“侧卫”之心(下)

2016-07-14 16:27:32 航空世界 2016年4期

火心2000

AL-31F后续改进型号

在20世纪最后的10年里,俄罗斯根本无力继续研发新的军事装备,基本都是在吃苏联的老本。只对现有型号进行小打小闹的改进改型。这点在航空发动机工业上也不例外。

进入21世纪后,俄罗斯国力有所恢复,特别是在强势总统普京的带领下,利用能源经济迅速让病怏怏的北极熊再次活泼起来。受此红利,其航空发动机工业也再次活跃起来,在俄罗斯政府的主导下,对其国内数家航空发动机工业实现集团化重组,资源得到优化,形成双雄斗艳的格局。这两大巨头一个是在莫斯科机械制造企业“礼炮”的基础上成立的“礼炮航空发动机联合体”;另一个巨头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,再联合著名的留里卡设计局,成立的“留里卡-土星”航空发动机联合体。目前,该重组计划仍在推进当中。根据俄罗斯政府的远程规划,准备将所有俄罗斯的航空发动机工业按照区域、体制、优势尽数并入以上两大巨头,形成俄军用大推力涡扇发动机研制的“两强争霸”的局面,为以后俄罗斯的航空发动机工业再次崛起铺下了坚实基础。两大巨头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。不过不管这两大巨头如何腾挪转移,现下他们的发展基础都是建立在AL-31F上。

以“留里卡-土星”“礼炮”两大航空发动机制造公司为首的两大俄罗斯航空发动机集团,在经过漫长的冬眠后,迎着普京式崛起道路,逐渐苏醒过来。利用以前AL-31F发动机的基础、整合本集团资源,两大巨头各自推出了各具特色的AL-31F改进改型号。

“礼炮”联合体——AL-31F-M系列(99M系列)

“礼炮”联合体利用向中国销售AL-31F和AL-31FN发动机获得了大量资金,对本集团实现了大规模的技术改造。而“礼炮”联合体与中国航空发动机龙头老大——黎明发动机制造厂计划成立合资公司。现在的“礼炮”发展重点是项目“99M”。但整个计划并未得到俄政府的资金支持。不过这并未打消“礼炮”联合体改进AL-31F发动机的决心。随着航空技术的迅速发展,AL-31F发动机与西方同类发动机的差距日益拉大,不仅性能落后,寿命、可靠性也难以满足用户需求。越来越不能吸引客户的注意。为了继续挖掘AL-31F的潜力,“礼炮”在没有政府资金支持的情况下,依然自筹资金针对现役机型存在的诸多不足,向俄空军提出一项升级改型计划,希望能吸引客户的注意。技术开发工作由该公司和俄国内多家航空科研单位合作完成(如中央航空发动机研究院、航空材料研究所等),项目代号“99M”。

“99M”项目打算通过对AL-31F发动机的四步改进,使AL-31F逐步缩小与国际先进产品的差距,最终研制出真正的第5代航空动力系统。但目前,只有99M1/M2发动机装备了俄空军,后续的993/4型仍在研制中。

1. AL-31F-M1(99M1)计划

99M1计划是“礼炮”联合体在AL-31F发动机的基础上,小幅度优化改进的结果,主要采取了以下几个措施:

(1)更换新研制的新4级风扇——KND-924-4部件,但第一级风扇直径增加到924毫米,空气流量相应提高了6%~7%(从原来的112千克/秒提高到118千克/秒)。风扇压比和效率略有提高。

(2)改进发动机涡轮单元体,使燃烧室出口温度增加了25K。

(3)提高发动机的首翻期。首翻期从AL-31F发动机的300小时增加到750小时,并通过了试车试验,总寿命1500小时。以后,还将延长到首翻期1000小时,总寿命2000小时;减少维护工时,降低寿命期使用成本。

(4)更换新的起动机。99M选用了克里莫夫设计局研制的新的BK-100-1MH燃气涡轮起动机。新型起动机的功率增加了15%~20%,从而根本上解决了原型机起动高度较低(只有2500米)的限制,使发动机具备了3500米左右的高原起动性能。

