俄罗斯第五代发动机最新动态

2009年1月。

台湾老杨



  
关于俄罗斯第五代战机的发动机，就与战机发展一样存在许多误解。五代战机的AL-41F很多人把它视为MiG1.44的AL-41F，实际上却几乎是重新设计的发动机，而Su-35BM所用的117S发动机是由AL-31F大改而来，也会用在五代机的原型上，很多人因此认为"俄罗斯五代战机居然得用改良型引擎，足见新型发动机出现问题"‧‧‧这些疑点都可以在本文的整理中找到解答。


一‧戏剧性的俄罗斯第五代航空发动机发展

俄罗斯第五代战斗机计画因俄国近年的政经问题而有着戏剧性的命运。计画最早称为MFI(图1)，于1980年代初展开，是一种与美国F-22对应的双发重型战机，其于苏联解体后经费中断，勉强试飞两次后便无以为继。在2000年左右，俄国航空界为了挽救10年后的军用航空市场，半自发的重启五代战机计画，此时其以F-35等轻型战机为竞争对手，被定位为单发中轻型战机，称为〝轻型前线攻击机LFS〞，短短两年却又改成与F-22相抗衡的双发重型战机。

战机本身戏剧性的命运也牵动着与之搭配的发动机的命运。原搭配MFI的AL-41F发动机(重约1850kg，最大推力20000kg，推重比11.1)就这么一晃十年，从最先进的引擎沦为〝中古〞货，再加上新战机对引擎尺寸与推力需求的改变，使得五代战机引擎需要大改或重造。对于已经研制出AL-41F这种五代引擎，但又不可能马上有五代引擎订单的俄罗斯引擎业界而言，只有改良型引擎能让自己生存。因此五代引擎的发展方式就是以五代引擎技术逐步改造四代引擎，然后过渡到5或5+代。

第五代战机将使用的发动机候选有二，皆是由AL-31F过渡而成：NPO-Saturn与MMPP Salyut的计画。前者是AL-31F与AL-41F的原始设计者，后者是AL-31F的两大主力生产厂之一。

NPO-Saturn于2000年MiG 1.44(MFI)试飞后便有了五代引擎优化计划，先以AL-41F之技术用于尺寸稍小之AL-31F上成为推重比10的AL-41F1系列，用于Su-35BM等4++代战机以及第五代战机PAK-FA(T-50)原型机；而后再以累积出之技术发展推重比12~12.5(2004年数据，2年后有文献指出为14 ~15)的AL-41F2，用于PAK-FA(T-50)量产型。很快的这项优化计划成为俄国引擎界的联合计划。但作为生产厂的MMPP Salyut被排除于〝研发〞计划外，只能负责日后生产，于是便找上航空引擎研究院TsIAM进行自己的AL-31F-M系列及其后续改型。




二‧NPO-Saturn的117S与AL-41F2

1.AL-41F1-S(117S)

又称作〝第一阶段AL-41F〞的AL-41F1-S(图2)，设计局代号〝产品117S〞(изделие-117С，izdeliye-117S)系以AL-31F为基础，应用AL-41F的材料、气动力、热力学、设计等成果，与AL-41F有高度共通性，被称为〝AL-31F尺寸的AL-41F〞。按总设计师的说法，该引擎除引入AL-41F的成果外，还应用部分近年最新的技术。

2005年底完成第一阶段试验的117S引擎换装口径932mm之4级风扇，压比由3.5增为3.9，吸气量由112kg/s增至122.5kg/s。采用新冷却技术的高压涡轮，涡轮前温度约1740K，而燃烧室、低压涡轮、数位控制系统亦换新，换装可三维转向的向量喷嘴(图3)，将发动机控制完全整合进飞控系统，简言之仅剩高压压缩机沿用AL-31F者(9级)，已可谓新型引擎。用于Su-35BM的外销型军用推力8800kg，最大推力14000kg，特殊模式推力14500kg，但仍保有很大的余裕。第一次大修周期1500小时(同等于AL-31F后其型之最大寿命)，之后则为1000小时，最大寿命4000小时，向量喷嘴寿命与发动机相当。耗油率与基本型相当(经济巡航耗油率0.67kg/kgf*hr)。后续增推改良正在进行中。下一阶段将提升推力至15000kg。


a.简史─由AL-41F1-A到AL-41F1-S

AL-41F优化计划在五代机方案竞争之初，未有正式合约便开始进行，当时计画于2002年5月中组装出第一阶段改型AL-41F1-A，换装增大进气量之风扇及新的数位控制系统，而使推力增至14500kg。至2003年9月，AL-41F1-A已完成地面试验，并着手装设于编号710的Su-35原型机上待飞，2004年3月5日该Su-35左侧换装AL-41F1- A首飞，此试验最大高度达10000m，滞空55分钟。至2005年底完成25次飞行试验，其中5次为双发试验，在双发试验中曾达飞机之最大马赫数，至此第一阶段飞试结束，进厂改良，预计再以3年650次试验完成之。

需注意的是，约自2005年起，这款引擎已改称〝117S〞而不是AL-41F1-A(图4)，由该年底总设计师Chepkin在〝红星报〞提及之〝117S〞的改进项目可知〝117S〞已换装风扇、涡轮、控制系统等，不只是仅换风扇与控制系统之AL-41F-1A。他同时提到〝已完成第一阶段飞试的117S引擎之推重比已将近10〞，并指出〝2005年莫斯科航展展出之117S在正常使用模式下能确保14500kg之推力，但这仍不是极限，发动机仍保有很大的余裕〞。与1996年用于Su-37(图5)上的AL-37FU相比，117S仅吸气量与涡轮前温度便有所提高，军用推力多出300kg，但最大推力相同，可见其可能是〝以过度设计，降低使用条件〞来提升寿命。其实在AL-41F1计划初期，曾流传出多种改良方案，内容皆不同，但目标都是14500kg推力版本，这个推力级数是与Sukhoi公司商讨后订定的。

