近日在成都突發(fā)了一起飛行事故，一架殲10墜毀在成都；飛行員安全彈射落地。如無意外，這又是一起發(fā)動(dòng)機(jī)故障引起的墜毀。本文解讀殲10系列與各型發(fā)動(dòng)機(jī)之間的歷史糾葛。
一：俄制AL-31F系列發(fā)動(dòng)機(jī)挽救了殲10項(xiàng)目
根據(jù)《中國航空工業(yè)大事記》的記載，殲10的發(fā)動(dòng)機(jī)選型會(huì)議是由航空工業(yè)部科技委于1983年6月9日-16日在北戴河召開的。會(huì)議上提供了三種發(fā)動(dòng)機(jī)備選，分別是渦扇六改、渦噴15、太行發(fā)動(dòng)機(jī)。無記名、加權(quán)平均的投票結(jié)果是航空工業(yè)部決定選擇太行發(fā)動(dòng)機(jī)，但國防科工委當(dāng)時(shí)卻否定了這一結(jié)果，選擇了渦噴15發(fā)動(dòng)機(jī)。
渦噴15發(fā)動(dòng)機(jī)是我國測繪蘇聯(lián)米格23戰(zhàn)斗機(jī)的R-29-300發(fā)動(dòng)機(jī)的型號，雖然推力指標(biāo)很高——與AL31F相同；但是它的重量和尺寸、耗油率都太大，從性能上講是很落后的，這也是它后來被淘汰的原因。科工委選擇渦噴15的唯一理由就是他們認(rèn)為這個(gè)型號較為可靠，換句話說，當(dāng)時(shí)國務(wù)院（科工委是國務(wù)院部門）并不看好渦扇六改和太行發(fā)動(dòng)機(jī)。
至今為止我國所有投入服役的國產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)，沒有一臺是嚴(yán)格意義上完全獨(dú)立研制的。從一型葉片，一個(gè)輪盤開始研制，逐漸組成一級壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子、一級渦輪；再逐步擴(kuò)展級數(shù)成為基本完整的高、低壓氣機(jī)和渦輪組合；繼而組成發(fā)動(dòng)機(jī)的核心機(jī)乃至于完整的燃?xì)獍l(fā)生器進(jìn)行試驗(yàn)，最后由此衍生出型號驗(yàn)證機(jī)，并最終完善成裝備型號——這種事情在中國已公開的航空發(fā)動(dòng)機(jī)中還從未出現(xiàn)過。
這種上游研究的長期欠缺，使我國無法在發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域形成扎實(shí)詳盡的自有理論、試驗(yàn)基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)依據(jù)、手段。在型號研制過程中，研制人員不得不參考各型已有發(fā)動(dòng)機(jī)，采用相似原則縮放設(shè)計(jì)甚或是直接測繪、逆向工程，將不同國家不同型號發(fā)動(dòng)機(jī)的各個(gè)部分進(jìn)行拼湊整合。
正是在這種背景下，渦扇6這個(gè)性能指標(biāo)奇高（12.6噸推力）、研制難度空前的型號從1964年10月開始初步設(shè)計(jì)，卻出現(xiàn)了在1966年便完成全部圖紙，開始試制樣機(jī)的神奇速度。在這種隱患重重的設(shè)計(jì)中，大量部件之間性能匹配與協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)的缺陷又被隱藏在材料與工藝的不足下；數(shù)量嚴(yán)重不足的試制部件和樣機(jī)更是使得這些盤根錯(cuò)節(jié)的故障根除起來極為艱難，窮盡手段仍然不見回天。
我國作為一個(gè)后起的工業(yè)追趕國家，不可否認(rèn)在科研工程、工業(yè)生產(chǎn)中普遍存在很強(qiáng)的功利投機(jī)心態(tài)，往往是只要措施有效，便無所謂機(jī)理不明；這種得過且過的心態(tài)必然在未來發(fā)展中招致巨大的損失。航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制這種結(jié)構(gòu)精密復(fù)雜、工況殘酷惡劣，重量體積控制苛刻的大型工程就是典型，諸多因素環(huán)環(huán)相扣，牽一發(fā)而動(dòng)全身；機(jī)理不清楚下憑借淺薄經(jīng)驗(yàn)和主觀猜測提出的設(shè)計(jì)方案、改進(jìn)措施，其效果如何幾乎只能取決于運(yùn)氣。
渦扇6在1982年下馬的一刻，突然從停滯已有數(shù)年的研發(fā)狀態(tài)中完成了24小時(shí)持久試車拿到了飛行合格證，堪稱人間奇跡。雖然并未裝機(jī)試飛過，但它的實(shí)際水平仍然可以通過后續(xù)的昆侖發(fā)動(dòng)機(jī)看出來。昆侖發(fā)動(dòng)機(jī)的高、低壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)分別來自斯貝和渦噴13發(fā)動(dòng)機(jī)，而燃燒室、渦輪、加力燃燒室等其它結(jié)構(gòu)繼承自渦扇六發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。該款發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性極差，裝機(jī)以后反復(fù)出現(xiàn)燃油滲漏、噴火舌、冒煙等現(xiàn)象；而渦扇六上聲稱最終成功克服的高溫、振動(dòng)、喘振三大毛病，昆侖更是一個(gè)不少，由此引起的試飛墜毀事故最終導(dǎo)致殲八III的下馬。