(5)控制单元改为数字式KRD-99C。AL-31F原有的混合式机械—模拟综合调节器(KPⅡ-99ATB)虽能满足当时的需要,但和同类发动机的数字式调节器相比,毫无先进性可言,只能达到够用的阶段。而新的数字式控制装置具有运算能力强、精度高、速度快等特点。因此,能让发动机发挥出更大的潜力,增强其操作性能。同时,便于进行系统监控、自检和故障诊断,改善发动机的维护性。据俄方资料宣称,换装新型数控装置的发动机和原来相比,大约可减少75%的维护时间,裕度设计则大幅度提高了装置的可靠性。

(6)可选装轴对称矢量喷管及配套的控制装置。经过印度这种“小白鼠”的试验后,俄罗斯在轴对称矢量喷管技术方面已相当成熟。其新型矢量喷管的设计寿命将超过850小时,与出口印度的苏-30MKI发动机相比有着质的提高。虽然,新喷管会使整机重量增加,但矢量技术的应用将赋予战机更高的机动性和敏捷性,明显提升战机作战性能。

经过上述措施改进的99M1发动机的推力比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,耗油率明显下降。AL-31FM1分为两种批次:cep-42和cep-48批次。后者保持与AL-31F相当的推力水平,但使用寿命延长了30%。此外,针对“老客户”,“礼炮”联合体还提供了一整套动力升级服务,把现役旧型号发动机(达到翻修寿命)改造成AL-31F-M1结构,且具有与新型机相同的使用寿命。联合体高层称此方案不仅非常适合俄罗斯空军,而且对于该公司的主要国外用户也会有相当大的吸引力。

AL-31F-M系列用了“AL-31F发动机的第42批次”编号生产,随后进行了国家试飞试验。2002年12月国家试飞按计划结束。2006年12月时任俄罗斯联邦空军总司令的弗拉基米尔-米哈伊洛夫上将签署了AL-31F-M1发动机的国家试验鉴定证书,批准其投入使用。新发动机的正式装备编号为“AL-31F-42批次”(cep-42)。后来该发动机装备了苏-34战斗轰炸机,加入了俄空军的装备序列。

AL-31F-M系列发动机有一项技术不得不提,那就是高原起动性能。俄国土本身并没有3500米高原机场。这项技术让诸多媒体引起了诸多遐想。有些媒体认为“礼炮”联合体之所以在没有本国资金支持下能进行如此庞大的航空发动机研制计划,就是因为得到了“某些有高原军用机场的国家”的支持。甚至有人直接认为99M系列发动机是“国外订购人”投资研制的产物。这些评论在当时也许是炒作的“噱头”,但也有人认为这些说法并非完全是空穴来风。

根据我国和印度这几年的军备计划,可以发现一个很有趣的共同现象。前段时间两国都派出了空军精锐——苏-30系列战机挥师喜马拉雅山两侧的高原,并都有将在此常驻的打算。同时,我国的航空发动机生产商黎明发动机厂已经和“礼炮”联合体已经建立合资公司。种种迹象表明,也许99M系列发动机装备苏-34战机更多的是一种拉拢客户的手段。

2. AL-31F-M2(99M2)发动机

99M1的问世,“礼炮”联合体并未就此满足,仍然继续推进其改进计划99M2。99M2的改进重点。是从M1的风扇转移到航空发动机的热端部件(燃烧室和涡轮)和控制系统,并继续改善风扇性能。

(1)风扇在KND-924-2基础上,改进了叶型设计。

(2)采用全新的涡轮系列,无流气动设计的转子叶片。叶片材料为单晶高温合金,无余量精铸造涵道、复合冷却结构,表面喷涂有隔热涂层。新型涡轮的进口温度升至1740~1780K。部件寿命也有明显延长。