2006年2月NPO-Saturn内部期刊对留里卡设计局副总设计师E.Marchukov专访指出，〝其最主要特性是保证飞机的超音速巡航性能〞，并强调〝对于俄军自用飞机，引擎推力会更大〞。至2008年中完成第一阶段飞行试验为止，初步验证能以最大军用推力维持超音速飞行，但详细包洛线仍待后续验证。

至2005年底117S已按计画完成5具原型，其中117S-01用于特殊试验，验证能否供试飞使用；117S-02用于气动力稳定性与持久性验证；117-03用于早期飞行试验(T-10M-10上)；117S-04及05在经过必要测试后，于2007年春装设于Su-35BM901号机上(图6)。至2008年初，还在准备另外8具完整版117S引擎：2具用于寿限试验；1具供引擎研究院(TsIAM)进行热力学试验；3具用于即将于年中投入试飞的第2架Su-35BM原型机；1具用于特殊试验；1具用于国家级试验。此款引擎将由UMPO发动机工厂生产。


b.后续改良与推力极限

笔者于2003年由俄媒〝AirFleet〞访得，AL-31F在推力14500kg的改型之后还将依序提升至15000kg，以及15500~16000kg。同年于莫斯科航展期间自MMPP Salyut参展人员间接证实NPO-Saturn有16吨级AL-31F之计画。另外2004年4月14日俄罗斯航空新闻网便指出，这种〝AL-31F尺寸的AL-41F〞推力在14~16吨。而在旧版NPO-Saturn官网亦可见到一种推力15000~16000kg之改良方案，虽然该方案内容与目前117S改良项目之顺序看起来差异颇大，不过从中可窥得AL-31F最终改型的研制目标。

笔者于2007年莫斯科航展访问参与其研制的人员得知，117S的下一阶段是将推力提升至15000kg。 AL-41F1的最初计划便是以3个阶段将AL-31F过渡到5代水平，由此可外推得，第三阶段可能就是上述15500~16000kg推力之版本。 117S的风扇吸气量与压比的乘积以及涡轮前温度与MMPP Salyut开发中的AL-31F-M3相似(压比4.2，口径924mm，吸气量大于或等于119kg/s，涡轮前温度较基本型约提高100K)，后者最大推力达15300kg。由此可推知现有117S的性
能极限可能就已在15吨级，第二阶段可能不是大改。


2.NPO-Saturn的〝5+〞代引擎

AL-41F2的发展方面，将为AL-41F引入近年新技术以超越欧美对手，被称为5+代引擎。据2004年俄航空新闻网，AL-41F2将引入更多新的材料技术，包括新的单晶铸造技术、更多陶瓷与陶瓷合金之应用等，并采用具有新型高负载叶片的涡轮及压缩机、变循环(可能是指变旁通比)技术等，推重比由11提升至12~12.5，而2006年3月号汉和评论则表示推重比将提升至14~15。


a.几乎是研制新的引擎

依据总设计师Chepkin的说法，这款5+代引擎基本上算是重新研制。一方面是AL-41F已完成十余年，技术已非最先进，另一方面主因在于五代战机PAK-FA的吨位与当年MFI差异颇大，对发动机的尺寸与推进能力有新的需求。 Chepkin并表示，为了发展出日后有竞争力的引擎，不只基于现有技术，还在为之预研一些8~10年后才会实用的技术。

这款5+代发动机由俄国各大引擎公司合作开发，各献所长，并由NPO-Saturn主导。目前网罗了11个机构，其中4个机构分别负责几个主要部件的研发：克里莫夫设计局(Klimov)主导引擎附件箱(gear box)与向量喷嘴的研制；NPP Motor负责低压压缩机与后燃器；〝航空引擎〞(Aviadvigatel)负责燃烧室等；NPO-Saturn本身则负责高压压缩机、控制系统、喷嘴匿踪处理等(图7)。

b.技术特性

旧版官网上曾公布一些该公司已攻克之发动机技术，这些技术符合欧美发展推重比15以上引擎之指标，包括：提升引擎机械及热力学性能之新型合金及复合材料；用新材料制造之燃烧室及涡轮使涡轮前温度提升至2000~2200K(AL-41F是1800~1900K)，官网另一幅五代引擎示意图亦出现涡轮前温度1950~2100K之数据；将总压比提升至35~40之新型压缩机。尤MAKS2007可知，航空引擎研究院(TsIAM)开发中的技术也可达上述指标，故其数据可供参考：压缩机大致是3级低压与6级高压压缩机，压比各>4(图8 )及>9；以及预计用于5+或6代引擎的陶瓷制高压涡轮(图9)，操作温度>2100K。 Chepkin还指出，目前服役中的引擎的第一次大修周期已达到1000小时，但研制中的实验品已可达2000小时及4000小时。他指出五代发动机原型的第一次大修周期约300小时，定型后达2000小时。在长远方面，将让发动机大修周期与战机齐平，约4000小时。

