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前言:单价为330万美元一台AL-31F系列战斗机发动机曾经是中国空军的歼10、歼11,歼15,苏27SK、苏Su30MKK等战斗机的心脏,中国的订货是如此之多,全部订货数量接近1千台,直接挽救了俄罗斯整个航空发动机制造工业,这些发动机在中国自己的涡扇10发动机还没成熟之前,足足支撑了中国空军二十年,

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一:AL-31F发动机

AL-31F发动机是是一种可靠、油效比高,容易保养和性能出众的航空发动机,由莫斯科“土星”机器制造厂在1971年开始研制的,研制AL-31F发动机的目的就是作为苏-27战斗机的主要发动机,以取得对美国F-15战斗机的优势,其原型发动机于1974年试车,1977年5月20日开始装在苏-27战斗机的T-10-1上原型机试飞,最初的性能并不符合苏-27战斗机的战术技术(寿命仅70小时),重新设计装有加力燃烧室的双路涡轮AL-31F发动机在1985年8月6日被国家试验验收,1986年起装在P-42飞机上试飞,创造了32项时间-高度纪录,

AL-31F由一个进气组件和23个可变进气导叶,具有可调定子支柱的四级低压轴流压缩机,九级高压轴向压缩机,一个加力燃烧器和一个收敛发散燃烧器轴对称超音速喷嘴组成,涵道比0.571,发动机总压比23,质量流量112 ka/sec,起飞时涡轮温度1,660K。全功率时比油耗 0.75 ka/kgp-hr,全加力时1.96 ka/kgp-hr,经济巡航时0.67 kg/kgp-hr,净重1570千克,整体长4.945米,最大直径1.28米,进口直径0.91米,推力为12.5吨。

涡轮尾部的核心流与旁通流混合,旁路管道包含一个提供涡轮冷却空气的中间冷却器:当发动机在低功率运行时,一部分冷却空气会被排出,喷管的特点是向下倾斜5°,确保推力线通过飞机的重心,具有刚性外轮廓的锥-发散型喷管,加上精心设计以最小化阻力的后机身轮廓,意味着推力损失比同类发动机要小。飞行试验表明,在马赫数1以下(非加力模式下)几乎不存在推力损失,在满加力模式下推力损失很小。发动机附件位于后部,便于维护,模块化结构和一些非常规的设计特点使发动机便于更换损坏或失效的部件,两台发动机可同时启动或连续启动。在飞行中关闭的情况下,发动机可以通过风车重新启动;起动可靠,寿命达到300小时,

AL-31F发动机的主要制造商是乌法发动机制造生产联合体,“礼炮”机器制造生产联合体原来只生产个别部件,现在分工为乌法发动机制造生产联合体专门生产AL-31F发动机的冷设备,“礼炮”机器制造生产联合体专门生产AL-31F发动机的冷设备,同时都负责AL-31F发动机的组装工作,乌法发动机制造生产联合体生产的AL-31F发动机只岀口印度,“礼炮”机器制造生产联合体生产的AL-31F发动机则岀口中国,“礼炮”机器制造生产联合体和中国的航空发动机制造企业黎明公司颇有渊源,当年黎明发动机制造厂就是苏联时期的“礼炮”机器制造生产联合体援建的,

二:AL-31F发动机在中国

在中国购买了苏-27SK战斗机之后,由于中国没有接触过大推力涡轮风扇发动机,“礼炮”机器制造生产联合体就帮助中国建立了AL-3IF发动机的大修车间,由俄方专家指导修理维护操作,在购买了苏-30战斗机之后,“礼炮”机器制造生产联合体又帮助中国建立了一条可以整机拆检和散件组装的现代化发动机大修线,为中国培养了大批技术人员,在中国拒绝继续生产过时的歼11战斗机,改为研制了自己的歼-11B战斗机后,中国在2005年12月追加定购了150台AL31F涡轮风扇发动机,总价值5亿美元,订购的数量足以生产70架左右的歼-11B战斗机,俄罗斯担心中国会大量制造价格低廉的歼-11B战斗机把俄罗斯排挤出世界战斗机出口领域,于是通知中国只能为中国的苏-27/30战斗机提供换装用的发动机,不再单独出口供AL-3IF发动机,以免中国用在国产的歼-11B战斗机和歼-15型战斗机上,