(3)对主燃烧室进行技术升级。改进成为短环形燃烧室,并且采用双层壁面结构设计。整体环形外层壁作为主承力结构,承受机械载荷,内层壁则承受热负荷。新型火焰筒克服了低循环疲劳蠕变、变曲面及裂纹故障,大幅度延长使用寿命;同时又改善了燃烧效率和冷却效果,减少冷却用气量,火焰筒壁温将最高下降达150℃,具有良好的出口温度分布品质;改进燃烧室的点火特性,扩大了点火包线,提高了起动/再起动的可靠性,且无需进行补氧。

(4)将发动机的控制系统更换为CAy-235C全权限数字电子控制系统。所谓全权限数字电子控制系统即发动机规定的全部工作都由数控装置来完成,而附件中的液压机械装置仅作为执行结构。CAy-235C采用了多余度设计。有两个相同且互相对立的数控通道。即一个主通道与另一个备份通道。此外,还有备用控制通道和发动机保护通道。该系统能完全负责发动机在飞行包线内、全状态工作时(精确)的控制任务,并实现超控保护,防/消喘振、故障诊断、隔离重构以及状态检测等功能。该系统与飞机系统进行数据传送,进而为飞控—火控—发控的交联打下基础。

CAy-235C的安装比较方便,适用于所有AL-31F系列(型号不同功能要求可以通过修改FADEC软件实现),使用后发动机的重量减轻了约40千克。

2006年,俄罗斯“发动机—— 2006”展会上,M2发动机参与了展览。同年底 ,M2发动机已在地面性能试车中验证了140千牛的起飞动力。其低压压气机虽然仍是4级,但增压比因叶型的改进提高到了4。

经过这些卓有成效的改进后,M2的尺寸和AL-31F并无变化,重量略有下降,起飞推力增加至140千牛。M2已基本具备了20世纪80年代西方先进大推力发动机的基本要素:短环形燃烧室、单晶叶片、全权数字电子控制系统等,但是依然保留了较落后而复杂的4级风扇设计。这些先进而落后的措施的采用,为以后的进一步升级打下了基础。

3. AL-31F-M3(99M3计划)发动机

有了前两个富有成效的改进,M3的计划推进就顺利许多,且改进是脱胎换骨的,逐步接近了第5代发动机的设计要求,是AL-31F发动机向第5代发动机跨越的关键型号。目前,“礼炮”联合体已完成了AL-31F-M3-1发动机的研制工作。据“礼炮”高层透露,首台试车的验证机的最高推力达到了144千牛,未来来M3的目标机要达到150千牛的加力推力。2007年上半年举行的能源系统和行业发展企业家协会会议上,M3试验样机以及其公司研制其他发动机向与会人员进行了展示。AL-31F-M3的参数指标接近俄第5代发动机的要求。可以作为“远景前线战斗机系统”原型机(即T-50PAK FA)试飞用动力装置。并且也能用于改装现有的“侧卫”系列战机,延长其服役期限,大幅度提高技战术性能。不过最后俄方为T-50战机选择了对手“土星”的117S发动机。但这并未让“礼炮”灰心。“礼炮”联合体仍坚持对M3用新技术进行完善工作。M3上采用了由3维气动技术全新设计的KND-924-3型三级风扇,级数从AL-31F的4级减为3级;所有级风扇均采用整体叶盘结构,提高了工艺水平,并降低了重量;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,增加了推力,大修周期进一步延长。

4. AL-31F-M4(99M4计划)发动机

“礼炮”联合体在俄罗斯第5代发动机竞争中虽先输一局,但这并没让公司上下就此沉沦,而是利用在M1、M2、M3的研发基础,继续推进第5代发动机的研发工作。目前,“礼炮”联合体只是公开了第5代发动机的设计草图。但即便如此,也可从中推测出俄下一代涡扇发动机的总体情况。新机的研发工作早在2001年就已启动,是在M3的基础上发展而来的。推力等级预估为147~157千牛,空气流量125~130千克/秒。当然,俄在研发M4时也大量参考了西方先进航空发动机经验,特别是F119、F135发动机的经验,对俄罗斯未来航空发动机发展有着独具俄罗斯风情的研发。

