磨砺记——俄罗斯航空发动机发展及启示


作为一个后起工业国,苏联航空发动机工业从一开始就是建立在仿制的基础上,到了喷气时代,情况依然如故。与西方几个航空大国相比,前苏联喷气发动机从无到有走过了一条独特的道路:自行研制进展缓慢,通过仿制加快进度,最终吸收外来养份,使自己成长壮大。

早在上世纪30年代德、英、意等国开始研究喷气推进技术的时候,苏联也开始着手这项工作。阿尔希普米哈伊诺维奇留里卡是苏联最先倡导和从事涡轮喷气发动机研制的代表人物。在多数人不支持、战争前夕国家物力和财力有限的情况下,留里卡经过数年努力,解决大量技术难题后,研制出苏联第一台PД-1涡轮喷气式发动机的样机,并在1941年4月拿到继续研制许可证书。但就在这时,战争突然爆发了,涡轮喷气发动机的研制工作被迫中断。

就在留里卡的研制工作迟迟没有取得突破性进展的时候,前线不断提出急需能与Me-262匹敌的作战飞机,于是苏联人决定在自行研制涡轮喷气发动机的同时,采取仿制的方法加快喷气机的研制速度。第二次世界大战结束,苏联就开始利用缴获的资料和设备,在德国技术人员的帮助下,仿制德国的Jumo004和BMW发动机。只用了半年时间,柯里索夫设计局和库兹涅佐夫设计局就各自仿制成功,并分别命名为PД-10和PД-20。1946年4月,这两种发动机分别装在米格-9和米格-15战斗机上试飞成功,苏联从此拥有了自己的喷气式战斗机。1947年,苏联通过贸易谈判从英国购买了25台“尼恩”发动机和30台“德温特”发动机,便立即着手仿制。经过一年多的努力,“尼恩”发动机由克里莫夫设计局仿制成功,命名为PД-45;“德温特”发动机由米库林设计局仿制成功,定名为PД-500。1949年,PД-45发动机开始批量生产,装备了苏联第一代后掠翼战斗机米格-15。PД-500发动机曾装在雅克-23教练机和一部分靶机上,但由于性能不及“尼恩”,没有广泛投入使用。20世纪50年代初期的抗美援朝战争中,中国人民志愿军空军驾驶米格-15喷气式战斗机与美国F-86“佩刀”式喷气式战斗机展开空战,这是世界上第一次敌对双方均使用喷气式战斗机的空战。

通过仿制德、英的发动机,苏联逐步培养出了自己的研究和设计队伍。克里莫夫设计局首先在PД-45的基础上研制成功BK-1离心式喷气发动机,推力为26.5千牛。1951年,以BK-1涡轮喷气发动机为动力的米格-17战斗机首次试飞成功。此后,苏联的其他设计局也陆续研制成功自己的涡轮喷气发动机。经过政府、技术人员和管理人员的共同努力,苏联只用了5年多一点的时间就实现了从仿制到自行研制的过渡。

不难看出,有赖于高度集约的计划经济体制,加之二战之后与欧美几乎处于同一起点,前苏联将从欧洲拿到的最新技术以行政手段分发给不同的研究机构和企业,用制这样一种模式全力推进本国航空发动机事业。所以,苏联的航空发动机事业在进入喷气时代之后发展迅速,与欧美之间几乎没有代的差距。

解体前,前苏联涌现出大量著名的航空发动机设计师,他们领导的设计局负责航空发动机的研制工作。前苏联航空发动机设计局以及其最著名的作品:克里莫夫设计局(RD-33涡扇发动机)、伊索托夫设计局(TV3-117涡轴发动机),等等。其中研制了前苏联唯一一型第三代大推力加力涡扇发动机AL-31F的设计局就是留里卡设计局,它也是今天俄罗斯“留里卡-土星”航空发动机联合体的前身之一。前苏联航空发动机的生产单位是国有发动机批量厂,生产如“土星”、“礼炮”、“进步”等。可以看出,前苏联的航空发动机行业是一种“设计单位百花齐放、生产单位三强并立”的格局。

上世纪90年代前苏联解体之后,俄罗斯经济休克疗法失败,原来国有的航空发动机设计局和批量厂纷纷被民营资本和国外资本收购。依然被国家控股的军工企业也无法依靠俄罗斯政府和军方严重缩水的拨款生存。在很长一段时间里,俄罗斯航空发动机行业竞争力非常低,行业的收益率从27%下降到7%,利润减少一半,航空发动机销售率下降了约93%。原来国有的留里卡设计局和土星批量厂都被民营资本收购,成为私营企业。而礼炮批量厂依然维持国家控股,但是由于俄罗斯政府财力严重不足,只能依赖国外用户的资金生存。

