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中国追赶F-22战斗机发动机推力的荆棘之路，被忽悠了三十年
前言：众所周知，航空发动机一直是中国航空工业发展的瓶颈。多年来，歼-7、歼-8、歼-10、歼轰-7、轰-6、运-8、直-9等各型飞机所使用的航空发动机，几乎全部依赖于仿制和外购。直到2005年，经过27年的研发，中国才成功定型了“涡扇-10”发动机。回顾这段漫长的历程，涡扇-10的研制过程中经历了无数的挑战与困境。
一：起步的困难
长期以来，中国航空工业对发动机的重要性认识不足，未能深刻理解其在飞机整体性能中的核心地位和研发难度。从问题频出的涡喷-7发动机，到后来不得不撤下的涡喷-14发动机，一系列技术困境使得许多自主研发的战机屡次因发动机问题而推迟。面对军方的质疑与压力，中国航空工业被迫走上了引进仿制的道路。1970年代，英国的斯贝MK202发动机被引进，但由于装机对象问题，该项目最终被迫中止。到研发歼轰-7时，国产发动机仍未完成，最终不得不进口英国的二手退役发动机。到了1980年代，美国通用电气公司向中国推荐了F404涡扇发动机，而普惠公司则推荐了他们的PW1120涡喷发动机。F404涡扇发动机曾装备在F/A-18战斗机上，是一款非常出色的发动机。
然而，由于中国航空工业对F404涡扇发动机并不熟悉，无法准确评估其优劣，设计人员在价格之外，并不清楚这两款发动机到底谁更为优秀。最终，通用电气公司凭借其提供的详尽数据和对项目的热情支持，成功赢得了合同。1987年，成飞决定亲赴美国，亲眼查看F404发动机的实物。在实地考察后，成飞对这款发动机的精致工艺和小巧外形感到惊叹。F404涡扇发动机重量仅为1050公斤，直径只有89厘米，推重比高达8，而涡喷-7发动机不仅在重量和直径上更为庞大，推重比却仅为5。然而，尽管成飞对F404发动机赞不绝口，最终并未选择购买。成飞作为飞机设计单位，对发动机并不十分精通，且F404发动机的价格过于昂贵，距离中国又太远。
在1986年歼-10战斗机立项时，面临的发动机选择只有涡喷-15、“斯贝”、910型改进型以及“太行”四个方案，其中最为成熟的是仿制米格-23战斗机使用的P-29-300发动机。这款涡喷发动机推力勉强能够满足要求，但燃油消耗过高，航程无法达到标准。“太行”发动机则是在美制CFM56-3涡扇发动机核心机的基础上进行改进，架构上比F110-GE-129发动机更加先进。在对技术成熟度、研发风险、预算和研发周期的全面评估后，中航工业最终选择了自主研发“涡扇-10”发动机。然而，理想与现实之间的差距非常大。对于技术尚不成熟的中国航空工业而言，要在短时间内研制出一款先进的航空发动机，困难重重。直到2002年，涡喷-14“昆仑”涡喷发动机的研制成功，才终于走出了这一困境。
二：荆棘之路
“涡扇-10”发动机在立项时的目标是制造2台验证机、15台原型机，并进行20台压气机的试车工作。1998年完成了初步装机试飞，2000年设计定型。然而，直到1993年才制造出验证机，并经历了长达12年的地面试车。由于考虑到空军的紧急需求，设计过程较为仓促，导致发动机材料未能达标，设计也存在一些缺陷。期间发生了超过200项技术问题和故障，包括高压压气机四级盘破裂、叶片强度不足、喷零件异常、“突停”故障、“怪响”现象、滑油管裂缝等。几次重大事故的发生让研发进程几乎陷入停滞，直到1998年才完成装机测试。2004年7月1日，606所召开了千人誓师大会，提出年底前必须完成“涡扇-10”发动机的定型任务，但就在7月20日，发动机又出现了“突停”问题。