90年代末期的昆侖尚且如此，80年代初期的渦扇六真實(shí)水平如何，不望而可知。而眾所周知的一點(diǎn)是，太行發(fā)動(dòng)機(jī)正是來自于主持渦扇六、渦噴13發(fā)動(dòng)機(jī)研究的單位；而它完成基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的時(shí)間，也正好在90年代末期以前。殲10在那個(gè)被蘇27和其它諸多因素沖擊得風(fēng)雨飄搖的年代，試飛階段的墜機(jī)事故極有可能就意味著整個(gè)項(xiàng)目的下馬——就像殲八III一樣；在命運(yùn)與歷史的絞纏中，俄羅斯的AL-31F發(fā)動(dòng)機(jī)拯救了殲10項(xiàng)目。
二：俄制AL-31F發(fā)動(dòng)機(jī)系列的潤滑設(shè)計(jì)存在較嚴(yán)重的可靠性缺陷
雖然AL-31F發(fā)動(dòng)機(jī)是蘇聯(lián)研制蘇27時(shí)的配套工程，但嚴(yán)格的說它在當(dāng)時(shí)也并不是一種全新設(shè)計(jì)的產(chǎn)物，而是在AL21渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上參照了大量RD33發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)發(fā)展而來。殲10上裝配的AL-31FN發(fā)動(dòng)機(jī)是針對單發(fā)飛機(jī)安裝要求而推出的一種小改型，主要的改進(jìn)有兩個(gè)：首先是將附件傳動(dòng)箱從發(fā)動(dòng)機(jī)上面轉(zhuǎn)移到下面，但附件傳動(dòng)機(jī)匣的位置仍然不變；其次拆掉了內(nèi)外涵流道的分流隔板。從性能變化上說，AL-31FN的長度少了40mm，重量輕了23公斤，耗油率稍微高了一點(diǎn)；其它都保持不變——包括AL-31F的各種缺陷。
大多數(shù)針對AL-31F發(fā)動(dòng)機(jī)家族缺陷的評論都指向了材料性能較低、工藝落后，或者是涉及性能方面的設(shè)計(jì)過時(shí)：比如該發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件采用的還是定向凝固合金，工作溫度較低；未能采用一體式壓氣機(jī)盤，壓氣機(jī)葉片與輪盤之間居然還采用著強(qiáng)度較低的螺栓連接方式；整體架構(gòu)較為落后，風(fēng)扇和總壓氣機(jī)級數(shù)過高等等。
實(shí)際上這些缺陷固然存在，但影響的主要是和性能有關(guān)的指標(biāo)；包括發(fā)動(dòng)機(jī)的推力大小、使用壽命、發(fā)動(dòng)機(jī)整體重量等等。AL-31F家族最大的可靠性瓶頸來自于它的支承結(jié)構(gòu)和在此基礎(chǔ)上展開的潤滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)。渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)作為一種依靠部件旋轉(zhuǎn)做功的燃機(jī)，它的核心運(yùn)動(dòng)部件包括風(fēng)扇、低壓壓氣機(jī)、高壓壓氣機(jī)、渦輪都安裝在轉(zhuǎn)子上；而轉(zhuǎn)子要把自身載荷傳遞給整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)匣，就要通過支承結(jié)構(gòu)和軸承實(shí)現(xiàn)。
在渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，支撐著轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)的軸承一直處于重載荷（相當(dāng)于7~9.2噸）、高轉(zhuǎn)速、高溫度（可以達(dá)到260度以上）的狀態(tài)下。因此對軸承進(jìn)行大壓力、高流量的潤滑，減小摩擦并帶走熱量降低溫度就成為保障發(fā)動(dòng)機(jī)工作的基礎(chǔ)前提。
一旦軸承得不到充足的潤滑，轉(zhuǎn)動(dòng)阻力會(huì)迅速加大，溫度迅速升高；局部的摩擦熱量會(huì)使摩擦面上出現(xiàn)變形和摩擦顯微焊合、乃至于局部融化，而這些微小的焊點(diǎn)隨之又會(huì)在旋轉(zhuǎn)作用下被撕裂。這種軸承部件之間粘著——撕裂——粘著的循環(huán)發(fā)展到最后，就是軸承喪失旋轉(zhuǎn)精度、最終卡死抱軸，發(fā)動(dòng)機(jī)也必然隨之停車。
在較為落后的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，潤滑系統(tǒng)可靠性不高是普遍現(xiàn)象。比如我軍1985年發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車事故中，發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)故障引起的事故就占43%。美國TF34發(fā)動(dòng)機(jī)在1983年發(fā)生了90次事故，潤滑故障占28%。而AL-31F發(fā)動(dòng)機(jī)由于支承設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，比如它采用了雙中介軸承、四軸承低壓轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)；軸承的潤滑可靠性一直很差，而同期的RD33發(fā)動(dòng)機(jī)則少有此類問題。要徹底解決AL-31F的潤滑可靠性問題難度非常大，因?yàn)橥耆淖冎С性O(shè)計(jì)的話，無異于重新設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)。