以上主要是NPO-Saturn的技术，2007年7月11~17日的〝军工通信〞周报一篇参与五代引擎计画各厂商主管之专访透漏了其他参与单位将秀出的绝活：〝全俄轻合金研究院〞与航空材料研究院(VIAM)将提供许多关键的结构材料，至该报导刊出时已能提供满足五代引擎需求的转盘、转轴等结构材料，并于2007~2008年认证一系列新材料；曾为RD-33、AL-31、AL-41设计风扇的NPP Motor可能以复合材料制造风扇，其复材制风扇导向叶片已进行飞试；OAO Soyuz将提供能在小空间内便能发挥高燃烧效率的燃烧室，〝能显著减少燃烧室长度〞。

三‧MMPP Salyut的AL-31F-M系列与5+代引擎

2000年6月23日，NPO-Saturn接受研制供五代战机及改型Su-27系列使用之发动机〝产品117S〞(izdeliye-117S)计画。 MMPP Salyut以其仅为引擎生产厂的身分而不能参与研发计画。然事实上MMPP Salyut早已具备引擎研改能力并于1999年成立自己的〝前瞻计画设计局〞(FPDB)。因此MMPP Salyut于2000年夏与航空引擎研究院(TsIAM)合作进行自己的AL-31F改良计划─AL-31F-M，以及后续的五代引擎计画。其改良进度甚至较NPO-Saturn的方案更早。当时计画在2005年前分三阶段将AL-31F进化到AL-31F-M3。或许正是由于AL-31F-M系列的改良进度较快，且其与基本型之安装条件相同，因此虽然计画之初不被Su-35BM、PAK-FA计画采用，然其一推出便被军方看好，被选为Su-27SM之动力来源，甚至用于Su-33系列的计画也在洽谈中。目前俄方则更改计画，让MMPP Salyut的自有产品加入PAK-FA候选引擎之列。 MMPP Salyut更于2007年初跳脱〝工厂〞身份，而改组为〝持股公司〞(Holding Company)。



AL-31F-M1(izdeliye-99M1) (图10)换装KND-924-4风扇(4级，口径924mm，压比3.68)及KRD-99Ts数位控制系统。可选用最大出力模式或增寿模式。前者之最大推力达13500kg，军用推力达8250kg，涡轮前温度1690K(较基本型提升25K)，吸气量119kg/s(基本型113kg/s)，最大推力耗油率与基本型同为1.96kg /kgf*hr，最大军用推力耗油率则略降至0.77kg/kgf*hr(基本型为0.78)。采第二种模式时，吸气量为114kg/s，涡轮前温度降为1630K(小于基本款)，最大推力耗油率略增至1.97kg/kgf*hr，军用推力耗油率0.77kg /kgf*hr，而最大推力与军用推力则维持在基本型的7670与12500kg。引擎重1520kg，但加上附件等则为2100kg。采增寿模式后大修周期与寿限分别增至1000hr与4000hr。此型发动机于2002年1月25日装上Su-27的37-11号机(595号机)并于年底首飞。至2006年初在该机上完成27次飞行试验(含向量推力喷嘴之试验)。 2006年10月10日通过国家级试验。 2007年2月28日开始量产，并于4月交付俄军。

首批24架改良的Su-27SM(图11)已透过升级方式将引擎提升至AL-31F-M1。2005年底俄海军考虑为Su-33系列战机换装AL-31F-M1；而日后供中共Su-27SK、J-11、Su-30MKK使用之引擎也将是AL-31F-M1；此外，2005年MMPP Salyut以AL-31F-M1之技术造出齿轮箱在下的AL-31FN原型，称为AL-31FN-M1(izdeliye-39M1)，供中共J-10战机使用，该引擎并配有向量推力喷嘴。

原定2004年试验的AL-31F-M2(izdeliye-99M2)于2006年初才着手试验。其又被称为AL-31F-SM(izdeliye-99SM)，末尾的〝SM〞表示用于Su-27SM战机。这款引擎主要的改进项目是更换涡轮(涡轮前温度将提升100K)，并改良KND-924-4风扇之叶片，2006年秋测得推力达14200kg。
AL-31F-M3(izdeliye-99M3)之试验于2006年12月开始。改用3级宽叶片风扇KND-924-3(图12,13)，其由中央航空引擎研究院(TsIAM)协助研制，一体成形且无扇叶间边缘隔板，压比增至4.2，已属6代风扇；改良涡轮叶片；并改良燃烧室。最大推力测达15300kg。

除AL-31F-M系列外，MMPP Salyut也独立进行〝5+〞代引擎的研制。在MMPP Salyut与中央航空引擎研究院(TsIAM)的合作项目中，还包括一种压比达9.3的6级高压压缩机，与KND-924-3风扇搭配，总压比将接近40，此外双方并在合作操作温度在2000~2100K的高压涡轮，这些特性均达五代引擎指标。

四‧向量推力技术

向量推力控制能力(TVC)已成为俄系4++代战机的标准配备，而且其使用目的除单纯的提升飞行效率外，还提供飞机失速后机动能力。俄国向量推力技术可分为〝留里卡式〞与〝克里莫夫式〞两大宗。
由留里卡设计局研制的向量喷嘴是俄国最早实用化的，其研制早于1986年便展开，当时一方面应西蒙诺夫(Simonov)之要求为Su-27M计画研制，二方面也为五代引擎AL-41F做技术储备。最早的实验喷嘴早于1989年便进行飞行试验，之后便开始研制制式化向量喷嘴，即后来用于AL-37FU及AL-31FP(图14)的AL-100喷嘴，仅增重70kg。 1996年时用于Su-37的已属实用型喷嘴之原型，相较之下，约略同期的美国F-15SMTD与F/A-18的向量推力实验机所用者仅喷嘴机构就重逾1000kg，也因此仍需额外配重，距实用尚远。唯苏联解体无力添购Su-37，使得这种向量推力技术延后至2000年才随Su-30MKI(图15)近入印度空军服役，因此被F-22所用的F-119挤下，成为全球第二种服役的向量推力技术。