2004年8月，负责科技工作的副总理视察后不久发生了“发动机卷死人”的重大恶性事故，揭露了606所和黎明厂在质量管理、工作作风以及人员素质方面的严重问题。正是这些问题导致了接二连三的故障、事故和特殊情况，从而使得项目进度一拖再拖。上级部门随后发布了“整风”命令，航空工业一集团派出副总经理亲自坐镇，明确表示：“不改变思想，就换人。”并调动一切资源确保按时完成定型任务。如果未能按期通过考核，项目将被迫中止。为了避免型号停滞，606所降低了性能、耐久性和可靠性等指标，并承诺在短短的百天内交付发动机。2005年初，发动机成功通过了“考核”，但“考核”之后，依然存在不少技术问题。于是，2005年3月，606所再次召开了誓师签字大会，这是国家给与的最后一次机会。
幸运的是，2005年11月，终于完成了“长久初始寿命试车”，但作为配套的歼-10战斗机早在1996年就已开始试飞。显然，“涡扇-10”进度滞后，无法满足急迫的需求。面对严峻形势，高层基本放弃了在歼-10A战斗机上使用“太行”发动机的想法，决定采用一种成熟的发动机。早在1992年，中国便与苏联留里卡-土星发动机设计局接触，并为苏-27战斗机研制了AL-31F加力式涡扇发动机。该发动机的技术指标远远超过了国内所有其他发动机。中国在引进苏-27SK战斗机生产线时，也希望能够在未来自行生产类似的发动机。由于苏联的航空发动机设计与制造能力不及美国，为了满足苏-27战斗机的性能要求，留里卡-土星设计局不得不在某些方面妥协，放弃了发动机的寿命、可维护性和可靠性，以追求更大的推力。
尽管花费了近十年时间才勉强达到了军方对推力的要求，但AL-31F发动机仍然无法与F-15战斗机的发动机匹敌。为此，留里卡-土星设计局重新开始设计，放弃了现有的设计、材料和工艺。新的设计中，高压和低压涡轮都被改为单级结构，高压压气机的级数减少至9级，总级数从20级缩减到15级，发动机重量减轻至1520千克。虽然从理论上来看，这种改变让发动机实现了质的飞跃，但激进的技术超出了苏联工业的制造能力，导致发动机在工作60至70小时后就会报废。为了避免这一问题，设计局不得不加强结构，尽管故障发生率有所减少，但重量却又增加了150千克，必须重新解决超重问题，同时还需要解决涡轮叶片的冷却问题。经过57台试验发动机的22000多小时试验后，AL-31F终于在1985年完成研制。中国最终选择了AL-31F作为歼-10A战斗机的发动机。
三：追赶F-22战斗机发动机
AL-31F发动机专为双发动机战斗机设计，因此没有用于单发战斗机的经验。为了满足苏-27战斗机的严格要求，外置飞机附件机匣的设计变得尤为重要。最初为了便于维护，附件机匣设计成下置，但苏-27的结构不适合这一设计，最后不得不改为上置机匣。中国与留里卡-土星发动机设计局协调后，最终选择了AL-31FN发动机，采用了下部附件机匣。该款发动机的军用推力为7.77吨，最大加力推力可达12.5吨，耗油量为0.78kg，进气流量为112千克每秒，风扇直径为905毫米。中国共引进了300台AL-31FN发动机，其中首批54台在2001-2002年交付。除了为40架歼-10A战斗机预留的设备外，2004年又投资3亿美元购买了100台AL-31FN-M型发动机，2007至2010年间再进口150台，最终全部装备了歼-10A战斗机。
