【行业动态】俄罗斯航空喷气发动机发展之路：西伯利亚上空的嘶鸣
导读：
苏联的航空喷气发动机发展始于二战后，至今已走过60余年的发展道路，在此期间，经历了冷战时期、苏联解体和航空工业结构调整等重大转折期，由鼎盛到衰落再到重新崛起。时至今曰，苏联最主要的继承者——俄罗斯的航空发动机制造水平依然位居世界前列。
到目前，俄罗斯依旧拥有庞大的航空发动机研究、发展和生产体系，能独立研制和生产品种齐全、推力（功率）级配套的军民用发动机。俄航空发动机制造业正在为第5代战斗机、新型中近程干线客机和支线飞机制造新型号发动机。这些新型号发动机集中了几乎所有俄罗斯航空发动机制造企业的全部基本设计工艺和科技产品。
入门：引进+仿制
二战以后，美苏在航空领域的霸主地位不可撼动，然而和美国一样，喷气发动机技术也不是苏联的原创。二战中，苏联缴获的大量德国战利品——尤莫004和BMW 003喷气发动机，为苏联空军撬开了通向喷气技术的大门。
苏联政府命令库兹涅佐夫设计局仿制前者，命名为RD-10；由克里莫夫设计局仿制后者，命名为RD-20。虽然这两型发动机在使用中暴露出许多缺点，很快被淘汰，但其使用经验及其它相关资料都成为苏联自行研制新型轴流式发动机的基础。
1946年，真正意义上的东西方“冷战”还未正式开始之前，英国左派首相艾德里曾经试图发展与苏联的外交关系。为此，英国同意向苏联出口40台罗罗公司“尼恩”发动机及其图纸。然而就在几年后，艾德里的这一决定让美国人在朝鲜吃尽了苦头——克里莫夫设计局按照“尼恩”发动机仿制出了离心式涡喷发动机VK-1 (起初称为RD- 45)，而在朝鲜战场大出风头的米格-15正是装配了VK-1发动机。
有趣的是，后来罗罗公司声称克里莫夫设计局在未经许可的前提下擅自生产“尼恩”发动机的行为违法，并索要2亿700万英镑的知识产权费。当然在当时的时代背景下，苏联人始终没有也不可能支付这笔费用。
就这样，在上世纪40年代末到50年代初，苏联成功过渡到喷气时代。虽然在航空喷气发动机研制方面比英国和德国晚了5 ~ 8年，但苏联人通过仿制使喷气发动机技术很快追赶上来。
冷战-辉煌时期
“设计师总是给自己留有余地，他们没有把潜力全部挖出来，应当从他们身上‘榨取’更多东西。”斯大林的这句话很好的诠释了一个政治家是如何指导设计师进行设计工作的。二战结束，冷战开始。为了在与美国的竞争中取得优势，苏联领导人能做的就是加大对设计局的压力，并把这种压力直接作用在设计师身上，使其潜力被完全“压榨”出来。加之冷战时期苏联对航空工业的高度重视，自上世纪50年代开始，苏联设计师的积极性和创造性被极大的激发出来。这直接促进了苏联喷气发动机技术的发展。苏联在这一时期出现了许多优秀型号发动机，并创造了许多世界第一。
静态展示的RD-33涡扇发动机，该发动机配备于米格-29战斗机。
单转子轴流式涡喷发动机
在朝鲜战争中，苏联见识到美国装备了J47轴流式发动机的F-86 “佩刀”良好的飞行性能。1952年，美国通用电气公司又开始研制J79单转子轴流加力式涡喷发动机，用于F-104和F-4E/F超声速战斗机。而老式的离心式发动机不能用于大推力和高速飞行的飞机——VK-1F发动机可以说是当时最好的离心式加力喷气发动机，但是配备它的米格-17只M1.03的速度，即便是飞机作俯冲时也才能达到 M114。技术的限制让离心式发动机已经达到设计极限。
在这种形势下，1950 ~ 1951年，米库林设计局开始研制苏联第一台轴流式发动机AM-5，用于雅克-25截击机。另外，AM-5也是苏联第一款完全脱离德国和英国仿制影响而自主研发的发动机。其最突出特点是结构紧凑、重量轻、推重比大。尔后，在AM-5基础上，又研制出RD-9B单转子轴流加力式涡喷发动机，用于米格-19战斗机。它采用了牺牲耗油率追求高推重比的设计思想，设计中大胆 采用了无进口导流叶片。与同一时期的西方发动机比较，推重比约高20%以上，但耗油率也较高。