留里卡式喷嘴简言之就是〝整体连动〞，即一口气让整个喷嘴活动。在AL-31FP上，其喷嘴运动幅度为上下15度，移动速度约30度/秒。早期AL-41F引擎之喷嘴开始具备三维活动能力，但左右被限制在+-8度，至117S引擎才具有各方向一样的自由度。这类向量喷嘴的最大特色是构造简单，这便是其能如此快实用化的关键。但与欧美研制中，预计2010年前后实用化的向量喷嘴则有部份参数相对逊色。
克里莫夫设计局研制的向量喷嘴则与欧美研制中的类似，系藉由调整每个或部分喷嘴叶片来改变推力方向，因此其活动时每个喷嘴叶片之间有相对差动(图16)，看起来不像留里卡式喷嘴那般生硬，而是有种〝软绵绵〞的感觉。这种喷嘴最初是为MiG-29所用的RD-33(图17)系列引擎研制，后来MMPP Salyut将之引进用于AL-31FN与AL-31F-M系列引擎。克里莫夫喷嘴活动幅度较大且运动速度更快。用于AL-31F-M1的喷嘴在各方向的活动幅度为16度，MiG-29M OVT所用者则达20度，后者已与西方研制中的喷嘴相当；而AL-31F-M1所用之喷嘴活动速度达45度/秒，甚至超过西方研制中的喷嘴(约40度/秒)。克里莫夫式喷嘴较具前瞻性，已成为5+代引擎的向量喷嘴的研制者。该公司总经理指出，这种用于新款RD-33的向量喷嘴已经属于第五代喷嘴。

五‧总结

由已公布的技术数据看，不论是NPO-Saturn还是MMPP Salyut的5+代引擎，皆大致具备推重比14~15的发动机之标准，因此俄5+代引擎之推重比很可能为汉和所报之14~15而不只是早期报导的12~12.5。也可整理出，5+代引擎具备如下技术特性：〈1〉3-6-1-1(风扇-压缩机-高压-低压涡轮，数字为级数)布局；〈2〉总压比接近40；〈3〉涡轮前温度1900~2000K，甚至达2100~2200K；〈4〉尺寸重量可能在AL-31F上下，可能在1400~1600kg，推重比应在14~15，则推力范围在19600kg ~24000kg。若保守取推重比12~12.5计算，推力在16800~20000kg。

目前竞争双方除在技术上竞争外，也在媒体上进行〝文宣战〞。参与NPO-Saturn计画的众厂家认为，五代引擎已非单打独斗能完成，即使美国的F-135也已是集体计划，而该团队成员多有自己的科技中心，相较之下MMPP Salyut只能靠TsIAM协助，因此难以研制出真正的五代引擎；MMPP Salyut则认为自身拥有AL-31F各系列生产与优化经验，并指出自家的AL-31F-M1已通过国家级试验，而对手却已多年未有通过国家级计画的产品。 MMPP Salyut虽然备受同业责难，但在几年间其计画稳定发展，并于2007年跳脱工厂身份而成为持股公司，某些程度上摆脱了〝工厂不如设计局〞的形象。俄军方之态度也于2007年大为改变，取消了AL-41F2的内定五代引擎身份，而令双方竞争。

至此更显出五代引擎命运的戏剧性：尽管目前的五代机对引擎有新的需求，但以俄国当时的状况而言，已经属于五代引擎的AL-41F无庸置疑的是最佳选择，这就让〝以AL-31F为基础过渡到五代〞的路线成为可能(因为大小类似)。而MMPP Salyut正好是AL-31F的生产厂，该系列正是当时内外销炸子鸡Su-27系列的心脏，销售AL-31F并研制改良型刚好能维持生存并推动后续改良，就这样其最终仍成为五代引擎的竞标者之一。

相当值得注意的是，MMPP Salyut的AL-31F-M系列乃至后续型号很可能成为日后中共新世代战机的引擎候选。中共新世代战机应是双发重战机，采用WS-10这一级别之引擎，而WS-10系列后续型号推力预计可达15000kg级，但其推力12~13吨级的改型WS-10A才定型不久，且仍需后续测试方能服役，推力15吨级的改型能否搭上2010~2015年的列车实在是大有疑问。而AL-31F-M3推力达15.3吨，且来自相当成熟的引擎，就性能与发展时程看要赶上用于中共新战机并无大碍，再说MMPP Salyut还有自己的5+代引擎计画，以中共起步中的引擎科技短期内应难以跟上。以技术等级论，MMPP Salyut的自有改型理论上无法与算是国家计画的AL-41F并论，再加上中共Su-27系列以及J-10的引擎长期以来都来自MMPP Salyut，因此届时中共在取得这种推力15吨级之引擎方面遇到的阻碍应不会太大。因此MMPP Salyut的独立计画应该已有〝潜在客户〞。此外，吾人亦可推估，在日后Su-35BM以及PAK-FA的销售上，将可能如同美制F-15与F-16般，有不同公司的同级引擎可供选用，同时引擎公司较不至于因引擎所搭配的战机销售不佳而影响本身生计，这在维持引擎产业的稳定以及保持良性竞争上有正面作用。2009年1月。