早期，歼-11A战斗机仍然使用AL-31F发动机。考虑到双发动机战斗机的安全性，空军决定为国产歼-11B战斗机配备“涡扇-10A”发动机。然而，在0004号原型机进行试飞时，出现了风扇叶片断裂的事故。因此，首批歼-11B战斗机不得不临时改装为进口的AL-31F发动机。直到研发单位弄清楚是设计问题还是生产工艺不达标之前，第二批歼-11B战斗机没有合适的发动机。为了解决问题，研发团队组织了专项攻关小组，逐项排查问题。从设计到制造工艺几乎重新走了一遍研发流程，直到2011年才将发动机的性能稳定下来。到了2014年，歼-20、歼-16、歼-10B战斗机以及歼-15舰载战斗机都取得了相应进展，但“涡扇-10A”发动机已经无法满足大规模生产的需求。
歼-15舰载战斗机采用了下置机匣的发动机设计，但由于俄罗斯不满中国仿制歼-11B战斗机，拒绝将AL-31FN-M型发动机提供给任何国产苏系战机。中国空军的主力项目——歼-16战斗机在使用“涡扇-10A”发动机进行试飞时暴露出了潜在隐患，因此交付时间被大幅延迟，追回进度成为一大挑战。最终，经总参谋部协调，空军决定将原本为歼-10B战斗机准备的AL-31F-MN1发动机转配给歼-15舰载战斗机。AL-31F-MN1是AL-31FN的升级版，推力提高到8.25吨，加力推力增至13.5吨。经过改装后，歼-10B的最大起飞重量增加了1吨，远超歼-10A战斗机。
作为交换，海军将原本为SU-30MKK2战斗机备份的AL-31F发动机提供给歼-16战斗机使用。唯一的损失是，歼-10B战斗机的首批交付延迟了半年。通过这一妥协，空军获得了大量“涡扇-10A”发动机的批量生产时间。2014年，涡扇-10B发动机首次公开亮相，其可靠性和使用寿命得到了大幅提升。风扇流量、压气机压比、空气压缩效率以及燃烧室燃烧效率等多个方面进行了技术改进，解决了可靠性不足和动力不够强劲的问题。最大推力从12.5吨提升至13.5吨。到2017年，中国彻底掌握了推重比为8的小涵道比涡扇发动机的设计制造技术，歼-20战斗机也开始逐步放弃原先使用的AL-31F发动机，换装涡扇-10B发动机。然而，尽管推力有所提升，最大推力仅增加约0.5吨，依然面临“马拉大车”的问题。
美国空军公布的F-22战斗机F119-PW-100发动机的推重比为10，从推力和推重比的角度来看，涡扇-10B发动机仍然落后于F-22。这意味着歼-20战斗机在超机动性和超音速巡航等关键技术指标上，可能无法与F-22相抗衡。因此，歼-20战斗机所使用的发动机推重比至少需要达到9，理想情况下应达到10以上。幸运的是，中国在研制涡扇-10B发动机时，已经掌握了高效的宽弦叶片、三维粘性叶轮机设计、整体叶盘结构的风扇和压气机、单晶气冷涡轮叶片、粉末冶金涡轮盘、刷式封严、树脂基复合材料外涵机匣等一系列技术。2011年，黎明发动机公司成功制造了涡扇-15发动机的首台样机。
四：总结
2023年，经过长达12年的努力，歼-20战斗机终于装备上了推重比达到10的涡扇-15发动机，达到了与F-22战斗机相当的标准。然而，直到2025年，美国才曝光F119—PW-100发动机的真实推重比与AL-31F发动机相似，这使得中国才意识到在过去三十年中曾受到误导。这三十年来，中国航空工业在不断追赶世界航空强国的过程中，攻克了无数看似无法突破的技术难题，迅速缩短了与全球航空技术的差距。如今，中国已经进入六代机的研发阶段，步入了高速发展的轨道，六代机的飞行速度将达到马赫数3-5，因此对更强大发动机的需求迫在眉睫。虽然涡扇发动机的推力已达到极限，六代机的动力系统究竟有多强尚不可知，但可以肯定的是，它将是独具创新的专利技术。