【行业动态】俄“产品30”发动机总设计师谈论第五代航空发动机设计

q导读：近日，据俄罗斯媒体报道，装配了俄罗斯新型航空发动机“产品30”的苏-57战机在今年12月份完成了16次飞行。上一次飞行测试在今年10月份，主要是检查了不同飞行模式下的发动机特性。为了进一步了解这款发动机的特性、发展特点和制造前景，今天让我们来听听这型发动机开发商留里卡发动机设计局总设计师叶夫根尼-马尔丘科夫（Evgeny Marchukov）的介绍。

俄罗斯空军早在2018年就投入使用了第五代苏-57战斗机，并将其投入叙利亚战场进行作战行动，并计划在2019年年底之前将这些飞机大量服役。然而，在第一阶段，进入俄罗斯空军服役的苏-57战斗机使用的是“简化的”AI-41F发动机，这类似于在第四代苏-35S战斗机上安装的动力装置。苏-57战机要到2025年左右才能迎来自己的第五代发动机，即人们所称为的“产品30”发动机。

从2000年代初期开始，俄罗斯就开始对第五代战斗机苏-57进行了初步研究，2005年，苏-57战机正式开始设计阶段，并自2010年开始一直进行飞行测试。众所周知，该新型战机能够在内部武器装备舱内运载总重达4.2吨的导弹和炸弹。此外，战斗机也配备了8个用于飞机武器的外部悬挂点。

对于发动机，苏-57将分2个阶段进行使用，在第一阶段，配备AL-41F1发动机（“产品117”）的战斗机将开始服役，今天在苏-35S战斗机上也安装了类似的发动机。在第二阶段，苏-57将接收第五代发动机，今天称为“产品30”。

代差和外形

与飞机类似，航空发动机根据其性能特点也划分为5代，然而，航空发动机在分支上又分为军用和民用，它们有完全不同的要求。

民用航空发动机应具备较高的可靠性和相对较低的燃料消耗，并且其维护不应昂贵，否则它们在经济上就不利于商业运营。而军用航空发动机则可以很大一部分牺牲上述一个或多个目标，追求实现高性能-高飞行速度或在最短时间内达到最大推力，突出战绩指标。

对于现代航空发动机，可以看作2个部分，一个是由核心机和部分尾喷管组成的内涵道，核心机包括高压压气机、燃烧室和高压涡轮。

在飞行过程中，空气被风扇吸入并略微压缩，风扇类似于早期飞机中的螺旋桨。然后一部分空气进入压气机并进一步压缩，然后进入燃烧室，在燃烧室中与燃料混合，在燃料混合物燃烧之后，进入高压涡轮并使其旋转，进而驱动压气机。从高压涡轮出来后，燃气进入低压涡轮，由低压涡轮驱动风扇旋转。最后在进入尾喷管流出，形成发动机推力的一部分。

军用航空发动机的第二部分，则是外涵道，主要由低压压气机、导向器和外涵道（在许多民用发动机中，低压压气机不是外涵道的一部分）。在飞行过程中，被风扇和低压压气机略微压缩的一部分空气（未落入内涵道）进入导向装置，并在其中降温增压，然后进入尾喷管并形成喷射气流的其余部分。

在现代民用航空发动机中，推力的主要部分（高达80%）由风扇形成的。而对于军用航空发动机，大部分则是通过发动机内涵道气流从尾喷管喷射的产生的，因此你只需要稍微增加发动机的的“响应能力”，减少其横向尺寸，就可以使得动力装置提供超音速飞行能力。

影响代差的特定参数

“不同代发动机之间的差异首先体现在其特定参数上。有几个基本参数：推力、耗油率、涵道比和推重比等。在改善所有这些特征的同时，发动机产品就会发生了代际变化。在这方面，“产品30”发动机甚至可以归类到第“5+”代，因为该发动机的创建已经考虑到了国内外在第五代引擎开发和运行方面的经验。在前苏联后期和俄罗斯时期，其实就已经研制了“产品20”发动机，当时计划将其安装在米格-1.44战斗机上。通过进一步的研制和改进，“产品30”发动机就出现了。

目前，“产品30”发动机的推重比可以达到10以上，也就是说，它可以推动其自身重量的10倍以上的飞机。开发人员还应用了许多新的设计方法和技术，“产品30”的单位油耗大约相当于双涵道AL-31F发动机（在巡航模式下为每小时670克/千克力），AL-31F发动机及其变体是世界上最经济的军用航空发动机之一，它们被安装在了苏-27、苏-30、苏-34战机以及中国的第五代战机歼-20上。

油耗显著的影响着飞机的作战能力。在相等的战斗负荷下，低燃油消耗意味着更大的作战半径或更大的战斗负荷。即便是保持作战半径和战斗负荷不变的情况下，飞机携带的燃料越少，飞机质量更轻，将显著的提升其飞行特性。

例如，在1950-1953年的朝鲜战争中，在长时间的空战中，随着燃料的消耗，美国的F-86佩剑战机和苏联的米-15战机会随着战斗的进行，越来越灵活和敏捷。

通常，燃料消耗和推力总是矛盾的，民用航空发动机采用大涵道比（外涵道流量/内涵道流量），从而使得燃油消耗最佳，但是它们的推力最小。相反的，在小涵道比军用发动机中，推力高，但是燃油消耗也高。而“产品30”中使用了新的设计和技术，可以保持燃料消耗低的情况下，推力仍有所增加。

