J-10使用AL-31FN发动机的间接证据

　New Thoughts on the Development of AL-31F Aeroengine
　　成都飞机设计研究所　杨国才　伍　玥　范　怡
　　摘要：浅谈苏-27系列战斗机动力装置AL-31F的过去、现在和未来的发展动态，解读该发动机提高推力等级的发展新思维，并从技术层面介绍了值得学习与借鉴的几项技术举措。
　　关键词：军用涡扇发动机　AL-31F　战斗机
　　苏-27系列飞机是当今世界上典型的第三代（俄罗斯称为"第四代"）歼击机，自该机问世以来，曾经创造了快速爬高的多项世界纪录，普加乔夫驾驶的苏-27飞机还首创了著名的高难度"眼镜蛇"机动飞行动作。据报道，早在1988年已估计有三四百架苏-27战机在苏军中服役。此后，该系列飞机不仅部署到独联体国家，而且还成功地出口到俄罗斯境外的包括印度和中国在内的一些国家。这些业绩的取得，都与该系列战机的动力装置AL-31F发动机有密切关系。AL-31F除了用在双发布局飞机之上，还推出了可用在单发布局飞机上的改型发动机AL-31FN。因此，AL-31F的过去、现在和未来的发展引起了人们的关注。
　　一、AL-31F发动机简介
　　AL-31F是由俄罗斯留里卡"土星"科研生产联合体研制的带加力燃烧室的涡扇发动机。该联合体前身是留里卡设计局，组建于1946年，是前苏联的主要战斗机发动机设计局。在上世纪60年代，留里卡研制了AL-21F系列涡轮喷气发动机，其最大加力推力达11000daN。1970～1974年投入生产，广泛用于苏-17、苏-20、苏-22、苏-24和米格-23战斗机上。在AL-21基础上，1976年（另一说法是1973年）留里卡开始研制AL-31F发动机。1985年该发动机研制达标后，用于苏-27、苏-30和苏-35战斗机。
　　AL-31F的结构形式是双转子加力式涡扇发动机。推力范围：加力12250daN，中间7620daN。每台价格300万美元。AL-31F有一些改进型，其中包括带矢量推力喷管的改进型AL-31FP发动机。
　　从总体上讲，作为苏-27战机的专用动力装置AL-31F发动机，其性能是优良的，具有明显优势。
　　（1）尺寸小，推力大。其涡轮具有有效的冷却系统和良好的热力学特性；压气机增压快速，发动机结构紧凑，保证飞机有较高的推力和良好的机动性。
　　（2）稳定性高。可使用在苏-27飞机的各种飞行高度和速度下，即使飞机在以M2的速度进入平螺旋、直螺旋、翻转螺旋和进气道喘振的情况下，发动机工作仍然极其稳定。喘振消除系统、空中自动点火系统、主燃烧室和加力燃烧室的再次启动系统等可保证在使用机载武器时动力装置的工作可靠性。
　　（3）维修简便。该发动机采用单元体结构，由14个单元体组成，因此，如果出现某些损坏，不需要全部更换，只替换下有故障的单元体即可。这样，在使用条件下进行发动机维修时，可更换其中的6个单元体。
　　（4）使用寿命长。AL-31F可根据其技术状况而使用，只要发动机还正常，就可以一直使用下去，而现代化水平的诊断设备可保证飞行安全。但其使用寿命也有一个限度，一般认为该发动机第一次维修前的使用寿命可达1000h，总使用寿命应该不少于10年。
　　二、AL-31FN发动机
　　AL-31F本来是双发布局的苏-27系列战斗机的专用发动机，为使它能在单发飞机上使用，留里卡设计局"礼炮"（Salut）公司几年前推出了AL-31F的改型发动机AL-31FN。
　　该型发动机的特别之处是：将发动机附件传动箱从附着在发动机上面，移到附着在发动机的下面，而飞机附件传动机匣还是安装在发动机上面。这样处置是为了满足客户要求。
　　从俄罗斯"礼炮"公司2002年11月提供的资料来看，由俄方改型专供出口的AL-31FN发动机性能、尺寸和质量的数据，与原型的AL-31F发动机只有很少的区别，详见表1。