1974年11月,世界上第一种第三代大推力涡扇发动机,美国的F100-PW-100投入使用。与美国F100-PW-100发动机相对应的前苏联AL-31发动机于1985年完成研制。考虑到AL-31F发动机不仅完成研制时间晚了十年而且性能与F100-PW-100依然有一定差距,此时美苏在航空动力领域方面的总体差距大概在15年左右。但是在前苏联解体之后,美俄在航空发动机领域的差距逐渐增大。以美国的F110发动机改进计划为例,F110-GE-134发动机在上世纪90年代末就实现了15吨的台架加力推力,而俄罗斯达到15吨加力推力的发动机至今还没有研制出来。而且俄罗斯发动机在性能不足的情况下,在耐久性方面的差距更大,F110-GE-134发动机首翻期达到了4300战术循环(大概2000飞行小时),其首翻期已经达到了AL-31F-M2发动机总寿命的水平。

美国在1986年完成研制的F100-PW-220发动机就装备了发动机全权数字电子控制系统,而俄罗斯发动机从AL-31F-M2发动机才开始使用类似控制系统,并且AL-31F-M2发动机现在还未投入使用。当美国真正的四代动力(西方划代方法,相当于俄罗斯的五代动力)F119-PW-100于2002年9月获得美国空军颁发的初始使用批准之时,其加力推力15.5吨/军推10吨、推重比10.5和首翻期大于4000飞行小时的性能,已经足以对所有俄罗斯航空发动机形成质的代差。俄罗斯近年来航空发动机研制有逐渐回暖的趋势,经过产业重组之后形成了“99M”和“117”两个第五代航空发动机研制计划。但从目前俄罗斯国内的情况来看,已经基本研制成功的型号,无论是99M1、还是117S发动机,都难以满足第五代战斗机T-50的全包线试飞要求,更不用说正式装备。综合考虑美俄发动机在型号研制和技术实力方面的因素,两国在航空发动机研制领域的差距可能已经增加到了20年以上。

不难看出,前苏联解体后,俄罗斯的工业体系之下的各个领域都在积极探索以自由竞争为主要特征的市场化发展模式,航空发动机行业也不例外。然而,尽管政治制度方面已经发生了改变,但是对于刚刚独立的俄罗斯来讲,前苏联时期计划经济体制的巨大惯性无法避免,无论其管理模式、管理理念、人才结构还是资源配置模式等等,都无法支撑航空发动机行业真正走上纯市场化的发展道路。强行推之的结果,只能学了西方自由竞争模式的皮毛,而无法真正与本土企业相融合,最终导致了国有资产流失、技术研发停顿、人才队伍青黄不接,行业整体与西方差距日益拉大。

为了挽救本国航空工业,并力图重塑昔日大国形象,普京上任之后于2007年8月签署了《关于成立联邦国有独资企业燃气涡轮制造科研-生产中心“礼炮”》的1039号俄联邦总统令,正式开始了俄罗斯航空发动机行业的一体化整合。俄罗斯航空发动机行业根据政府的决定组建四个控股公司,其中两个负责研制生产战斗机使用的大推力涡轮风扇发动机,这两个公司是:在莫斯科机械制造生产企业“礼炮”的基础上成立的“礼炮航空发动机联合体”;第二个公司是通过整合位于雷宾斯克的“土星”科研生产联合体、乌法的发动机生产联合体和彼尔姆的航空发动机股份公司中的国家股份成立的控股公司“留里卡-土星航空发动机联合体”。

涡扇发动机行业“两强争霸”局面形成之后,两个航空发动机研制巨头自然会按照各自计划进行航空发动机研制,形成各自的发展脉络。

首先来看“礼炮联合体”。经过改组之后,礼炮正式成为俄罗斯政府控股的国有航空发动机研制生产联合体。现在该公司的发展重点就是“项目99M”航空发动机研制计划。值得一提的是,虽然礼炮联合体一直就是俄罗斯政府所有的企业,但是99M整个计划并没有获得俄罗斯政府的资金。99M计划打算通过对于AL-31F发动机的四步改进,最终研制出真正的第五代航空动力系统。但目前,只有99M1发动机装备了俄罗斯空军,后续的99M2/3/4型都还在研制中。

俄罗斯最近装备的苏-35BM战斗机使用了“留里卡-土星”联合体的117S发动机。根据该发动机联合体的宣传,“项目117”航空发动机研制计划是承接前苏联五代动力AL-41F发动机计划的发动机研制系列工程。AL-41F型加力式双涵道涡轮风扇发动机是由留里卡设计局在苏-27动力装置AL-31F和苏-37动力装置AL-37F基础上研制发展的俄罗斯第五代发动机,该机加力推力达到了令人震惊的17吨、循环参数1910K。该机研制计划进行到30%的时候就因为前苏联解体而中断,后来留里卡设计局被土星合并成为“留里卡-土星”航空发动机联合体。因而“留里卡-土星”联合体利用留里卡现有成果继续进行AL-41F发动机的研制显然是理所应当的。