台湾老杨



  
关于俄罗斯第五代战机的发动机，就与战机发展一样存在许多误解。五代战机的AL-41F很多人把它视为MiG1.44的AL-41F，实际上却几乎是重新设计的发动机，而Su-35BM所用的117S发动机是由AL-31F大改而来，也会用在五代机的原型上，很多人因此认为"俄罗斯五代战机居然得用改良型引擎，足见新型发动机出现问题"‧‧‧这些疑点都可以在本文的整理中找到解答。


一‧戏剧性的俄罗斯第五代航空发动机发展

俄罗斯第五代战斗机计画因俄国近年的政经问题而有着戏剧性的命运。计画最早称为MFI(图1)，于1980年代初展开，是一种与美国F-22对应的双发重型战机，其于苏联解体后经费中断，勉强试飞两次后便无以为继。在2000年左右，俄国航空界为了挽救10年后的军用航空市场，半自发的重启五代战机计画，此时其以F-35等轻型战机为竞争对手，被定位为单发中轻型战机，称为〝轻型前线攻击机LFS〞，短短两年却又改成与F-22相抗衡的双发重型战机。

战机本身戏剧性的命运也牵动着与之搭配的发动机的命运。原搭配MFI的AL-41F发动机(重约1850kg，最大推力20000kg，推重比11.1)就这么一晃十年，从最先进的引擎沦为〝中古〞货，再加上新战机对引擎尺寸与推力需求的改变，使得五代战机引擎需要大改或重造。对于已经研制出AL-41F这种五代引擎，但又不可能马上有五代引擎订单的俄罗斯引擎业界而言，只有改良型引擎能让自己生存。因此五代引擎的发展方式就是以五代引擎技术逐步改造四代引擎，然后过渡到5或5+代。

第五代战机将使用的发动机候选有二，皆是由AL-31F过渡而成：NPO-Saturn与MMPP Salyut的计画。前者是AL-31F与AL-41F的原始设计者，后者是AL-31F的两大主力生产厂之一。

NPO-Saturn于2000年MiG 1.44(MFI)试飞后便有了五代引擎优化计划，先以AL-41F之技术用于尺寸稍小之AL-31F上成为推重比10的AL-41F1系列，用于Su-35BM等4++代战机以及第五代战机PAK-FA(T-50)原型机；而后再以累积出之技术发展推重比12~12.5(2004年数据，2年后有文献指出为14 ~15)的AL-41F2，用于PAK-FA(T-50)量产型。很快的这项优化计划成为俄国引擎界的联合计划。但作为生产厂的MMPP Salyut被排除于〝研发〞计划外，只能负责日后生产，于是便找上航空引擎研究院TsIAM进行自己的AL-31F-M系列及其后续改型。




二‧NPO-Saturn的117S与AL-41F2

1.AL-41F1-S(117S)

又称作〝第一阶段AL-41F〞的AL-41F1-S(图2)，设计局代号〝产品117S〞(изделие-117С，izdeliye-117S)系以AL-31F为基础，应用AL-41F的材料、气动力、热力学、设计等成果，与AL-41F有高度共通性，被称为〝AL-31F尺寸的AL-41F〞。按总设计师的说法，该引擎除引入AL-41F的成果外，还应用部分近年最新的技术。

2005年底完成第一阶段试验的117S引擎换装口径932mm之4级风扇，压比由3.5增为3.9，吸气量由112kg/s增至122.5kg/s。采用新冷却技术的高压涡轮，涡轮前温度约1740K，而燃烧室、低压涡轮、数位控制系统亦换新，换装可三维转向的向量喷嘴(图3)，将发动机控制完全整合进飞控系统，简言之仅剩高压压缩机沿用AL-31F者(9级)，已可谓新型引擎。用于Su-35BM的外销型军用推力8800kg，最大推力14000kg，特殊模式推力14500kg，但仍保有很大的余裕。第一次大修周期1500小时(同等于AL-31F后其型之最大寿命)，之后则为1000小时，最大寿命4000小时，向量喷嘴寿命与发动机相当。耗油率与基本型相当(经济巡航耗油率0.67kg/kgf*hr)。后续增推改良正在进行中。下一阶段将提升推力至15000kg。


a.简史─由AL-41F1-A到AL-41F1-S

AL-41F优化计划在五代机方案竞争之初，未有正式合约便开始进行，当时计画于2002年5月中组装出第一阶段改型AL-41F1-A，换装增大进气量之风扇及新的数位控制系统，而使推力增至14500kg。至2003年9月，AL-41F1-A已完成地面试验，并着手装设于编号710的Su-35原型机上待飞，2004年3月5日该Su-35左侧换装AL-41F1- A首飞，此试验最大高度达10000m，滞空55分钟。至2005年底完成25次飞行试验，其中5次为双发试验，在双发试验中曾达飞机之最大马赫数，至此第一阶段飞试结束，进厂改良，预计再以3年650次试验完成之。

需注意的是，约自2005年起，这款引擎已改称〝117S〞而不是AL-41F1-A(图4)，由该年底总设计师Chepkin在〝红星报〞提及之〝117S〞的改进项目可知〝117S〞已换装风扇、涡轮、控制系统等，不只是仅换风扇与控制系统之AL-41F-1A。他同时提到〝已完成第一阶段飞试的117S引擎之推重比已将近10〞，并指出〝2005年莫斯科航展展出之117S在正常使用模式下能确保14500kg之推力，但这仍不是极限，发动机仍保有很大的余裕〞。与1996年用于Su-37(图5)上的AL-37FU相比，117S仅吸气量与涡轮前温度便有所提高，军用推力多出300kg，但最大推力相同，可见其可能是〝以过度设计，降低使用条件〞来提升寿命。其实在AL-41F1计划初期，曾流传出多种改良方案，内容皆不同，但目标都是14500kg推力版本，这个推力级数是与Sukhoi公司商讨后订定的。