　　由于从双发配置改为单发配置的飞机使用，发动机附件得以简化，又由于AL-31FN发动机拆去了内外涵流道的分流隔板，使得发动机重量减轻了一些。但由此带来的一些负面影响，仍有待深究。另一不足之处是AL-31FN的燃油消耗率也略有提高，因此，AL-31F系列发动机仍有性能改进的必要。
　　三、AL-31F发展新思维
　　AL-31F发动机已经生产20多年了。上世纪90年代，"礼炮"公司把头几批AL-31F提供给前苏联空军，安装在双发布局的苏-27型歼击机上。尽管"礼炮"公司进行了产品质量跟踪、预防检修和定期维护，但是维修措施并不能保障该发动机永久使用。因此，为了适应新世纪的战争环境，"礼炮"公司在本世纪初已建议俄国空军按三个阶段改进AL-31F发动机。
　　1.第一阶段
　　第一阶段的改进已经完成，只改变了"通风机"--风扇的两端部件,推力提高了600～700kg。2002年1月，该改型在两架苏-27飞机上进行了综合飞行试验，第二架飞机用于进行国家试验，2002年12月按计划结束。飞行研究结果证实了初始计算指标，即安装有两台AL-31F-M1改进型发动机的苏-27飞机，在11000m高度上从300km/h加速到1200km/h飞行速度的时间比原型飞机减少了26s。由此，可使飞机在空战中更具有加速性好的优势。
　　2.第二阶段
　　按计划应在2003年末～2004年第一季度结束。其质变的改进将涉及到涡轮机、燃烧室、冷却系统。
　　3.第三阶段
　　有原则性变化：安装俄罗斯第五代发动机零件。其中如把第一改进阶段上使用的四级压缩风扇换成大行程叶片的"通风机"，叶片与叶轮合为一体。经过第三阶段改进后，发动机推力将增加到14600kg，使苏-27飞机的性能大大改善，而发动机的保险寿命和规定寿命并没有改变。改进型AL-31F-M1发动机与现役的AL-31F发动机完全可以互换。
　　值得关注的是，俄领土上几乎没有高海拔机场，而使用苏-27型系列飞机的其他国家有这种机场，其海拔在3500m左右。AL-31F原型发动机的启动机只能在海拔2500m以下起作用。为此，"礼炮"公司研制了能在海拔3500m以上启动发动机的启动机。它与现役的启动机完全可以互换，并已通过了俄国家试验。
　　另外，"礼炮"公司还可提供适用于单发飞机上的带可控推力矢量喷口的AL-31F改进发动机。该喷口已进行了400h的单独调试和特种试验，近期还将进行带有这种喷口发动机的500h内的长期试验。
　　AL-31F的电子控制系统的研制工作正与发动机改进工作并行开展。
　　四、探讨
　　综上所述，对于苏-27系列战斗机而言， AL-31F发动机无疑是一台优秀的第三代军用涡扇发动机，由于它在苏-27及其改进型苏-30MK、苏-33和苏-35等型号上的采用，预计该型号的改进型发动机直至2015年左右仍可在国际军机发动机市场中占有一席之地。如果上述的三个阶段的改进计划都能顺利完成，AL-31F系列发动机在国际市场上将具有较强竞争力。
　　但是作为国际上第三代发动机，AL-31F仍有多项参数指标不尽如人意。从表2的比较中，不难看出，为了适应21世纪的战争环境，早期的AL-31F发动机已非改进不可，而推重比和启动机的启动海拔高度偏低则是它的最主要问题。
　　有关资料表明，俄罗斯军用涡扇发动机性能和使用寿命与欧美国家同一代发动机相比有一定的差距。以美国普·惠公司仍在生产的F100系列涡扇发动机为例，它于1970年3月开始全面研制，1974年11月交付空军使用，主要装备F-15和F-16飞机，是世界上最早投入使用的推重比达8的军用发动机。
　　AL-31F与F100-PW-229同为国际上第三代战斗机的涡扇发动机，相比之下，在发动机设计参数的选择中，F100-PW-229比AL-31F要略胜一筹，也就是说，俄制AL-31F发动机在总增压比、中间耗油率、涵道比、质量，乃至控制系统等方面还存有不同程度的发展空间。这也许是"礼炮"公司建议俄国空军按三个阶段改进AL-31F发动机，并得到军方采纳的依据所在。