“项目117”计划分为两个步骤:第一步,利用AL-41F发动机的现有技术对AL-31F发动机进行改进,研制出117S发动机;第二步,在117S发动机验证的五代机动力技术成熟之后发展出真正的五代机动力“新AL-41F”发动机。现在留里卡-土星联合体完成了117S发动机的研制,该机加力推力14吨/军用推力8.8吨,推比7.5。所以,与留里卡-土星联合体宣传的不同,117S发动机其实就是类似AL-31F-M2发动机的三代改进型动力,而性能不足以谈得上是五代动力的过渡型号。在117S发动机基础上,土星计划用两到三年研制117A发动机(AL-41F1-A)也就是AL-41F型号重新开始研制后的第一个正式型号,该机计划达到15吨的推力,不过目前由于经费不足依然处于停滞阶段。然后再继续改进出真正的五代动力装置,加力推力16吨左右,目前也没有得到资金支持。

不可否认,同前苏联时期相比,当今俄罗斯在航空发动机研发领域与美国的差距不是缩小,而是被拉大了。然而,我们应该看到,既便在如此逆境中,俄罗斯却仍然在坚守,并积极反思。事实上,上文中提到的普京政府对俄罗斯航空发动机行业铁腕式的强力整合,也是在探索一种能够与当下国内经济体制相适应的发展模式,其实质还是一种制。

尽管上文提到,俄罗斯航空发动机研发领域相对于美国的差距被拉大,实际上是在为苏联时代“还账”。要知道,尽管成就斐然,但苏联时代航空发动机工业却存在着这样一些长期问题。比如,基础研究薄弱,技术储备不足,试验设施不健全;国家经济相对落后,研制经费严重不足;对发动机的技术复杂性和研制规律认识不足;基本建设战线过长、摊子过大、力量过散、低水平重复;管理模式相对落后,缺乏科学民主的决策机制和稳定、权威的中长期发展规划等等。这一系列问题最终拖累了苏联解体后的有些残缺的俄罗斯航空发动机工业。不过,从目前的情况来看,俄罗斯航空发动机工业布局体系的重组,正是从苏联时代吸取教训后的一个产物。

一方面,既便在技术上暂时被甩下了一段距离,但俄罗斯政府保全并发展完整航空发动机工业基本布局的决心无比坚定。从世界的政治经济竞争格局与竞争准则来看,航空发动机工业建设需要的各个工业部门的产品与技术支持,是不可能通过国际合作或国际贸易来解决的,只能靠这些国家自身的工业体系。即使有些国家愿意在国防产品上进行相应的支持,在零部件的获得、产品维护、价格、重要技术参数的保密等方面也存在诸多问题。所以建立完整的航空发动机工业体系是国防工业科技竞争力的主要依托。而国防工业的科技竞争力是体现一个国家综合国力的最重要标志之一。另一方面,无论是99M1/2/3/4还是117S乃至AL-41,实际上都意味着俄罗斯正在努力理顺一个健全的研发体系和指导观念。他们意识到,预研技术始终和现役技术保持着合理的时间间隔,确保了技术领先优势。现役装备必须考虑技术风险,而预先研究则是为了克服前瞻技术的技术风险,使其走向实用化。也正因为如此,俄罗斯政府将航空发动机产业列入了国家和国防科技中长期发展规划,注重形成有梯次的航空发动机谱系化产品,促进两个航空发动机联合体之间进行适度的横向竞争和深度的纵向协作。同时国家上层有关部门也牵头制定了详尽、专门的航空发动机研发长期规划,并保持政策的延续性,给予航空发动机产业长期、稳定的支持,从上层解决其结构和体制问题,并且先行发展。

所谓“橘生淮南则为橘,生于淮北则为枳”,前苏联解体后,俄罗斯航空发动机发展已经证明,没有放之四海而皆准的发展模式,特别是一些具体行业的发展道路。尽管有如前苏联般强大的航空发动机工业体系,也难经数载折腾与内耗。发动机对于飞机的重要程度,不亚于心脏对于人体。也正因如此,或许可以解释为什么苏联的航空发动机水平始终低于西方,但俄罗斯在当年苏联解体的困境中,却仍然保持一个大体完整的航空发动机工业,并在经济稍有好转后,又继续奋起直追;从技术角度来说,目前俄罗斯政府对于航空发动机工业的要求,也并不是一下就要拿出十全十美的东西,真正的完善应是在定型装备之后,通过一个过程而最终实现,这一点更是尤为值得我们深思。

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