并表示没有解决中国仿制歼-11B战斗机和歼-15型战斗机的知识产权问题之前,将不会继续向沈阳飞机制造厂提供AL-3IF发动机,AL-31F涡扇发动机和西方同类航空发动机相比推重比、耗油量、翻修周期、使用寿命等方面有较大的差距,特别是翻修周期仅为300小时,使用寿命也不过900小时。而西方发动机普遍达到了1000小时以上和4000小时以上。苏-27战斗机全寿命周期内需要6到8台作为换装,为了替换歼-11战斗机上耗尽寿命的发动机,中国只好努力延长其翻修周期和使用寿命,经过多年的摸索,全面掌握高温合金涡轮叶片和粉末冶金涡轮盘的再制造、等离子焊接等技术,中国翻修后的AL-31F涡扇发动机使用寿命由900小时提高到1500小时,大幅缩短了部队的维护时间,

AL-31F系列发动机另一种变型是AL-31F低配置改型的AL-31FN,这是在1992-1994年俄罗斯“留里卡-土星”公司为中国歼-10战斗机研制,歼-10战斗机本来设计是安装美国普惠PW-1120发动机,后备是WS10A涡扇发动机,90年代美国对华实施武器禁运后,WS10A涡扇发动机也没成熟,中国才选定AL-3IF作为歼-10战斗机的标配发动机,AL-31FN在2000年研制成功,和AL--31F不同的是发动机的附件机匣被安装在下方,这是因为歼-10战斗机机背空间有限,难以容纳机匣附件,AL-31FN重量只有1547千克,比F-15C战斗机的F100-PW-232轻了300千克,长度缩短到4.897米,直径缩小到1.140米,减少了部件数量,

为了适应新发动机,歼-10战斗机加长了后机身,调整了全机中心配平,加大、加长了主翼根弦长,机翼后缘由后掠改为前掠,还加大了垂尾和增加腹鳍,,AL-31FN由“礼炮”机器制造生产联合体生产,每卖出一台“土星”公司可获得8%的提成,最初每台是250万美元,后来涨到350万美元,。2002年至2004年中国共购买54台,单价为300万美元,并于2005年又签署了购买100台的合同,解决了生产歼-10战斗机的燃眉之急,这一动向再度证明WS10A涡扇发动机依然无法全面取代AL31F。歼-10B战斗机由于配备了有源相控阵雷达、电子战系统等新设备重量直线上升,由于跟不上进度,歼-10B战斗机只好再次选择AL--31FN-M1发动机,和AL-31FN不同的是换装了4级风扇,空气流量提高到八千克/秒,涡轮温度提高50度,推力提高到13.5吨。

三:WS10A涡扇发动机

WS10A涡扇发动机从1987年开始参考美国的F-110-GE-129发动机研制,直到1997年才试制成功工程样机,由于采用了进气可变弯度导向叶片、对转涡轮、可调截面喷口、复合材料机匣等新技术和新材料,发动机控制系统也首次采用了机械/电子混合式控制系统,这也是中国第一次用电子控制系统,推力略好于俄罗斯AL-31F/FN0.5吨,AL-31F涵道比为0.57,而FWS-10是0.78,AL-31F空气流量是112千克/秒,FWS-10是125千克/秒,

不过由于当时技术薄弱,装机测试时出现叶片断裂、电子元器件可靠性欠佳,加速差、喘振、高压件温度异常等不稳定问题,由于大批量生产的粉末合金高压涡轮盘质量不稳定,只好选用成熟但性能降低的材料,01号歼-10原型机装上FWS-10发动机试飞后评价并不高,中国空军考虑歼-10战斗机如果换装FWS-10发动机,又要对歼-10战斗机进行大改进,对尽快投产不利,所以最终决定歼-10A使用AL-31FN发动机,