(1)风扇设计:风扇采用3级风扇、六级压气机和单级高低压涡轮的总体方案设计。进气口还安装了变弯度的导向叶片,三元流气动设计选型,掠形的转子叶片,小展弦比(宽弦),叶身上无阻尼凸肩,风扇转子全都为整体叶盘结构,复合材料出口导叶和中介机匣,设计成向上耦合,改善了风扇出口的流场品质,减少损失,提高部件性能与稳定裕度,使风扇的压比达到4.9,空气流量达到130千克/秒。

(2)6级高压压气机,Blisk叶盘设计,工作叶片采用宽弦叶型,设计增压比预估在6左右。

(3)高低压涡轮各一级,选用新一代的单晶高温合金铸造叶片(该合金已应用到俄新一代PS-90涡扇发动机上了),新材料、新工艺以及先进冷却、涂层技术的综合运用使涡轮进口燃气温度增加。未来计划将采用更好的冷却技术,使进口温度进一步提升到2000~2100K水平。

(4)采用径向式加力燃烧室,轴对称矢量推力喷管。

(5)采用新型主燃烧室,双层壁火焰筒。此设计是学习西方的先进技术,特别是F119发动机的燃烧室设计,采用双环腔(带单独头部)高温升主燃烧室,也不排除采用层板冷却、多斜孔技术,更好地组织燃烧,火焰筒头部设计成单独结构,每个头部安装燃油喷嘴部件。

可以说,AL-31F-M4的纸面技术指标完全可以媲美美国的F119发动机,若是俄罗斯真的能够完成该发动机设计定型,那么落后西方多年的俄罗斯航空发动机工业完全可以再次和西方站在同一起跑线上。不过,从目前公开资料可知,“礼炮”联合体除了公开这些设计图纸外,并未有进一步的实质性资料,估计是遇到难以跨越的难关了。

“留里卡-土星”联合体的117S发动机

俄罗斯的两大航空发动机企业都在AL-31F的基础上,利用新技术进行改进改型,希望能完成第5代发动机的研发。“礼炮”联合体利用曾经负责生产的身份,连续推出99M系列发动机,且在市场中有所斩获,让“礼炮”联合体信心倍增,深入进行99M计划的推进,且对第五代航空发动机虎视眈眈。虽在第一轮较量中先输一阵,但其雄厚实力仍是不容小觑。

“礼炮”联合体的强势崛起重新勾绘俄罗斯航空发动机版图,那么,其抢占的市场就是其最大对手“留里卡-土星”联合体的“地盘”。然而,视第5代航空发动机为自己“后花园”的“留里卡-土星”联合体在面对“礼炮”的挑战时也推出了自己的撒手锏——117S发动机(又称AL-41F1S),以应对对手的挑战,且在第一轮较量中先赢一局。而且其最后“王牌”——AL-41F发动机已在酝酿之中,正等待最后的“破茧成蝶”的那一刻的到来。

如果说“礼炮”联合体改进AL-31F发动机有种“鸠占鹊巢”的感觉 ,那么包含AL-31F发动机的设计者留里卡设计局的“留里卡-土星”联合体则是AL-31F发动机真正的名正义顺的血统继承者。而这个继承者自苏联时代就担负着第5代航空发动机——AL-41F发动机的研

究。苏联解体后,AL-41F计划在进行了约30%的时候就基本停止了。无奈之下,留里卡设计局只好利用AL-41F开发的新技术对AL-31F机型技术升级,开发了两者之间的过渡者——117S发动机。

117S发动机是留里卡设计局经过十余年技术积累的研究成果,特别是大量采用为AL-41F发动机开发的先进技术,在AL-31F基础上改进而来的。新机综合性能显著提高,使用寿命大幅延长。前几年,第8届莫斯科航展上,首架安装117S发动机的苏-35战机高调亮相,一时间让世人为之瞩目。其后不久,T-50战机傲啸长空,打破了F-22战机求败多年的孤独。而T-50战机的动力目前仍是117S发动机。

在“土星”联合体内部,“项目117”航空发动机研制计划是承接苏联第5代航空发动机AL-41F发动机计划的发动机研制工程。计划分为两个步骤。第一步,利用AL-41F发动机现有技术,对AL-31F机型进行改进改型,研制出117S发动机;第二步,在117S发动机的5代动力技术成熟之后,发展出真正的第5代动力“新AL-41F”发动机。