　　据业内资深人士分析，要提高AL-31F的推力等级，俄方可能会采用：提高风扇通气流量；提高涡轮前的进气温度；改善燃烧室组织燃烧的质量，扩大稳定燃烧的工作范围；改善涡轮冷却气流控制系统等技术途经。
　　在控制系统方面，今后则很可能从早期的机械液压式控制燃油和喷口面积，改进为数字式电子控制系统，甚至是与F100-PW-229发动机相当的全权限数字式电子控制系统，使之具有综合诊断和与飞机控制系统交联的能力。
　　五、结束语
　　透过俄军方按三个阶段改进AL-31F来提高苏-27系列战机作战能力与生存能力的计划，不难看出，俄方为适应21世纪的战争新环境，正在走一条与美国研发新机大不相同的发展道路；这就是在俄罗斯目前"有技术，缺资金"的国情之下，不优先研发第四代新机，而是通过对具有国际第三代水平的有潜力可挖的优秀机种（如苏-27）的有限改进，来较快地实现空军武器装备的现代化。俄空军把改进动力装置性能作为提高战机性能的首选，表明了动力装置的改善在俄制战机性能提高方面是举足轻重的。这一思路，也许值得发展中国家，尤其是俄制战机用户国家参考。
　　相信随着AL-31F改进型（如AL-31F-M1）高空加速性能、推力等级的提高，以及发动机启动高度提升到海拔3500m以上的实现，不仅将进一步打开在国际上价位较低的苏-27/苏-30系列战机的外销市场，而且也有利于有高海拔机场的用户在其国土上的全疆域部署。
　　从技术层面来看，AL-31F发展新思维的实现，除了采用高效率核心机、增大风扇流量和改善燃烧室（含加力室）燃烧质量的技术外，今后的设计改进，在参数选择上还将注重采用高增压比、高涡轮前温度和低涵道比这样的策略；采用全权限数字式电子控制系统应是它的发展方向；便于保养与维修的单元体结构设计也将进一步得到优化。
　　虽然AL-31F性能不够理想，各方面还有待发展，但它仍有不少成功的设计经验值得我们学习与借鉴，它的发展新动向，更值得我们关注。预计，如果AL-31F三年发展计划顺利实现，再配置现有的三元矢量推力喷管，将有可能使苏-27发展型飞机在高机动性和高敏捷性方面，直逼F/A-22战机的水平。New Thoughts on the Development of AL-31F Aeroengine
　　成都飞机设计研究所　杨国才　伍　玥　范　怡
　　摘要：浅谈苏-27系列战斗机动力装置AL-31F的过去、现在和未来的发展动态，解读该发动机提高推力等级的发展新思维，并从技术层面介绍了值得学习与借鉴的几项技术举措。
　　关键词：军用涡扇发动机　AL-31F　战斗机
　　苏-27系列飞机是当今世界上典型的第三代（俄罗斯称为"第四代"）歼击机，自该机问世以来，曾经创造了快速爬高的多项世界纪录，普加乔夫驾驶的苏-27飞机还首创了著名的高难度"眼镜蛇"机动飞行动作。据报道，早在1988年已估计有三四百架苏-27战机在苏军中服役。此后，该系列飞机不仅部署到独联体国家，而且还成功地出口到俄罗斯境外的包括印度和中国在内的一些国家。这些业绩的取得，都与该系列战机的动力装置AL-31F发动机有密切关系。AL-31F除了用在双发布局飞机之上，还推出了可用在单发布局飞机上的改型发动机AL-31FN。因此，AL-31F的过去、现在和未来的发展引起了人们的关注。
　　一、AL-31F发动机简介
　　AL-31F是由俄罗斯留里卡"土星"科研生产联合体研制的带加力燃烧室的涡扇发动机。该联合体前身是留里卡设计局，组建于1946年，是前苏联的主要战斗机发动机设计局。在上世纪60年代，留里卡研制了AL-21F系列涡轮喷气发动机，其最大加力推力达11000daN。1970～1974年投入生产，广泛用于苏-17、苏-20、苏-22、苏-24和米格-23战斗机上。在AL-21基础上，1976年（另一说法是1973年）留里卡开始研制AL-31F发动机。1985年该发动机研制达标后，用于苏-27、苏-30和苏-35战斗机。
　　AL-31F的结构形式是双转子加力式涡扇发动机。推力范围：加力12250daN，中间7620daN。每台价格300万美元。AL-31F有一些改进型，其中包括带矢量推力喷管的改进型AL-31FP发动机。