苏-27SK战斗机的AL-31F发动机在尺寸和重量与FWS-10发动机差不多,为了支持国产,中国决定把FWS-10涡扇发动机从歼-10战斗机移上歼-11战斗机,黎明公司根据安装要求对调整了FWS-10的附件及管路进行重新设计,歼-11战斗机也减薄了进气道的调节板,但强度无法承受进气载荷,于是将金属调节板换成复合材料,1999年,FWS-10涡扇发动机第一次装上歼-11战斗机,2001-2003年进行了大量的试飞,最终完成设计定型,这时的FWS-10涡扇发动机外形加工工艺就可以看出相当粗糙的,模块化程度相当之低,完全不可能与AL31F系列相提并的,而且生产型性能仍不稳定,故障率偏高、大修时间低于500小时,黎明公司进行多次排故和攻关也没有彻底解决问题,严重影响了歼11B战斗机的生产,以致早期歼-11B战斗机不得不仍旧使用AL-31F发动机应急,并针对FWS-10发动机存在的问题参考俄制AL-31的成熟结构投入了大量精力改进和完善可靠性和稳定性,

随着中国工业水平的显著进步,大幅度提高可靠性、稳定性、喘振余度和抗畸变能力的FWS-10发动机在2005年问世,改进过程中取以前零部件没有经过验证就进行试验,导致测试时故障频频又难找出故障原因的教训,首先进行验证,再进行整机测序,寿命测试连续运转了40天没有故障,发动机使用寿命达1700小时,性能超过了AL-31F发动机,试生产型但设计本身没有问题,但部件的生产没有达到规范,出现质量问题,使前期的歼11B战斗机起飞之后出现震颤,在第二批歼11B战斗机使用的初期出现了与飞机不兼容的状况,2010年不得不停下来对所有发动机进行了回收、大改,对不合格的部件进行了换装,问题完全解决后才在2012年开始批量生产,到2017年生产超过了400台,空军、海军开始在歼11B、歼16、歼15战斗机上使用WS10A发动机,

经过在5年数万小时的使用没有因质量问题发生过飞行安全事故,而且在空军对抗演习中表现出色,非常明显地提升了战斗机的整体性能,在使用AL-31F系列发动机的苏27战斗机机内满油无挂弹的正常推重比约为0.98,机内半油加4枚中距空空导弹、2枚近距空空导弹时推重比是1.13,双座设计的苏30MKK战斗机机内满油无挂弹的正常推重比约为0.95,机内半油加4枚中距空空导弹、2枚近距空空导弹时推重比是1.07,使用WS10A发动机的歼16战斗机垂直机动性和水平机动性都要好于苏27战斗机,拥有了比苏30MKK更好的空中机动性,最大载弹量也比苏30MKK战斗机大得多。

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但2011年中国还是采购了123台AL31FN发动机用于装备歼10B战斗机,这是原材料提供跟不上,无法满足生产线的需要。歼11B、歼16、歼15战斗机都需要WS10A发动机,因此生产任务相当紧张。不得而已,继续向俄罗斯进口AL31FN发动机,不过这是最后一次采购,之后中国再也没有签署过一个AL31F发动机的进口合同了,2016年初,采用全权限数字控制系统,提高发动机进气效率、换装新型高温叶片、改进风扇结构的WS10B发动机研制成功,推力增加到14.5吨,延长了总寿命,可靠性和可维护性也大大增加,达到了第四代涡扇发动机的水平,除了装上歼10C战斗机外,歼20也开始为换装WS10B发动机,与此同时,被外界关注的大推力、下一代WS15涡扇发动机也开始测试,要攻破的难开相当之多。但中国空军下定了决心不让航空发动机再依赖国外型号了

四:结语

通过近30年的努力,中国终于拥有了自己的大推力涡扇发动机,WS10B发动机的大量装备,对于长期受制于俄制AL-31F系列发动机的中国空军来说是一次巨大的飞跃,让困扰中国战斗机的心脏病问题得到彻底的解决,而俄罗斯因为来自中国的订单几乎降到零,发动机厂商日子很不好过,土星公司债务高达150亿卢布,资金链断裂,融资受阻,不得不解雇4000名员工,针对中国第三代作战飞机的发展,俄方大力向中国空军提出推销AL-31FN发动机的改进型,推力增加到13.5吨到AL-31F-M1,只是中国已经不感兴趣了。

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