質(zhì)發(fā)動機(jī)。這種做法一反蘇聯(lián)時代那種嚴(yán)謹(jǐn)而有計劃的軍備發(fā)展風(fēng)格，一切進(jìn)入了勢利的市場至上軌道。

但要國外用戶認(rèn)可這些未經(jīng)時間檢驗(yàn)的在研產(chǎn)品卻非易事。留里卡設(shè)計局借助于蘇霍伊的“側(cè)衛(wèi)”戰(zhàn)機(jī)的大量出口，日子還相對好一點(diǎn)。別的設(shè)計生產(chǎn)商只能是度日如年了。就是如此，留里卡設(shè)計局在20世紀(jì)90年代早期屢次向中國推銷在研發(fā)動機(jī)。但經(jīng)過屢撞南墻已經(jīng)覺悟的中國根本不買賬，只是理性地選擇那些成熟而可靠地軍備。但一向在軍備發(fā)展上眼高手低的“南亞某大國”卻無其文明古國的睿智。在20世紀(jì)90年代末，決定采購蘇-30MKI戰(zhàn)斗機(jī)，配備未經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)卻被俄羅斯吹得天花亂墜的在研推力矢量發(fā)動機(jī)AL-31FP。這是世界上第一種進(jìn)入空軍服役的帶軸對稱矢量噴管的發(fā)動機(jī)型號。

AL-31FP推力矢量發(fā)動機(jī)的紙面性能在俄羅斯眾多饑腸轆轆的廠商有意無意的宣傳下，“忽悠”給了印度這個“超級小白鼠”。這讓自以為撿到寶貝的印度空軍在以后的十余年里吃盡了苦頭，再次領(lǐng)教了斯拉夫人的“狡猾”。關(guān)于這方面的介紹文獻(xiàn)頗多，不作本文敘述重點(diǎn)。

其實(shí)，關(guān)于矢量推力技術(shù)，俄羅斯早在20世紀(jì)80年代初就已開始了研究。當(dāng)時蘇聯(lián)為研制新一代高性能軍用發(fā)動機(jī)，開始了矢量噴管的研究工作。只不過這個技術(shù)是為第4代大推AL-41F服務(wù)的，且早期的技術(shù)方案是二元噴管（和后來的F119發(fā)動機(jī)類似），而不是后期更為花哨的軸對稱方案。后者只是備選方案。1987年，蘇聯(lián)制造出試驗(yàn)噴管，并進(jìn)行了技術(shù)驗(yàn)證。1989年分別將兩種噴管安裝到經(jīng)過改裝的飛行試驗(yàn)臺上——蘇-27IMK-2405（軸對稱矢量噴管）和蘇-27FB-PC（二元矢量噴管）。前者于當(dāng)年的3月21日進(jìn)行首次試飛。由于當(dāng)時的技術(shù)條件限制，噴管都由手動控制。進(jìn)入到20世紀(jì)90年代后，俄羅斯因經(jīng)濟(jì)技術(shù)等原因，已無力負(fù)擔(dān)兩個同樣需要投入巨資的項(xiàng)目。只好選擇軸對稱矢量噴管和現(xiàn)役機(jī)型的改裝應(yīng)用。希望能實(shí)現(xiàn)技術(shù)方面實(shí)質(zhì)性突破，為研制單位迅速帶來“硬通貨”。

