《铸剑》2015-10-12：华夏猛龙的斯拉夫之心：AL-31F发动机的中国故事

源济

澎湃防务　2015-10-12 20:27

据央视网消息，日前中国空军一架歼-10战机发动机突然停车，飞行员果断处置成功避开人口稠密区后安全跳伞。歼-10使用的是俄制AL-31FN发动机，它是AL-31F发动机的单发改进型号。本期《铸剑》讲述这款总引进数量达四位数的俄制发动机在中国的故事。





AL-31F是一款双转子大推力涡扇发动机，采用4-9-1-1式结构，4级风扇和9级压气机的设计虽然显得复杂，但由于降低了每级压气机的负荷，使得整体稳定性和抗喘振裕度都很出色，使得苏-27能够在飞行包线内无顾虑操作，可以完成“眼镜蛇”等高难度机动。





受尺寸重量限制，必须控制发动机总级数。但在风扇和压气机占去了13级之后，AL-31F的涡轮只能高低压各留一级，可以说“压力”都留给涡轮了。和发动机整体材料工艺较为新潮不同，受材料加工制造限制，其涡轮叶片和涡轮盘相对保守，影响性能提高。





但结合其高效的机械液压-模拟电子混合的控制系统，强调高涡轮前温度、高增压比和小涵道比的AL-31F最终呈现出性能泼辣、剩余功率充足，抗进气畸变能力强，推力响应迅速（5秒内能够从慢车加到军用推力），空中启动包线宽广（后面将提及）等特点。





在57台发动机历时12年近23000小时的试车后，AL-31F于1985年8月通过国家鉴定试验。作为“新机配新发”的产物，AL-31F的服役不仅使苏-27有着与其优秀的气动设计相匹配的机动性，更使前苏联军用航发水平和美国的差距从20年以上缩短到了10-15年。





中国于1992年随引进苏-27首次接触到了AL-31F，并在1996年引进生产线开启“11号工程”时也配套引进。但由于国内外种种原因的制约（特别是出于保护研制中的“太行”的考虑），没有像之前引进米格-17/19/21时配套引进发动机那样引进AL-31F的生产技术。





由于“太行”发展并不顺利，严重落后于歼-10的进度，很难按原计划配套装机试验。为此国家一度决定用仿制米格-23的R-29-300的涡喷-15发动机临时顶上，尽管涡喷-15推力尚可，但其体积重量和涡扇发动机差异很大，需要歼-10机体做大规格调整才能安装。





AL-31F的到来使得这个问题迎刃而解，歼-10只需稍作调整就能安装。在决定购买几台AL-31F作为歼-10首飞发动机的同时，中俄还签署了俄方发展为单发机型做特殊适配改进的AL-31FN的合同。1998-2000年，歼-10的01号和03号原型机均使用AL-31F试飞。





AL-31FN和AL-31F最主要的外观区别是将发动机机匣的位置调整到下方，以便于歼-10的使用维护需要。除了耗油量稍微增加之外，AL-31FN大部分技术指标保持不变，保证了歼-10拥有充足的机动性能，如果使用涡喷-15的话其性能将很难位列三代机之列





2001年AL-31FN开始安装在歼-10后续原型机上进行试验。从2003年至2013年，中国先后分3批引进了400台AL-31FN，后续批次在可靠性和寿命上有所提高，保障了200多架歼-10/10A/10S的稳定生产交付，平均下来每架飞机有1台用于装机另1台用作备份。

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由于空重增加和电子设备能耗（例如相控阵雷达和千瓦级电子对抗设备）的增长，歼-10B/C需要一款动力更加充沛的发动机，由于国产发动机暂还不能满足要求，俄方应中国要求用99M（AL-31FM1/2）的技术发展了AL-31FN第三批次，也被称为AL-31FN-M1。





AL-31FN-M1加力推力从125千牛增加到137千牛，军用推力也增加了5千牛。更换启动机后提高了4000米以上高原使用能力，由于使用了更加精确的数字式发动机调节系统（FADEC），其推力曲线更优秀，耗油还略有降低，使歼-10B的能量特性比歼-10A还好。





AL-31FN-M1已于2014年4月获得准予大批量产的许可证装备中国空军，与其同源的99M系列发动机也已经用于歼-20战斗机的2011-2016等5架原型机的试飞。由于也具备FADEC，因此它并不会阻碍歼-20在国产发动机到位前测试“飞-火-推一体”这类试飞项目。





由于“太行”的进度问题，歼-11B和歼-15的原型机和01批次也在使用AL-31F。由于这两种型号并不在俄方供应范围之内，它们的发动机主要靠引进苏-27/30和组装歼-11时俄方提供的备份发动机解决。那么俄方严格控制数量的备份发动机不够用又该如何解决呢？





这就要提到中国引进AL-31F的时候配套引进的全套维修资料以及发动机大修线了。大修是航空发动机五个修理等级中最高的，需要对已经到了规定翻修期（翻修一次之后下一次翻修期更短）的发动机整体分解后对组件和附件进行全面更换，实施必要的加改装措施。





因此大修线的建立意味着修理厂需要具备对发动机的大部分部件和附件的维护和生产能力，也就是官方报道中经常出现的“再制造”概念。“再制造”涵盖范围很广，这里仅就以下两个方面：定凝合金涡轮叶片的精确修复和更换大直径粉末冶金涡轮盘等稍加说明。





修复AL-31F的定向凝固合金涡轮叶片，必须保证新铸造结晶与原结晶方向吻合，否则在高温高压下工作会因强度不足而断裂。5719厂已实现了涡轮叶片报废后的回收重新利用，提高了原料利用率和成品率，大大降低了综合装备成本（叶片的价格可能贵如黄金）。