　　从总体上讲，作为苏-27战机的专用动力装置AL-31F发动机，其性能是优良的，具有明显优势。
　　（1）尺寸小，推力大。其涡轮具有有效的冷却系统和良好的热力学特性；压气机增压快速，发动机结构紧凑，保证飞机有较高的推力和良好的机动性。
　　（2）稳定性高。可使用在苏-27飞机的各种飞行高度和速度下，即使飞机在以M2的速度进入平螺旋、直螺旋、翻转螺旋和进气道喘振的情况下，发动机工作仍然极其稳定。喘振消除系统、空中自动点火系统、主燃烧室和加力燃烧室的再次启动系统等可保证在使用机载武器时动力装置的工作可靠性。
　　（3）维修简便。该发动机采用单元体结构，由14个单元体组成，因此，如果出现某些损坏，不需要全部更换，只替换下有故障的单元体即可。这样，在使用条件下进行发动机维修时，可更换其中的6个单元体。
　　（4）使用寿命长。AL-31F可根据其技术状况而使用，只要发动机还正常，就可以一直使用下去，而现代化水平的诊断设备可保证飞行安全。但其使用寿命也有一个限度，一般认为该发动机第一次维修前的使用寿命可达1000h，总使用寿命应该不少于10年。
　　二、AL-31FN发动机
　　AL-31F本来是双发布局的苏-27系列战斗机的专用发动机，为使它能在单发飞机上使用，留里卡设计局"礼炮"（Salut）公司几年前推出了AL-31F的改型发动机AL-31FN。
　　该型发动机的特别之处是：将发动机附件传动箱从附着在发动机上面，移到附着在发动机的下面，而飞机附件传动机匣还是安装在发动机上面。这样处置是为了满足客户要求。
　　从俄罗斯"礼炮"公司2002年11月提供的资料来看，由俄方改型专供出口的AL-31FN发动机性能、尺寸和质量的数据，与原型的AL-31F发动机只有很少的区别，详见表1。
　　由于从双发配置改为单发配置的飞机使用，发动机附件得以简化，又由于AL-31FN发动机拆去了内外涵流道的分流隔板，使得发动机重量减轻了一些。但由此带来的一些负面影响，仍有待深究。另一不足之处是AL-31FN的燃油消耗率也略有提高，因此，AL-31F系列发动机仍有性能改进的必要。
　　三、AL-31F发展新思维
　　AL-31F发动机已经生产20多年了。上世纪90年代，"礼炮"公司把头几批AL-31F提供给前苏联空军，安装在双发布局的苏-27型歼击机上。尽管"礼炮"公司进行了产品质量跟踪、预防检修和定期维护，但是维修措施并不能保障该发动机永久使用。因此，为了适应新世纪的战争环境，"礼炮"公司在本世纪初已建议俄国空军按三个阶段改进AL-31F发动机。
　　1.第一阶段
　　第一阶段的改进已经完成，只改变了"通风机"--风扇的两端部件,推力提高了600～700kg。2002年1月，该改型在两架苏-27飞机上进行了综合飞行试验，第二架飞机用于进行国家试验，2002年12月按计划结束。飞行研究结果证实了初始计算指标，即安装有两台AL-31F-M1改进型发动机的苏-27飞机，在11000m高度上从300km/h加速到1200km/h飞行速度的时间比原型飞机减少了26s。由此，可使飞机在空战中更具有加速性好的优势。
　　2.第二阶段
　　按计划应在2003年末～2004年第一季度结束。其质变的改进将涉及到涡轮机、燃烧室、冷却系统。
　　3.第三阶段
　　有原则性变化：安装俄罗斯第五代发动机零件。其中如把第一改进阶段上使用的四级压缩风扇换成大行程叶片的"通风机"，叶片与叶轮合为一体。经过第三阶段改进后，发动机推力将增加到14600kg，使苏-27飞机的性能大大改善，而发动机的保险寿命和规定寿命并没有改变。改进型AL-31F-M1发动机与现役的AL-31F发动机完全可以互换。
　　值得关注的是，俄领土上几乎没有高海拔机场，而使用苏-27型系列飞机的其他国家有这种机场，其海拔在3500m左右。AL-31F原型发动机的启动机只能在海拔2500m以下起作用。为此，"礼炮"公司研制了能在海拔3500m以上启动发动机的启动机。它与现役的启动机完全可以互换，并已通过了俄国家试验。