“土星”联合体在提升117S发动机性能之路上采用的方法正是国际上航空发动机工业惯用的方法——加大低压部件尺寸、增加进口空气流量。117S发动机的进口直径从原来的905毫米增加到932毫米。由此将空气流量提高了约10%,总流量超过了120千克/秒,加力推力147千牛,军用推力79千牛,推重比7.5。117S的风扇仍旧采用传统的窄弦直叶片,叶片数目较多,叶身上保留阻尼凸肩(或者是加强肋)。新型结构如整体叶盘仍未得到应用,部件重量比较大。风扇直径的加大,造成尺寸加大,重量增加,对发动机的单位性能影响不利。从这点上看,117S发动机其实与AL-31F-M2发动机类似,都是3代改进型动力,从性能上看只能是第5代动力前的过渡型号。

当然,“土星”联合体不会对自己的产品吝啬新开发的技术,全权限数字控制系统、轴对称矢量喷管等经过验证的一系列新技术一股脑都应用到117S上。受益于俄罗斯航空工业整体实力的提升,及先进材料的陆续问世,据称117S寿命将达到1000小时的首翻修时间,未来计划进一步提升到2000小时,总寿命为4000小时。苏联解体后,俄罗斯也深刻反思自己的航空工业的弊端,并不排斥西方先进的管理经验,接受并采用西方航空发动机寿命管理标准。这一点对苏俄过去那种“粗放式”发展模式有着根本性改变,并直接促进现在俄航空发动机的寿命有着质的提升。这点最直接的表现,就是对发动机的维护是学习西方那种视情维护的原则维修或更换发动机部件。“礼炮”和“土星”联合体均将这一原则应用到旗下的最新型号上。由于117S发动机被选为俄第5代战机的T-50的动力系统,俄方很重视对117S性能的保密工作,至今仍没有公布该机内部技术情况。但按常理推测,其核心机也会进行相应的改动,如,燃烧室、涡轮等重要部件的结构材料、加工工艺、气动设计都会使用俄罗斯当下掌握的最新技术。

虽然117S发动机的具体性能数据并未公布,但从装备117S的苏-35战机和T-50战机的表现看,俄政府对其还是比较满意的,并且希望把117S推向国际市场,再次为俄罗斯带来真金白银。“土星”也对117S信心满满,计划在117S基础上,用两到三年时间研制117A(即AL-41F-A),也就是AL-41F型号重新开始研制后的第一个正式型号。该计划达到 147千牛推力,然后再继续改进出真正的5代动力装置,加力推力157千牛左右。虽然还没有获得资金的支持,不过随着普京总统高调回归,以其一贯强势风格,对军队的投入绝不会少,当然对关乎国家命运的航空工业定会青睐有加。估计,“礼炮”和“土星”在不久将会得到经费,继续推进各自的第5代发动机计划。

结语

近20年来,俄罗斯完全采用符合国际上3代航空发动机的发展轨迹来发展AL-31F,即利用现有的技术成果充分发掘型号潜能。在设计中不再像苏联时代那样过分追求性能,甚至不惜牺牲耐久性、可维护性和可靠性,而是综合平衡各方面性能。在获取高性能的同时,也采取措施大力提高可靠性、耐久性和可维护性。这一类似西方的指导思想的采用,改变以前 “粗放式”的苏式发展模式,实实在在地提升了本国的航空工业实力。在国际市场竞争中也增强了自身的竞争力。例如,在原来最为人诟病的寿命管理模式方面,AL-31F发动机改型已趋向于单元体或大部件的管理方式,只规定了关键部件和单元体的寿命指标,取消了传统的翻修寿命模式(规定首翻期、翻修期和总寿命指标,定期对型号进行大拆大卸式的检修)。AL-31F改型不仅可以满足俄对现役飞机升级的动力需要,同时也为继续占领传统海外市场乃至扩大份额创造条件。(续完)