在AL-31F的設(shè)計(jì)中，發(fā)動(dòng)機(jī)降轉(zhuǎn)是潤滑系統(tǒng)壓力過低以后的保護(hù)動(dòng)作；因此一旦出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)降轉(zhuǎn)警報(bào)，就意味著AL-31FN發(fā)動(dòng)機(jī)的軸系潤滑已經(jīng)嚴(yán)重不足，空中停車就會(huì)很快到來。比如中央電視臺重點(diǎn)報(bào)道過的李峰駕駛無動(dòng)力殲10迫降事跡中，李峰第一次接到發(fā)動(dòng)機(jī)降轉(zhuǎn)報(bào)警后立刻開始返場；在這個(gè)過程中他在保持必要飛行高度的前提下將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制到最低，以延緩發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車。當(dāng)距離機(jī)場6公里時(shí)，出現(xiàn)第二次發(fā)動(dòng)機(jī)降轉(zhuǎn)警報(bào)；到3.8公里時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)就徹底停車
排除本次尚未得出結(jié)論的事故以外，殲10自研制以來所有的墜毀事故中，除了一次是由于飛行員云間錯(cuò)覺引起外，全部是由于發(fā)動(dòng)機(jī)問題導(dǎo)致的。根據(jù)海軍發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)的公開文獻(xiàn)，我國曾經(jīng)多次就AL-31F系列發(fā)動(dòng)機(jī)的潤滑缺陷問題咨詢俄羅斯的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)單位。而俄方表示他們進(jìn)行過設(shè)計(jì)方面的改進(jìn)，但受資金的限制未開展試驗(yàn)驗(yàn)證，也無法給出從設(shè)計(jì)原理上解決故障的措施。
說到底，俄羅斯人對于AL-31F系列發(fā)動(dòng)機(jī)的潤滑缺陷就是兩個(gè)態(tài)度：我自己不那么在乎，湊合就行了；你想改進(jìn)，先拿錢來。這其中的關(guān)鍵原因之一，就是AL-31F的可靠性問題在殲10這樣的單發(fā)高性能戰(zhàn)斗機(jī)上比較突出，但在蘇27平臺上的影響卻要小得多得多。
三：殲10對發(fā)動(dòng)機(jī)帶來的要求苛刻，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出AL-31F設(shè)計(jì)預(yù)想
和蘇27相比，殲10平臺的不同除了單發(fā)動(dòng)機(jī)以外，這種后期型三代機(jī)還異常的強(qiáng)調(diào)高敏捷飛行。高敏捷飛行的內(nèi)容有很多，但通俗的解釋起來就是通過允許、鼓勵(lì)飛行員進(jìn)行更粗暴、更狂野、更猛烈的極端性操縱，把飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性發(fā)揮到極限。
比如在進(jìn)入、退出大過載狀態(tài)方面，高敏捷飛機(jī)的速率就要大得多——早期三代機(jī)需要3-4秒才能從平飛狀態(tài)進(jìn)入到極限機(jī)動(dòng)狀態(tài)，或者從極限機(jī)動(dòng)狀態(tài)退出，而高敏捷飛機(jī)只需要2秒甚至更短。F14、F15、蘇27這樣的早期三代機(jī)滾轉(zhuǎn)性能都比較差，而殲10這樣的飛機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)上不僅最大滾轉(zhuǎn)速度要達(dá)到270~300度/秒這樣的人體耐受極限；而且尤其強(qiáng)調(diào)在最短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大滾轉(zhuǎn)速度并急劇退出的能力。
這種設(shè)計(jì)對飛機(jī)的氣動(dòng)、控制和結(jié)構(gòu)都有著很苛刻的要求。主持殲10試飛工作的周自全就曾經(jīng)在闡述結(jié)構(gòu)試飛工作時(shí)評論：“與縱向階躍操作一樣急劇滾轉(zhuǎn)加上急劇制動(dòng)是對飛機(jī)結(jié)構(gòu)最嚴(yán)格的考驗(yàn)”。這樣的評價(jià)又何嘗不適用于發(fā)動(dòng)機(jī)，然而正是在這一方面，AL-31F表現(xiàn)是不合格的，尤其是在殲10平臺上。
在發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命標(biāo)準(zhǔn)中，時(shí)間其實(shí)是一個(gè)很寬松的標(biāo)準(zhǔn)，真正的要害在于使用強(qiáng)度。比如美國F100發(fā)動(dòng)機(jī)最初服役時(shí)突然爆發(fā)的大面積故障，以至于引起F15群體趴窩，就是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際使用中的強(qiáng)度遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)者的預(yù)想。F15飛行員在高機(jī)動(dòng)飛行中反復(fù)的頻繁推拉油門桿，使發(fā)動(dòng)機(jī)在各種過載變化、惡劣進(jìn)氣條件下的轉(zhuǎn)速和溫度都處于反復(fù)的劇烈變化中；使發(fā)動(dòng)機(jī)部件承受的多變應(yīng)力循環(huán)數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)十倍。
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