　　另外，"礼炮"公司还可提供适用于单发飞机上的带可控推力矢量喷口的AL-31F改进发动机。该喷口已进行了400h的单独调试和特种试验，近期还将进行带有这种喷口发动机的500h内的长期试验。
　　AL-31F的电子控制系统的研制工作正与发动机改进工作并行开展。
　　四、探讨
　　综上所述，对于苏-27系列战斗机而言， AL-31F发动机无疑是一台优秀的第三代军用涡扇发动机，由于它在苏-27及其改进型苏-30MK、苏-33和苏-35等型号上的采用，预计该型号的改进型发动机直至2015年左右仍可在国际军机发动机市场中占有一席之地。如果上述的三个阶段的改进计划都能顺利完成，AL-31F系列发动机在国际市场上将具有较强竞争力。
　　但是作为国际上第三代发动机，AL-31F仍有多项参数指标不尽如人意。从表2的比较中，不难看出，为了适应21世纪的战争环境，早期的AL-31F发动机已非改进不可，而推重比和启动机的启动海拔高度偏低则是它的最主要问题。
　　有关资料表明，俄罗斯军用涡扇发动机性能和使用寿命与欧美国家同一代发动机相比有一定的差距。以美国普·惠公司仍在生产的F100系列涡扇发动机为例，它于1970年3月开始全面研制，1974年11月交付空军使用，主要装备F-15和F-16飞机，是世界上最早投入使用的推重比达8的军用发动机。
　　AL-31F与F100-PW-229同为国际上第三代战斗机的涡扇发动机，相比之下，在发动机设计参数的选择中，F100-PW-229比AL-31F要略胜一筹，也就是说，俄制AL-31F发动机在总增压比、中间耗油率、涵道比、质量，乃至控制系统等方面还存有不同程度的发展空间。这也许是"礼炮"公司建议俄国空军按三个阶段改进AL-31F发动机，并得到军方采纳的依据所在。
　　据业内资深人士分析，要提高AL-31F的推力等级，俄方可能会采用：提高风扇通气流量；提高涡轮前的进气温度；改善燃烧室组织燃烧的质量，扩大稳定燃烧的工作范围；改善涡轮冷却气流控制系统等技术途经。
　　在控制系统方面，今后则很可能从早期的机械液压式控制燃油和喷口面积，改进为数字式电子控制系统，甚至是与F100-PW-229发动机相当的全权限数字式电子控制系统，使之具有综合诊断和与飞机控制系统交联的能力。
　　五、结束语
　　透过俄军方按三个阶段改进AL-31F来提高苏-27系列战机作战能力与生存能力的计划，不难看出，俄方为适应21世纪的战争新环境，正在走一条与美国研发新机大不相同的发展道路；这就是在俄罗斯目前"有技术，缺资金"的国情之下，不优先研发第四代新机，而是通过对具有国际第三代水平的有潜力可挖的优秀机种（如苏-27）的有限改进，来较快地实现空军武器装备的现代化。俄空军把改进动力装置性能作为提高战机性能的首选，表明了动力装置的改善在俄制战机性能提高方面是举足轻重的。这一思路，也许值得发展中国家，尤其是俄制战机用户国家参考。
　　相信随着AL-31F改进型（如AL-31F-M1）高空加速性能、推力等级的提高，以及发动机启动高度提升到海拔3500m以上的实现，不仅将进一步打开在国际上价位较低的苏-27/苏-30系列战机的外销市场，而且也有利于有高海拔机场的用户在其国土上的全疆域部署。
　　从技术层面来看，AL-31F发展新思维的实现，除了采用高效率核心机、增大风扇流量和改善燃烧室（含加力室）燃烧质量的技术外，今后的设计改进，在参数选择上还将注重采用高增压比、高涡轮前温度和低涵道比这样的策略；采用全权限数字式电子控制系统应是它的发展方向；便于保养与维修的单元体结构设计也将进一步得到优化。
　　虽然AL-31F性能不够理想，各方面还有待发展，但它仍有不少成功的设计经验值得我们学习与借鉴，它的发展新动向，更值得我们关注。预计，如果AL-31F三年发展计划顺利实现，再配置现有的三元矢量推力喷管，将有可能使苏-27发展型飞机在高机动性和高敏捷性方面，直逼F/A-22战机的水平。