2006年2月NPO-Saturn内部期刊对留里卡设计局副总设计师E.Marchukov专访指出，〝其最主要特性是保证飞机的超音速巡航性能〞，并强调〝对于俄军自用飞机，引擎推力会更大〞。至2008年中完成第一阶段飞行试验为止，初步验证能以最大军用推力维持超音速飞行，但详细包洛线仍待后续验证。

至2005年底117S已按计画完成5具原型，其中117S-01用于特殊试验，验证能否供试飞使用；117S-02用于气动力稳定性与持久性验证；117-03用于早期飞行试验(T-10M-10上)；117S-04及05在经过必要测试后，于2007年春装设于Su-35BM901号机上(图6)。至2008年初，还在准备另外8具完整版117S引擎：2具用于寿限试验；1具供引擎研究院(TsIAM)进行热力学试验；3具用于即将于年中投入试飞的第2架Su-35BM原型机；1具用于特殊试验；1具用于国家级试验。此款引擎将由UMPO发动机工厂生产。


b.后续改良与推力极限

笔者于2003年由俄媒〝AirFleet〞访得，AL-31F在推力14500kg的改型之后还将依序提升至15000kg，以及15500~16000kg。同年于莫斯科航展期间自MMPP Salyut参展人员间接证实NPO-Saturn有16吨级AL-31F之计画。另外2004年4月14日俄罗斯航空新闻网便指出，这种〝AL-31F尺寸的AL-41F〞推力在14~16吨。而在旧版NPO-Saturn官网亦可见到一种推力15000~16000kg之改良方案，虽然该方案内容与目前117S改良项目之顺序看起来差异颇大，不过从中可窥得AL-31F最终改型的研制目标。

笔者于2007年莫斯科航展访问参与其研制的人员得知，117S的下一阶段是将推力提升至15000kg。 AL-41F1的最初计划便是以3个阶段将AL-31F过渡到5代水平，由此可外推得，第三阶段可能就是上述15500~16000kg推力之版本。 117S的风扇吸气量与压比的乘积以及涡轮前温度与MMPP Salyut开发中的AL-31F-M3相似(压比4.2，口径924mm，吸气量大于或等于119kg/s，涡轮前温度较基本型约提高100K)，后者最大推力达15300kg。由此可推知现有117S的性
能极限可能就已在15吨级，第二阶段可能不是大改。


2.NPO-Saturn的〝5+〞代引擎

AL-41F2的发展方面，将为AL-41F引入近年新技术以超越欧美对手，被称为5+代引擎。据2004年俄航空新闻网，AL-41F2将引入更多新的材料技术，包括新的单晶铸造技术、更多陶瓷与陶瓷合金之应用等，并采用具有新型高负载叶片的涡轮及压缩机、变循环(可能是指变旁通比)技术等，推重比由11提升至12~12.5，而2006年3月号汉和评论则表示推重比将提升至14~15。


a.几乎是研制新的引擎

依据总设计师Chepkin的说法，这款5+代引擎基本上算是重新研制。一方面是AL-41F已完成十余年，技术已非最先进，另一方面主因在于五代战机PAK-FA的吨位与当年MFI差异颇大，对发动机的尺寸与推进能力有新的需求。 Chepkin并表示，为了发展出日后有竞争力的引擎，不只基于现有技术，还在为之预研一些8~10年后才会实用的技术。

这款5+代发动机由俄国各大引擎公司合作开发，各献所长，并由NPO-Saturn主导。目前网罗了11个机构，其中4个机构分别负责几个主要部件的研发：克里莫夫设计局(Klimov)主导引擎附件箱(gear box)与向量喷嘴的研制；NPP Motor负责低压压缩机与后燃器；〝航空引擎〞(Aviadvigatel)负责燃烧室等；NPO-Saturn本身则负责高压压缩机、控制系统、喷嘴匿踪处理等(图7)。

b.技术特性

旧版官网上曾公布一些该公司已攻克之发动机技术，这些技术符合欧美发展推重比15以上引擎之指标，包括：提升引擎机械及热力学性能之新型合金及复合材料；用新材料制造之燃烧室及涡轮使涡轮前温度提升至2000~2200K(AL-41F是1800~1900K)，官网另一幅五代引擎示意图亦出现涡轮前温度1950~2100K之数据；将总压比提升至35~40之新型压缩机。尤MAKS2007可知，航空引擎研究院(TsIAM)开发中的技术也可达上述指标，故其数据可供参考：压缩机大致是3级低压与6级高压压缩机，压比各>4(图8 )及>9；以及预计用于5+或6代引擎的陶瓷制高压涡轮(图9)，操作温度>2100K。 Chepkin还指出，目前服役中的引擎的第一次大修周期已达到1000小时，但研制中的实验品已可达2000小时及4000小时。他指出五代发动机原型的第一次大修周期约300小时，定型后达2000小时。在长远方面，将让发动机大修周期与战机齐平，约4000小时。

