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)動機故障引起的墜毀。本文解讀殲10系列與各型發(fā)動機之間的歷史糾葛。
一：俄制AL-31F系列發(fā)動機挽救了殲10項目
根據(jù)《中國航空工業(yè)大事記》的記載，殲10的發(fā)動機選型會議是由航空工業(yè)部科技委于1983年6月9日-16日在北戴河召開的。會議上提供了三種發(fā)動機備選，分別是渦扇六改、渦噴15、太行發(fā)動機。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)動機，但國防科工委當(dāng)時卻否定了這一結(jié)果，選擇了渦噴15發(fā)動機。
渦噴15發(fā)動機是我國測繪蘇聯(lián)米格23戰(zhàn)斗機的R-29-300發(fā)動機的型號，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)為這個型號較為可靠，換句話說，當(dāng)時國務(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)動機。
至今為止我國所有投入服役的國產(chǎn)航空發(fā)動機，沒有一臺是嚴(yán)格意義上完全獨立研制的。從一型葉片，一個輪盤開始研制，逐漸組成一級壓氣機轉(zhuǎn)子、一級渦輪；再逐步擴展級數(shù)成為基本完整的高、低壓氣機和渦輪組合；繼而組成發(fā)動機的核心機乃至于完整的燃?xì)獍l(fā)生器進行試驗，最后由此衍生出型號驗證機，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)動機中還從未出現(xiàn)過。
這種上游研究的長期欠缺，使我國無法在發(fā)動機領(lǐng)域形成扎實詳盡的自有理論、試驗基礎(chǔ)和設(shè)計依據(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)動機，采用相似原則縮放設(shè)計甚或是直接測繪、逆向工程，將不同國家不同型號發(fā)動機的各個部分進行拼湊整合。
正是在這種背景下，渦扇6這個性能指標(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，卻出現(xiàn)了在1966年便完成全部圖紙，開始試制樣機的神奇速度。在這種隱患重重的設(shè)計中，大量部件之間性能匹配與協(xié)調(diào)運轉(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更是使得這些盤根錯節(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)中普遍存在很強的功利投機心態(tài)，往往是只要措施有效，便無所謂機理不明；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)動機研制這種結(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)而動全身；機理不清楚下憑借淺薄經(jīng)驗和主觀猜測提出的設(shè)計方案、改進措施，其效果如何幾乎只能取決于運氣。
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小時持久試車拿到了飛行合格證，堪稱人間奇跡。雖然并未裝機試飛過，但它的實際水平仍然可以通過后續(xù)的昆侖發(fā)動機看出來。昆侖發(fā)動機的高、低壓氣機結(jié)構(gòu)分別來自斯貝和渦噴13發(fā)動機，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)動機設(shè)計。該款發(fā)動機可靠性極差，裝機以后反復(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、喘振三大毛病，昆侖更是一個不少，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水平如何，不望而可知。而眾所周知的一點是，太行發(fā)動機正是來自于主持渦扇六、渦噴13發(fā)動機研究的單位；而它完成基礎(chǔ)設(shè)計的時間，也正好在90年代末期以前。殲10在那個被蘇27和其它諸多因素沖擊得風(fēng)雨飄搖的年代，試飛階段的墜機事故極有可能就意味著整個項目的下馬——就像殲八III一樣；在命運與歷史的絞纏中，俄羅斯的AL-31F發(fā)動機拯救了殲10項目。
二：俄制AL-31F發(fā)動機系列的潤滑設(shè)計存在較嚴(yán)重的可靠性缺陷
雖然AL-31F發(fā)動機是蘇聯(lián)研制蘇27時的配套工程，但嚴(yán)格的說它在當(dāng)時也并不是一種全新設(shè)計的產(chǎn)物，而是在AL21渦噴發(fā)動機的基礎(chǔ)上參照了大量RD33發(fā)動機設(shè)計發(fā)展而來。殲10上裝配的AL-31FN發(fā)動機是針對單發(fā)飛機安裝要求而推出的一種小改型，主要的改進有兩個：首先是將附件傳動箱從發(fā)動機上面轉(zhuǎn)移到下面，但附件傳動機匣的位置仍然不變；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；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)動機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)計過時：比如該發(fā)動機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盤，壓氣機葉片與輪盤之間居然還采用著強度較低的螺栓連接方式；整體架構(gòu)較為落后，風(fēng)扇和總壓氣機級數(shù)過高等等。