另外，苏联留里卡设计局于1952年也开始研制AL-7单转子轴流式涡喷发动机。1958年装有改进的非加力型AL-7发动机的别-10水上侦察机成为当时世界上投入使用的唯一的纯喷气水上飞机，并于1961年创造了飞行速度、高度和载货量世界记录。 AL-7F是加力型，1955年研制成功，该机带超声速压气机，在此基础上，出现了加力放大型AL-7F-1、AL-7F-2等改型机，用于苏-7、苏-9和苏-11飞机上。
双转子轴流式加力涡喷发动机
发动机设计追求的主要目标之一就是降低发动机耗油率，而达到这个目标的最有效方法就是提高总增压比，让燃油在更高的压力下燃烧。不过，高增压比伴随而来的就是压气机喘振，因此防喘措施是压气机研制中最为关键的一项设计。米库林设计局在设计RD-9B时采用了中间级放气的方式解决这个问题——即在压气机中间的某一级的机匣上沿圆周开一排放气 孔。但这一方法会在放气中损失掉部分能量，并会产生漏气现象，又会使耗油率上升。此时，西方已经出现双转子发动机，其先进的设计对防喘振十分有效。为此，苏联也着手研制自己的双转子发动机。
米格-19配备的RD-9B发动机，该发动机以AM-5发动机基础上改进而来，而AM-5则是苏联第一款摆脱“抄袭”套路的发动机。
苏联版的“尼恩”发动机——VK-1，装备VK-1的米格-15成为朝鲜战场上志愿军空军的杀敌利器。
上世纪50年代中期，苏联研制出第一台双转子结构的发动机R11-300，用于米格-21飞机。针对前线超声速战斗机要求发动机推重比高、尺寸和重量要求小的特点，发动机所有机匣均为钢制薄壁构件，并大量采用了焊接工艺。其主要改型是R11F-300，是苏联在上世纪五六十年代大量使用的歼击机发动机。其非加力型R-95，目前仍在苏-25上使用。
上世纪60年代中期，图曼斯基设计局又设计出R29-300双转子涡喷发动机，用于米格-23战斗机。
王牌产品——RD-33和AL-31F
上世纪60年代末，苏联总参谋部针对美国的“FX”计划（后演变为F-15战斗机），提出了相对应的PFI (未来前线战斗机）计划。1971年，计划分化为两部分，“LPFI”（轻型未来前线战斗机）计划，另一个是“TPFI”（重型未来前线战斗机）计划。前者促生了日后的米格-29，而后者促生了苏-27。
上世纪50年代末60年代初，为了满足民航业低噪音低油耗的目的，全新的涡轮风扇发动机技术已经出现，而涡扇发动机也让世界战斗机由第3代过渡到了第4代。
克里莫夫设计局为米格-29专门研制了RD-33涡扇发动机。由于米格-29是轻型战斗机，因此RD-33发动机的最大直径受到限制，其加力推力只有81.4千牛，与美国的主要发动机相比推力低一些，但由于大量采用钛合金，发动机重量大大减轻，其推重比还是达到了7.8。整体上看，RJD-33与美国F100发动机基本处于同一水平，但可靠性、可维护性一直为外国用户所批评。尤其是印度空军的米格-29部队，因发动机事故多次导致部队停训。
为了研制苏-27战斗机，1976~1985年，留里卡设计局历经10年，研制了AL- 31F涡扇发动机，这也成为日后留里卡设计局的拳头产品。不过，AL-31F在研制中曾遇到极大的困难，比如超重。起初，发动机有4级风扇、12级高压压气机、2级高压涡轮和2级低压涡轮共20级，结果发动机重达1600千克，不得不进行大改。