以上主要是NPO-Saturn的技术，2007年7月11~17日的〝军工通信〞周报一篇参与五代引擎计画各厂商主管之专访透漏了其他参与单位将秀出的绝活：〝全俄轻合金研究院〞与航空材料研究院(VIAM)将提供许多关键的结构材料，至该报导刊出时已能提供满足五代引擎需求的转盘、转轴等结构材料，并于2007~2008年认证一系列新材料；曾为RD-33、AL-31、AL-41设计风扇的NPP Motor可能以复合材料制造风扇，其复材制风扇导向叶片已进行飞试；OAO Soyuz将提供能在小空间内便能发挥高燃烧效率的燃烧室，〝能显著减少燃烧室长度〞。

三‧MMPP Salyut的AL-31F-M系列与5+代引擎

2000年6月23日，NPO-Saturn接受研制供五代战机及改型Su-27系列使用之发动机〝产品117S〞(izdeliye-117S)计画。 MMPP Salyut以其仅为引擎生产厂的身分而不能参与研发计画。然事实上MMPP Salyut早已具备引擎研改能力并于1999年成立自己的〝前瞻计画设计局〞(FPDB)。因此MMPP Salyut于2000年夏与航空引擎研究院(TsIAM)合作进行自己的AL-31F改良计划─AL-31F-M，以及后续的五代引擎计画。其改良进度甚至较NPO-Saturn的方案更早。当时计画在2005年前分三阶段将AL-31F进化到AL-31F-M3。或许正是由于AL-31F-M系列的改良进度较快，且其与基本型之安装条件相同，因此虽然计画之初不被Su-35BM、PAK-FA计画采用，然其一推出便被军方看好，被选为Su-27SM之动力来源，甚至用于Su-33系列的计画也在洽谈中。目前俄方则更改计画，让MMPP Salyut的自有产品加入PAK-FA候选引擎之列。 MMPP Salyut更于2007年初跳脱〝工厂〞身份，而改组为〝持股公司〞(Holding Company)。



AL-31F-M1(izdeliye-99M1) (图10)换装KND-924-4风扇(4级，口径924mm，压比3.68)及KRD-99Ts数位控制系统。可选用最大出力模式或增寿模式。前者之最大推力达13500kg，军用推力达8250kg，涡轮前温度1690K(较基本型提升25K)，吸气量119kg/s(基本型113kg/s)，最大推力耗油率与基本型同为1.96kg /kgf*hr，最大军用推力耗油率则略降至0.77kg/kgf*hr(基本型为0.78)。采第二种模式时，吸气量为114kg/s，涡轮前温度降为1630K(小于基本款)，最大推力耗油率略增至1.97kg/kgf*hr，军用推力耗油率0.77kg /kgf*hr，而最大推力与军用推力则维持在基本型的7670与12500kg。引擎重1520kg，但加上附件等则为2100kg。采增寿模式后大修周期与寿限分别增至1000hr与4000hr。此型发动机于2002年1月25日装上Su-27的37-11号机(595号机)并于年底首飞。至2006年初在该机上完成27次飞行试验(含向量推力喷嘴之试验)。 2006年10月10日通过国家级试验。 2007年2月28日开始量产，并于4月交付俄军。

首批24架改良的Su-27SM(图11)已透过升级方式将引擎提升至AL-31F-M1。2005年底俄海军考虑为Su-33系列战机换装AL-31F-M1；而日后供中共Su-27SK、J-11、Su-30MKK使用之引擎也将是AL-31F-M1；此外，2005年MMPP Salyut以AL-31F-M1之技术造出齿轮箱在下的AL-31FN原型，称为AL-31FN-M1(izdeliye-39M1)，供中共J-10战机使用，该引擎并配有向量推力喷嘴。

原定2004年试验的AL-31F-M2(izdeliye-99M2)于2006年初才着手试验。其又被称为AL-31F-SM(izdeliye-99SM)，末尾的〝SM〞表示用于Su-27SM战机。这款引擎主要的改进项目是更换涡轮(涡轮前温度将提升100K)，并改良KND-924-4风扇之叶片，2006年秋测得推力达14200kg。
AL-31F-M3(izdeliye-99M3)之试验于2006年12月开始。改用3级宽叶片风扇KND-924-3(图12,13)，其由中央航空引擎研究院(TsIAM)协助研制，一体成形且无扇叶间边缘隔板，压比增至4.2，已属6代风扇；改良涡轮叶片；并改良燃烧室。最大推力测达15300kg。

除AL-31F-M系列外，MMPP Salyut也独立进行〝5+〞代引擎的研制。在MMPP Salyut与中央航空引擎研究院(TsIAM)的合作项目中，还包括一种压比达9.3的6级高压压缩机，与KND-924-3风扇搭配，总压比将接近40，此外双方并在合作操作温度在2000~2100K的高压涡轮，这些特性均达五代引擎指标。

四‧向量推力技术

向量推力控制能力(TVC)已成为俄系4++代战机的标准配备，而且其使用目的除单纯的提升飞行效率外，还提供飞机失速后机动能力。俄国向量推力技术可分为〝留里卡式〞与〝克里莫夫式〞两大宗。
由留里卡设计局研制的向量喷嘴是俄国最早实用化的，其研制早于1986年便展开，当时一方面应西蒙诺夫(Simonov)之要求为Su-27M计画研制，二方面也为五代引擎AL-41F做技术储备。最早的实验喷嘴早于1989年便进行飞行试验，之后便开始研制制式化向量喷嘴，即后来用于AL-37FU及AL-31FP(图14)的AL-100喷嘴，仅增重70kg。 1996年时用于Su-37的已属实用型喷嘴之原型，相较之下，约略同期的美国F-15SMTD与F/A-18的向量推力实验机所用者仅喷嘴机构就重逾1000kg，也因此仍需额外配重，距实用尚远。唯苏联解体无力添购Su-37，使得这种向量推力技术延后至2000年才随Su-30MKI(图15)近入印度空军服役，因此被F-22所用的F-119挤下，成为全球第二种服役的向量推力技术。