“产品30”发动机

迄今为止，已安装在苏-57战斗机上的“4+”世代发动机AL-41F1在结构上与AL-31F和AL-41F1S类似，但有一些大的区别。特别是，新的发动机配备了等离子点火系统和矢量推力控制。等离子点火系统内置在发动机的燃料喷嘴中，等离子弧的点火与航空燃油的供应同时发生，该技术可以避免在启动过程中，由于向燃烧室喷射过量的燃料从而导致尾喷管“喷火”。

AL-41F1发动机

因此AL-41F（“产品20”），AL-41F1（“产品117”）和AL-41F1S（“产品117S”）是三种明显不同的发动机。第一种发动机当时计划安装在苏联的第五代战机米-1.44MFI原型机上，但随着苏联的解体而夭折。AL-41F1发动机使用了AL-41F和AL-31FP发动机的技术，是今天苏-57战机原型机的动力。而AL-41F1S发动机实际上只是AL-31F的“大尺寸”版本，该发动机已经被量产并安装在了苏-35S战机上。不过，AL-41F1S发动机虽然有着与AL-31F发动机相似的设计，但它仍使用了70%以上的新零件，并且显著的改善了相关特性。

第五代俄罗斯发动机还采取了全球数字电子控制系统，这样的控制系统可以建立发动机的任意调节规律，并使得发动机可以灵活的适应各种条件。这显著的提升了安装时间和系统可靠性，从使得控制系统的改进更快迅速。在较旧的发动机控制系统中，任何更改都是一项非常艰巨的任务。

一般而言，由于数字电子控制系统完全负责燃油调节，供气，点火和推进系统的其它参数控制，因此它使得飞机的控制变得更加容易，只需要飞行员给出控制指令即可。

第五代“产品 30”发动机与AL-41F1的不同之处在于提高了燃油效率并降低了全寿命周期成本，减少了维护成本，延长了大修寿命。

与第四代发动机相比，第五代发动机具有超音速巡航能力，这要求增加了另一个特定参数——超音速巡航燃油消耗率。同样，发动机的隐身性能也进一步加强，红外和无线电波中的可观性也应大大降低，这可以通过尾喷管和进气道的特殊设计来实现的。

尾喷管和叶片

正在为新发动机开发一个扁平的尾喷管，该尾喷管预计在2025年左右安装到苏-57战机上。通常，这种设备是在发动机的气流输出处安装的S形通道上加装两个可移动挡板，比如像美国F-22战机所采用的方式。

这种扁平型尾喷管和S形通道可以很好的隐藏发动机涡轮的炽热叶片，从而降低战机的红外可见性（包括红外搜索和跟踪系统）。但是，这种技术解决方案也会给发动机气流的喷射引入了额外的阻力，导致发动机性能降低大约2~3%。

目前，尚不清楚扁平型尾喷管是否会成为“产品30”发动机推进系统的一部分，目前该发动机仍在采用常规尾喷管进行测试。

2013年，俄罗斯的开发人员曾展示了一个用于高压压气机的二级压气机叶片，该叶片计划安装到苏-57战机上。它们由钛铝高温合金制成。俄罗斯媒体上还出现了可以使用相同合金制造“产品30”发动机涡轮叶片的信息，但是后来这些工作都被暂停了。马尔库科夫在此强调道，钛铝合金不适合军用航空发动机。

钛铝叶片已经在最新的民用航空发动机低压涡轮上得到了应用，因为民用航空发动机低压涡轮的温度环境相对较低，而民用航空发动机是多级涡轮，采用钛铝合金可以显著的减少质量。而在军用航空发动机中，即使是低压涡轮，其燃气的温度比民用航空发动机要高得多，钛铝合金在这些条件下无法使用。

诸如钛铝之类的金属间化合物材料甚至也不适用于军用发动机的压气机叶片，因为这种材料是易碎的，叶片凸台上的任何划痕都可能会导致其失效，而它对重量的减轻则几乎可以忽略不计。

“产品30”的开发也使用了大量的计算机建模和仿真技术，因此，整个发动机的测试仅使用了10台样机就完成了全部的发动机测试程序。而在制造AL-31发动机时，在它最终定型之前，它的测试使用了68台发动机样机。

变结构，提性能

在为苏-57战机开发“产品30”发动机的同时，留里卡发动机设计局的设计人员也已经在为第六代发动机创造技术储备。首先，研究目标就是在第五代发动机的基础上，全面提升整个推进系统的性能参数。

目前俄罗斯设计人员也在考虑为整个发动机推进系统增加第三条外涵道空气回路，因此，可以在超音速巡航模式下实现较低的单位燃料消耗。

比如在美国，航空发动机制造商GE公司就已经制造了三涵道的军用航空发动机，美军称其为自适应变循环发动机，因为它能够根据飞行任务要求调节特定的参数。

当以亚音速飞行时，第三个空气回路就会被打开，因此，来自风扇的气流将流经第二和第三外涵道，从而使得发动机运转得像一个大涵道涡扇发动机，这种模式下，整个推进系统具有较低得耗油率。

在超音速飞行期间，第三个空气回路将完全关闭，第二个空气回路也会被部分关闭，因此，发动机又运转得像一个小涵道的军用涡扇发动机。

在整个”产品30”发动机及其所有部件中，很多高技术挑战和计算困难都以不同的方式出现，比如，就空气动力学而言，发动机的压气机是一个非常复杂的设计，但是由于那里没有高温，它所用的材料在技术上相对简单。而从空气动力学的角度来看，涡轮的设计很简单，但是由于它的叶片会承受巨大的温度和机械应力，这需要使用复杂的材料，冷却系统和冗长的测试。

“只有少数几个国家可以开发用于战斗机的现代军用航空发动机，并且它们的设计思想也以类似的方式发展。” 马尔库科夫在最后总结道。

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