實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)動機的推力大小、使用壽命、發(fā)動機整體重量等等。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。渦扇發(fā)動機作為一種依靠部件旋轉(zhuǎn)做功的燃機，它的核心運動部件包括風(fēng)扇、低壓壓氣機、高壓壓氣機、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發(fā)動機匣，就要通過支承結(jié)構(gòu)和軸承實現(xiàn)。
在渦扇發(fā)動機的運轉(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)動機工作的基礎(chǔ)前提。
一旦軸承得不到充足的潤滑，轉(zhuǎn)動阻力會迅速加大，溫度迅速升高；局部的摩擦熱量會使摩擦面上出現(xiàn)變形和摩擦顯微焊合、乃至于局部融化，而這些微小的焊點隨之又會在旋轉(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)動機也必然隨之停車。
在較為落后的發(fā)動機設(shè)計中，潤滑系統(tǒng)可靠性不高是普遍現(xiàn)象。比如我軍1985年發(fā)動機空中停車事故中，發(fā)動機潤滑系統(tǒng)故障引起的事故就占43%。美國TF34發(fā)動機在1983年發(fā)生了90次事故，潤滑故障占28%。而AL-31F發(fā)動機由于支承設(shè)計較為復(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；軸承的潤滑可靠性一直很差，而同期的RD33發(fā)動機則少有此類問題。要徹底解決AL-31F的潤滑可靠性問題難度非常大，因為完全改變支承設(shè)計的話，無異于重新設(shè)計發(fā)動機。
在AL-31F的設(shè)計中，發(fā)動機降轉(zhuǎn)是潤滑系統(tǒng)壓力過低以后的保護動作；因此一旦出現(xiàn)發(fā)動機降轉(zhuǎn)警報，就意味著AL-31FN發(fā)動機的軸系潤滑已經(jīng)嚴(yán)重不足，空中停車就會很快到來。比如中央電視臺重點報道過的李峰駕駛無動力殲10迫降事跡中，李峰第一次接到發(fā)動機降轉(zhuǎn)報警后立刻開始返場；在這個過程中他在保持必要飛行高度的前提下將發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制到最低，以延緩發(fā)動機空中停車。當(dāng)距離機場6公里時，出現(xiàn)第二次發(fā)動機降轉(zhuǎn)警報；到3.8公里時，發(fā)動機就徹底停車
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覺引起外，全部是由于發(fā)動機問題導(dǎo)致的。根據(jù)海軍發(fā)動機專業(yè)的公開文獻，我國曾經(jīng)多次就AL-31F系列發(fā)動機的潤滑缺陷問題咨詢俄羅斯的設(shè)計和生產(chǎn)單位。而俄方表示他們進行過設(shè)計方面的改進，但受資金的限制未開展試驗驗證，也無法給出從設(shè)計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)動機的潤滑缺陷就是兩個態(tài)度：我自己不那么在乎，湊合就行了；你想改進，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)動機帶來的要求苛刻，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出AL-31F設(shè)計預(yù)想
和蘇27相比，殲10平臺的不同除了單發(fā)動機以外，這種后期型三代機還異常的強調(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、鼓勵飛行員進行更粗暴、更狂野、更猛烈的極端性操縱，把飛機的機動性發(fā)揮到極限。
比如在進入、退出大過載狀態(tài)方面，高敏捷飛機的速率就要大得多——早期三代機需要3-4秒才能從平飛狀態(tài)進入到極限機動狀態(tài)，或者從極限機動狀態(tài)退出，而高敏捷飛機只需要2秒甚至更短。F14、F15、蘇27這樣的早期三代機滾轉(zhuǎn)性能都比較差，而殲10這樣的飛機設(shè)計指標(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；而且尤其強調(diào)在最短的時間內(nèi)達(dá)到最大滾轉(zhuǎn)速度并急劇退出的能力。
這種設(shè)計對飛機的氣動、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)試飛工作時評論：“與縱向階躍操作一樣急劇滾轉(zhuǎn)加上急劇制動是對飛機結(jié)構(gòu)最嚴(yán)格的考驗”。這樣的評價又何嘗不適用于發(fā)動機，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)動機的壽命標(biāo)準(zhǔn)中，時間其實是一個很寬松的標(biāo)準(zhǔn)，真正的要害在于使用強度。比如美國F100發(fā)動機最初服役時突然爆發(fā)的大面積故障，以至于引起F15群體趴窩，就是因為發(fā)動機在實際使用中的強度遠(yuǎn)超過設(shè)計者的預(yù)想。F15飛行員在高機動飛行中反復(fù)的頻繁推拉油門桿，使發(fā)動機在各種過載變化、惡劣進氣條件下的轉(zhuǎn)速和溫度都處于反復(fù)的劇烈變化中；使發(fā)動機部件承受的多變應(yīng)力循環(huán)數(shù)達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)十倍。
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