留里卡式喷嘴简言之就是〝整体连动〞，即一口气让整个喷嘴活动。在AL-31FP上，其喷嘴运动幅度为上下15度，移动速度约30度/秒。早期AL-41F引擎之喷嘴开始具备三维活动能力，但左右被限制在+-8度，至117S引擎才具有各方向一样的自由度。这类向量喷嘴的最大特色是构造简单，这便是其能如此快实用化的关键。但与欧美研制中，预计2010年前后实用化的向量喷嘴则有部份参数相对逊色。
克里莫夫设计局研制的向量喷嘴则与欧美研制中的类似，系藉由调整每个或部分喷嘴叶片来改变推力方向，因此其活动时每个喷嘴叶片之间有相对差动(图16)，看起来不像留里卡式喷嘴那般生硬，而是有种〝软绵绵〞的感觉。这种喷嘴最初是为MiG-29所用的RD-33(图17)系列引擎研制，后来MMPP Salyut将之引进用于AL-31FN与AL-31F-M系列引擎。克里莫夫喷嘴活动幅度较大且运动速度更快。用于AL-31F-M1的喷嘴在各方向的活动幅度为16度，MiG-29M OVT所用者则达20度，后者已与西方研制中的喷嘴相当；而AL-31F-M1所用之喷嘴活动速度达45度/秒，甚至超过西方研制中的喷嘴(约40度/秒)。克里莫夫式喷嘴较具前瞻性，已成为5+代引擎的向量喷嘴的研制者。该公司总经理指出，这种用于新款RD-33的向量喷嘴已经属于第五代喷嘴。

五‧总结

由已公布的技术数据看，不论是NPO-Saturn还是MMPP Salyut的5+代引擎，皆大致具备推重比14~15的发动机之标准，因此俄5+代引擎之推重比很可能为汉和所报之14~15而不只是早期报导的12~12.5。也可整理出，5+代引擎具备如下技术特性：〈1〉3-6-1-1(风扇-压缩机-高压-低压涡轮，数字为级数)布局；〈2〉总压比接近40；〈3〉涡轮前温度1900~2000K，甚至达2100~2200K；〈4〉尺寸重量可能在AL-31F上下，可能在1400~1600kg，推重比应在14~15，则推力范围在19600kg ~24000kg。若保守取推重比12~12.5计算，推力在16800~20000kg。

目前竞争双方除在技术上竞争外，也在媒体上进行〝文宣战〞。参与NPO-Saturn计画的众厂家认为，五代引擎已非单打独斗能完成，即使美国的F-135也已是集体计划，而该团队成员多有自己的科技中心，相较之下MMPP Salyut只能靠TsIAM协助，因此难以研制出真正的五代引擎；MMPP Salyut则认为自身拥有AL-31F各系列生产与优化经验，并指出自家的AL-31F-M1已通过国家级试验，而对手却已多年未有通过国家级计画的产品。 MMPP Salyut虽然备受同业责难，但在几年间其计画稳定发展，并于2007年跳脱工厂身份而成为持股公司，某些程度上摆脱了〝工厂不如设计局〞的形象。俄军方之态度也于2007年大为改变，取消了AL-41F2的内定五代引擎身份，而令双方竞争。

至此更显出五代引擎命运的戏剧性：尽管目前的五代机对引擎有新的需求，但以俄国当时的状况而言，已经属于五代引擎的AL-41F无庸置疑的是最佳选择，这就让〝以AL-31F为基础过渡到五代〞的路线成为可能(因为大小类似)。而MMPP Salyut正好是AL-31F的生产厂，该系列正是当时内外销炸子鸡Su-27系列的心脏，销售AL-31F并研制改良型刚好能维持生存并推动后续改良，就这样其最终仍成为五代引擎的竞标者之一。

相当值得注意的是，MMPP Salyut的AL-31F-M系列乃至后续型号很可能成为日后中共新世代战机的引擎候选。中共新世代战机应是双发重战机，采用WS-10这一级别之引擎，而WS-10系列后续型号推力预计可达15000kg级，但其推力12~13吨级的改型WS-10A才定型不久，且仍需后续测试方能服役，推力15吨级的改型能否搭上2010~2015年的列车实在是大有疑问。而AL-31F-M3推力达15.3吨，且来自相当成熟的引擎，就性能与发展时程看要赶上用于中共新战机并无大碍，再说MMPP Salyut还有自己的5+代引擎计画，以中共起步中的引擎科技短期内应难以跟上。以技术等级论，MMPP Salyut的自有改型理论上无法与算是国家计画的AL-41F并论，再加上中共Su-27系列以及J-10的引擎长期以来都来自MMPP Salyut，因此届时中共在取得这种推力15吨级之引擎方面遇到的阻碍应不会太大。因此MMPP Salyut的独立计画应该已有〝潜在客户〞。此外，吾人亦可推估，在日后Su-35BM以及PAK-FA的销售上，将可能如同美制F-15与F-16般，有不同公司的同级引擎可供选用，同时引擎公司较不至于因引擎所搭配的战机销售不佳而影响本身生计，这在维持引擎产业的稳定以及保持良性竞争上有正面作用。