改后的方案，总级数降到15级，将重量降到1520千克，但故障很多。为排除故障重量又有增加（约增加了10%）。无奈之下，留里卡设计局用高 额悬赏的办法（每减重1千克奖励5个月工资）调动设计师的积极性，最终使用钛合金部件又让发动机减轻了70千克，实现了原定的重量目标。在1976 ~1985年期间，留里卡设计局共解决了685个难题。AL- 31F设计中共获得128项专利，使用51台发动机，总运转22900小时，其中台架试车16625小时，试飞6275小时。
衰落与改革
苏联航空工业体制具有计划经济性质，科研、设计、批生产分为三个独立体系，由直属于苏联部长会议的航空工业部统一领导。这种体制便于决策机构的大政方针能畅通无阻地贯彻到各军工部门的各个层次。设计局不仅有设计能力，而且具有样机生产和实验（地面和空中）的能力。新产品设计试制定型后，由设计局交给生产厂进行批量生产。在苏联，设计局通常领导几个批生产厂，总设计师可以向批生产厂及附件生产厂下达研制和生产任务。
不过“成也萧何，败也萧何”，到了上 世纪七八十年代，这种体制逐渐暴露出问题。此时，设计局之间的竞争不仅仅局限于技术，还有让人捉摸不透的政治因素左右着项目的进程一单纯在技术上高人一筹并不总会得到航空工业部领导的赏识，项目的最终归属往往与设计局总设计师在航空工业部的政治地位挂钩。
留利卡设计局的总设计师留利卡曾在航空发动机研究院担当要职，之后创立留利卡设计局重点负责发动机的设计工作。因此，留利卡本人在苏联航空工业的崇高地位让留利卡设计局获得了更多的政府支持。而某一设计局一旦承担起某些重大项目，则可以无条件的使用其它 设计局的技术成果。这无疑大大打击着优秀设计师的积极性，如此的官僚环境对发动机产业有百害无一利。
上世纪90年代初，苏联解体。俄罗斯航空工业政企合一的体制被取消，转向市场经济性质。随着苏联解体，设计局、生产厂失去了国家的统一领导管理，成了一盘散沙。俄罗斯航空工业失去了国家在人力、物力和财力方面的充分保证，航空工业面临困境。许多军工企业为了生存，不惜以降价，甚至出卖国家利益获取订单。俄罗斯发动机研究经费受到极大影响，发展速度减缓。航空发动机行业的利润从苏联时代的27%降到7%。对比与国外航空工业发达国家的差距，为重振航空发动机工业，俄罗斯政府决定重新调整发动机产业。
1992年，俄政府成立了航空工业总局，职能是贯彻国家的意图，制定政策，协调工作，不干涉企业的经营。1994年，俄政府只确定了5家航空科研机构为国家级科研单位，即茹科夫斯基中央空气和流体动力学研究院、巴拉诺夫中央航空发动机研究院、国家航空系统科学研究院、全俄航空材料研究院和格洛莫夫飞行试验研究院。他们的科研经费的75%由国家拨 款支持，其余25%是自筹资金解决。
在普京总统当政下，俄政府先后组建了许多大型科研生产联合体或工业金融集团。首先设计局和生产工厂联合组成科研生产联合体，进而发展到由一个设计局或—个大型生产工厂为主体，联合数家工厂组成集团，集设计、试制、批生产、销售、售后服务于一体，制定共同的经营销售策略。
目前，俄罗斯已经形成了两大航空发动机企业，分别是以“土星”公司为基础，联合雷宾斯克、比尔姆和乌法三地的发动机制造厂组建的联合航空发动机制造集团（ODK）；另一个是以“礼炮”公司为基础，联合鄂姆斯克发动机制造厂，组建了“礼炮”燃气涡轮机科学生产中心。
ODK的优势在于旗下有留利卡设计局作为技术支撑，在产品的研发速度和质量上更具市场竞争性，而“礼炮”原本是发动机生产厂，并不具备产品设计研发能力。因此，即便是国家控股企业，“礼炮”在与ODK共同竞争国家项目时也常以失败告终。为了改变设计能力不足的现状，“礼炮”也新成立了发动机设计所，但是与留利卡设计局相比，其设计实力要差一些。
让一盘散沙的航空发动机科研院所、企业重新组合形成有竞争能力的大型企业是俄罗斯政府对于目前航空发动机衰败现状的改革初衷。同时，优胜劣汰的竞争机制不但增强了企业的进取心、提高了效率，同时也避免了重复建设。俄罗斯希望通过这样的整合，能在国内“培育”出一个如同美国通用电气或者英国罗罗公司那样具有国际竞争力的企业。在优秀企业的带动下，重现苏联时代的辉煌。