前面提到了AL-31F原始设计中因为当时技术能力不足没有应用单晶叶片、粉末涡轮盘等典型西方第三代军用涡扇发动机的技术。随着国产航发相关技术的突破，根据官方媒体的报道，5719厂已经有能力对包括涡轮盘在内的AL-31F热端部件进行改进设计制造。





在综合改进后，AL-31F的寿命也有提高。随首批苏-27引进的早期型总寿命900小时，首翻期只有300小时。而随着国内制定的新的定寿（不再是定时翻修而是以使用载荷为标准的单机寿命控制）和延寿方法实行后，首翻期延长到500小时，总寿命达1500小时。






总之通过对大修线的不断改进，目前国内已经具备生产AL-31F绝大部分部件的能力。如果有需要，完全可以生产出可靠性和寿命比AL-31F基本型更好的的发动机。例如歼-20的2001号验证机2011年首飞时使用的两台发动机就是来自空军大修线“再制造”的成果。

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AL-31F国产化和改进这一系列工作的领路人是空军装备研究院的甘晓华院士。从1992年引进AL-31F以来，他就长期为这匹“野马”能够在中国广阔的疆域自由驰骋带领团队不断开拓出新的成果。2010年12月，时任中央军委主席胡锦涛签署通令给甘晓华记一等功。





依靠强大“再制造”技术的保证，那些歼-11B和歼-15能够抽调备用的AL-31F也就不足为奇了。而在运用新技术为国内AL-31F“续命”（俄方也按照合同继续向国内歼-10/歼-11机队提供AL-31F）的同时，AL-31F的一些子系统也被用到了国内一些航发的改进设计中。





例如前文讲述的AL-31F灵活高效的液压机械-模拟电子控制系统就曾被直接移植到“太行”发动机上。但由于没有根据两台发动机性能和结构的差异对控制系统进行更多的适应性改进，这个“斯拉夫大脑”和“美国骨架的中国躯体”曾一度产生排异反应，现已解决。





另外AL-31F有战斗/训练两种状态选择，平时选择推力稍低的训练模式可节省寿命，其原理是靠降低转速从而降低涡轮热负荷。这一技术也被甘晓华“移植”到我军大量承担飞行员训练使命的歼-7B/H战机上，使发动机战斗推力增加4%、训练时寿命延长70%。





尽管我国已经对其进行不少改进，AL-31F仍然存在着“阿喀琉斯之踵”。这就是其故障率偏高的润滑部件。由于部件设计落后，它常出现滑油流量不足的问题，导致摩擦阻力加大产生高温，此时发动机会发出降转警报，如不能及时处理就会导致轴间卡死停车的结果。





苏-27系列单发负载较低，本身出现润滑问题的概率也较低，加上还有另一台发动机可以帮助保持速度和高度，因此出现降转告警后，飞行员只要及时关车等待润滑系统正常工作后再行启动即可。AL-31F为此设计了补氧系统保障下的多种启动模式保证开车成功。





另外由于升阻比出色，苏-27有更高的滑降比（滑翔距离与下降高度的比值），所以只要停车时姿态不太差，启动成功率还是很高的，有经验的飞行员还可直接单发迫降。“太行”由于启动器原理和主燃油泵调节器都和AL-31F相似，因此在启动上的操作大体相同。





正是因为这一原因，加上俄军并不装备AL-31FN系列，双发同时降转可能性又很低，所以基本不会造成坠机事故，因此长期以来俄方对这一问题（尽管我国曾多次咨询）很不上心。国内研究单位只能通过结合F100和“太行”的滑油系统的工作原理进行适应性改进。





受安装空间限制，目前的解决方案也是“螺狮壳里做道场”：增加滑油附件中增压泵齿轮的宽度，保证整体强度的同时使滑油流量增加了12%，缓解了我军苏-27/30机队AL-31F的润滑问题，但是能否满足AL-31FN系列的使用还需要进一步工程化试验结果的验证。





AL-31FN的润滑问题已经成为导致整体可靠性还不错的歼-10事故来源的罪魁祸首。中国空军和海军的数起歼-10坠毁事故中（包括本起事故在内），绝大部分都由发动机引起，而发动机的问题则又多由润滑问题引发，还好这类事故还没有导致飞行员牺牲的案例。

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增加推力的AL-31FN-M1由于没有改变基本的支承结构，更大的风扇，更高的转速只会增加转子的润滑压力。从2014年11月一架使用AL-31FN-M1的歼-10B战斗机就因在低空出现发动机降转停车而无法启动的故障而坠毁来看，俄方对这一问题的解决远称不上完美。





润滑问题只是AL-31F技术上先进与落后并存的一个缩影，这也决定了其历史地位。回想当时如果决定引进AL-31F生产线，受其冲击，技术架构更加先进但研发路途已经曲折的“太行”很可能重蹈当年涡扇-6的覆辙而下马，至少其重视程度和研发进度将远不如现在。





如果这样，中国军用航发很可能将如同之前战斗机设计领域被米格-21所牢牢束缚那样，被AL-31F长期束缚。从部队装备和战斗力形成的角度讲，由国产AL-31F保障起来的体系下限不会低，但从长远建立独立自主航发体系的角度说，无疑将制约发展的上限和动力。





从现在的阶段性结果来看，中国具备了AL-31F的全套维修乃至再制造能力；“太行”也终于进入堪用阶段，国产军用航发挺过了最艰难的时期。但当年没有引进AL-31F全套生产技术的是非功过究竟如何，自当由后人评说。本期《铸剑》就到这里，周三我们再见！

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