為了盡快找到客戶，1996年，蘇霍伊設(shè)計局配合留里卡設(shè)計局將取得階段性成果但未完全技術(shù)定型的該項(xiàng)技術(shù)便推向了市場。當(dāng)年，安裝AL-31Fy（此時，俄羅斯為了吸引客戶，同樣的東西卻是屢次更換型號，造成新產(chǎn)品的印象。其實(shí)依舊是新瓶裝舊酒而已）俯仰式矢量噴管發(fā)動機(jī)的蘇-37戰(zhàn)機(jī)亮相英國的范堡羅航展。蘇-37戰(zhàn)機(jī)在新技術(shù)的幫助下，做出了比其“兄長”蘇-27更加“離譜”的機(jī)動動作。一時間，技驚四座的蘇-37戰(zhàn)機(jī)重新找回蘇式戰(zhàn)機(jī)的尊嚴(yán)（海灣戰(zhàn)爭期間，歐美戰(zhàn)機(jī)實(shí)現(xiàn)了對以蘇式戰(zhàn)機(jī)為主的伊拉克空軍一邊倒的屠殺，一時間國際上對蘇式戰(zhàn)機(jī)的性能充滿懷疑態(tài)度。當(dāng)然，關(guān)于伊拉克空軍的糟糕表現(xiàn)，既有戰(zhàn)機(jī)性能的差距，也有戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)上的滯后，更有飛行員素質(zhì)低下等原因造成的）。該發(fā)動機(jī)的主要性能：矢量角±（10°～15°）（單軸，俯仰）；矢量角速度（30°～45°）/秒。水平方向的機(jī)動所需推力來自發(fā)動機(jī)的推力差，雙發(fā)噴管可以同步偏轉(zhuǎn)，也可以差動偏轉(zhuǎn)。當(dāng)年，印度能匆匆的下訂單購買蘇-30MKI戰(zhàn)機(jī)，與這次航展上蘇-37戰(zhàn)機(jī)的表演有著莫大的關(guān)系。

這種矢量噴管是以AL-31F發(fā)動機(jī)收擴(kuò)噴管為基礎(chǔ)，在噴管與加力燃燒室中間增加一個球形轉(zhuǎn)接段，通過作動機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)俯仰偏轉(zhuǎn)。因此，也被稱為圓柱段軸線偏轉(zhuǎn)矢量噴管。該設(shè)計的運(yùn)動原理簡單，改裝工作量少，但也存在許多不足。首先是轉(zhuǎn)動段長度過長，運(yùn)行時加載負(fù)荷很大；其次，是轉(zhuǎn)接段密封要求十分嚴(yán)格，由此帶來了結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量增加的不利影響；第三，噴管的壽命特別的短，對后勤壓力特別大。不過這些缺點(diǎn)仍未能阻擋印度人對新技術(shù)的渴望。只是得利的是對訂單望眼欲穿的蘇霍伊設(shè)計局、留里卡設(shè)計局及和蘇-30MKI戰(zhàn)機(jī)相關(guān)的所有設(shè)計生產(chǎn)商。

經(jīng)過AL-31Fy驗(yàn)證過的矢量技術(shù)后來被AL-31FP采用。不同的是后者的噴管安裝和發(fā)動機(jī)縱軸面成32°夾角。如此一來，俯仰偏下，既可以獲得推力的垂直分量又能獲得側(cè)向分量。

AL-31FP矢量噴管及專用控制系統(tǒng)是比較笨重的，安裝后發(fā)動機(jī)重量增加約110千克，長度加長0.4米，這既增加了發(fā)動機(jī)的復(fù)雜程度，使用壽命也會遭受影響。據(jù)俄羅斯的公開資料顯示，AL-31FP的噴管使用壽命只有短短的250小時，未能延長到計劃的500小時。但使用方印度空軍在合同中要求俄方將該發(fā)動機(jī)的首翻修期延長到1000小時。這個性能數(shù)據(jù)就是現(xiàn)在俄方都很難達(dá)到，更別說是十余年前了。但留里卡設(shè)計局依然做出了富有成效的努力，將發(fā)動機(jī)的熱端部件進(jìn)行了多項(xiàng)技術(shù)改進(jìn)，例如改進(jìn)主燃燒室的火焰筒，使用新的焊接工藝加工燃油總管；運(yùn)用等靜壓、等溫鍛造加工成形粉末冶金盤；增加高壓渦輪盤的強(qiáng)度；采用單晶渦輪葉片及新型隔熱涂層等。（未完待續(xù)）