俄政府的意图从整合特点看，首先是设计局与制造厂合并，这样可形成从设计、制造到服务的全新模式企业，达到降低费用，增强企业竞争力的目的。从整合措施看，首先整合的是从事相近或相同研发的企业，能够避免重复研发，能够更加集中和高效的使用资源。从长远看，俄罗斯政府希望未来能够形成一个大型的国内科研生产能力最强的航空发动机控股公司，使之在国际市场具备强有力的竞争力。
复兴战略
一直以来，苏联偏重发展军用发动机，虽然也发展民用型，但没有构建起一个军民结合、良性互动的航空发动机科技工业发展模式。虽然苏联民用型发动机也研制了不少，但在设计理念与采用的标准规范上都具有浓重的军品色彩，与民航对安全性、经济性和舒适性的高标准严要求相距甚远，与世界知名发动机公司相比，竞争力非常低。
在上世纪的最后10年中，俄罗斯航空发动机工业发展处于衰退状态，民用发动机发展尤其受到严重影响。进入21世纪，俄政府先后制定了一系列发展战略和规划，加大投入力度。其计划重点针对130 ~ 170座新一代中短程干线客机研发推力68~117千牛级的大涵道比涡扇发动机，并瞄准2030~2040年前的新一代民机发动机国际市场。
目前，俄罗斯在商用大涵道比发动机方面已经有了一定的进展：
彼姆航空发动机厂负责研制PD-14双转子结构民用涡扇发动机，用于俄新一代中短程干线客机MS-21。其基础推力为137千牛，推力范围覆盖88~147千牛。核心机包括8级高压压气机和2极高压涡轮。目前，发动机已经展开了第二轮设计。PD-14发动机核心机（燃烧室和高压涡轮机）计划在2011年完成加工，首台验证机计划于2012年完成加工，取证试验将在2011 ~ 2014年进行，初步定于2015年开始批生产。（小编注：PD-14发动机目前还在飞行试验中，还未完成取证。）
“土星”公司正在研制SaM-146双转子结构民用涡扇发动机，用于俄罗斯支线飞机——SSJ-100。该发动机推力为60〜77.86千牛。该机利用了法国DEM21核心机的主要技术成果，使用了AL41F上的数控技术。2010年6月，获欧洲航空安全局（EASA）颁发的适航安全认证。发动机测试工作由俄民航安全局、喷气动力公司、中央流体动力研究院、中央航空发动机研究院共同开展。该发动机在测试中经历了飞鸟、冰雹、冰块的撞击测试，展现了较高的安全性与可靠性水平。SaM-146发动机前后进行了7100小时的测试，其中包括3500小时的飞行试验。
在军用发动机方面，为第5代战斗机配备新型发动机方案则存在一些争议，主要是“土星”公司与“礼炮”公司之间的竞争。目前配备T-50原型机上的发动机是“土星”公司研制117S发动机（AL-31F的深度改型），推重比不小于10，设计寿命达4000小时，重量比AI-31F减轻了150千克，推力达到137~147千牛。另外，发动机采用数字式自动控制系统，具有深度故障诊断功能。
而礼炮公司也不示弱，先后研发了AL-31F-M系列，包括AL-31F-IVH/M。AL-31F- M1起飞推力增大到132.4千牛，重量略微增加到1557千克。2006年12月，该发动机在俄空军取证并装备在苏-27SM飞机上。AL-31F-M2，采用新的低压涡轮盘和三维设计叶片，风扇在KND-924-4型基础上改进了叶形设计，同时改进了燃烧室，安装了克里莫夫设计局设计的KLIVT新型喷管，推力达139千牛。AL-31F-M3-1，采用了全新三维设计 的KND-924-3型风扇，推力增加到142千牛。2007年进行台架试验时，推力还曾达到150千牛。
几点思考
从苏联时期至今，俄罗斯主要靠自身的力量建立起完整的科学理论体系和完备的科学实验体系。它有自己的航空科学理论、设计思想、试验手段、生产设备、工艺路线、产品配套。而且俄罗斯的航空科技和产业一直没有停滞，技术储备非常雄厚。这些保证了俄罗斯航空发动机制造水平在国际航空业中名列前茅。
其实，纵观俄罗斯喷气发动机的研制和发展历程，可以发现，苏联发展航空发动机的模式是“型号牵引”先对飞机进行立项，然后才进行发动机的研发。这与西方发达国家的研究发展思路截然相反。那么，在漫长的半个多世纪，其研制的发动机与美国研制的不分伯仲，有些方面甚至超过了后者，成功的原因是什么呢？
主要归功于有强大的基础工业作为支撑。所谓“巧妇难为无米之炊”，材料是先决条件，有新颖的设计理念，如果没有先进的材料和工艺支撑，也难以付诸实施。先进复合材料和工艺的研制及新技术的发展是俄罗斯航空喷气发动机的快速发展的基础。苏联重视基础工业的发展，认识到材料对于航空工业的巨大影响力，大力发展特种材料业和铸造业。
著名的全俄航空材料研究院 (VIAM)，长期从事铸造、变形、超强材料、陶瓷材料、聚酯纤维复合材料等新材料和新工艺的研发。目前，VIAM主要工作致力于为新一代发动机研制复合材料（耐火、耐热、高强度)，以及可以延长飞机发动机寿命的材料和修复工艺方案。该院研制出高温合 金，用该合金生产的部件可在1200摄氏度下工作，并可将涡轮叶片的寿命提高1.5~2倍。2010年4月，该院还在俄罗斯第十一届国际航空发动机展览会上，展出了复合材料风扇叶片、陶瓷基复合材料火焰筒等先进材料研发最新成果。
发动机研究和发展工作的特点是技术难度大、耗资多、周期长，发动机对飞机的性能以及飞机研制的成败和进度有着决定性的影响，而且发动机技术具有良好的军民两用特性，对国防和国民经济有重要意义。 因此，世界上几个能独立研制先进航空发动机的国家无不将优先发展航空发动机作为 国策，将发动机技术列为国家和国防关键技 术，给予大量的投资，保证发动机相对独立 地领先发展，并严格禁止关键技术出口。从 苏联到俄罗斯，都坚持这种基本国策，历史 经验证明，这种坚决的顶层支持使俄罗斯航 空喷气发动机一直处于领先地位。
俄罗斯从新飞机计划开始启动时，飞机和发动机设计局的专家们就形成紧密的联合体，这样，在实践中就更实际的地判定，飞行员和发动机设计师所期望的全部战技指标实现的可能性。随后，对机体和发动机在设计参数及控制方案方面实现最优匹配。
另外，俄罗斯在航空喷气发动机发展方面，往往更注重风险控制，尽量使风险最小化。几乎都遵循渐改式的发展道路，对基准发动机进行“充分挖潜”使之系列化。这样既缩短研制周期，又节省了研制费用。这条途径在AL系列发动机发展中最具代表性。上世纪60年代，留里卡设计局研制了著名的AL-21系列发动机，之后又在其基础上研制AL-31F系列加力涡扇发动机，其中AL-31K用于苏-33，AL-31FP用于苏-30和苏-37，AL-35和AL-35FM用于苏-34，AL-31ML用于苏-35战斗机。
但是，俄罗斯在第5代发动机研制方面，较明显落后于西方国家。究其原因，除了之前提到的政治干预之外，从事航空发动机研发的科研人员组成过于复杂，也导致了新型发动机研制拖沓。在发动机的设计中，不仅设计局从事研制工作，还有一些工厂附属机构也参与其中。不同单位之间往往互相扯皮，效率低下。导致的一个结果就是，自上世纪80年代以后，苏 联就再没开发出任何新型号的发动机，而是不断的对旧货进行改进。
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来源：《航空知识》2010.12
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