自主与仿制,未来的动力 苏俄第一代主要涡喷发动机发展史简谈


        如果有人提起今天的航空发动机强国,大家不约而同想到美国,或者补充句俄罗斯。经过六十多年的发展,俄罗斯成为了世界上唯一可以和美国并驾齐驱的世界航空发动机强国。在八十年代巅峰时期,苏联占据了全球市场里的25%民用飞机和45%的军用飞机;而美国现今已经在燃气涡轮发动机技术上,达到了一个别的国家难以企及的高度。但我们也不能忘记,在喷气发动机这一领域,是德国的一位刚刚毕业的大学生和英国一位空军军官作为开创和诞生者,美/苏同时也是德/英技术的受益者

图为弗兰克·惠特尔爵士,下图为汉斯·冯·奥海因博士他们被誉为“喷气发动机之父”


在二战结束后,美国发起“回形针行动”,旨在将在西欧和中欧搜寻德国火箭及喷气机发动机,以及从事这行业的科学家与工程师,包括奥海因本人在内,带回美国。但后来美国发现,在轴流式压气机等领域,美国工程师对其的理解已经超越了德国工程师

       相比于德/英,苏/美也在二战前开始了关于涡轮喷气的设计和研究(这里是苏联专场,不会过多谈美国)。早在1937年开始,留里卡开始了对涡喷发动机的探索研究工作,提出了采用离心式压气机的涡喷发动机方案RTD-1和轴流式压气机方案RD-1。两年后,以留里卡为总设计师的团队拿出了苏联第一台涡喷发动机RD-1样机。但随着德国入侵苏联的开始,德军逐渐逼近了列宁格勒。留里卡只得终止了RD-1的研制工作,此时装配工作已完成70%,燃烧室和涡轮已经开始台架实验,无疑是一个巨大的遗憾。这也使得留里卡并没有像英国的惠特尔以及德国的奥海因得到“喷气发动机之父”殊荣的一个重要原因

阿基普·留里卡(A.M.留里卡),苏联喷气发动机奠基人

       在留里卡之前,苏联就已有关于喷气发动机的研究,且历史久远,可以追溯到十九世纪末到二十世纪初这一段时间,К.Э.齐奥尔科夫斯基(火箭之父)就和Ф.А.灿德尔研究并提出了一系列喷气推进和设计原理。尽管被认为是火箭推进的原理,但实际上也是喷气推进的原理(从某种意义来说,喷气发动机可以看作使用空气作为液化剂的液体火箭发动机)。二十世纪二十年代末,俄国科学家В.И.巴扎罗夫提出了把进入燃烧室的气流分成两股,这个方法至今仍在所有的喷气发动机上得到应用。Г.И.卓季可夫在《内燃涡轮问题》一书中提出等压燃烧理论;而В.В.乌瓦罗夫在《燃气涡轮》专著上系统的论述了涡轮工作原理,这是同时期涡轮研究领域最权威的理论,在四十年代中所做研究也为提高涡轮效率、进一步改进三维流动和涡轮流道造型的计算方法奠定了基础。这些研究成果,为后来苏联发展涡喷发动机的研制提供了坚实的理论基础

       随着喷气发动机在英/德的诞生,喷气推进的新纪元和航空事业的新世纪拉开了序幕,苏联提出的涡喷发动机方案也是非常重要的业绩(不过美国各方面有利条件,后面发展显然比苏联的脚步要快,也比两个创始国的研究更为深入)。二次世界大战后,留里卡、米库林、克里莫夫、库兹涅佐夫、索罗维耶夫和他们的继承者图曼斯基、伊索托夫等领导的发动机设计局,继续着开展涡喷/涡扇发动机的研制工作,且成果斐然,目前已经进入了第六代航空发动机的预研(目前来说,俄罗斯和老美抗衡的某些资本还是有些的,只是底气没以前足了)

              航空的新未来在于喷气而不是螺旋桨

        很多人对梅塞斯密特热水器的荣誉产品—ME262着迷,尤其是同时期沉迷在螺旋桨的各国空军。 至于ME262大规模服役究竟可以改变德国空军末路的方向,这是一个可以永远争论下去的话题。但为什么各国空军为此着迷呢?到了第二次世界大战后期,活塞发动机飞机速度其实已经撞上了极限。活塞发动机通过螺旋桨产生拉力,螺旋桨转速越高,尺寸越大,拉力同样就越大。但在桨叶尖端线速度达到声速的时候,阻力急剧增加,所以螺旋桨的转速是有所限制的;而螺旋桨尺寸增大,迎风阻力随之增大,桨叶尖端的线速度随之增大,带来的同样是对螺旋桨尺寸的限制,速度最终收到限制。而喷气发动机通过喷气直接产生推力,发动机迎风阻力小,喷气速度也不受声速的限制。和已经受物理极限所困的活塞发动机相比,喷气更加代表未来的航空动力

       同样,苏联从1944年开始就对德国传来的关于喷气式战斗机的情报越来越有兴趣,而且情报也越来越得到证实。不管是在同年一月俘虏了在德国亨克尔飞机工厂工作的弗兰克·恩伯隆工程师,还是柯切托夫被派去在美国研讨P-39战斗机技术问题时“瞥”见过美国第一架“没有螺旋桨的飞机”—贝尔P-59(实际上柯切托夫后面被邀请观摩P-59的试飞的整个过程。只是为了增加神秘感,有些文章和杂志并未提到过这一点),都表明了不管轴心国还是同盟国都已经开始试飞甚至批量生产了自家研制的喷气式发动机和飞机

                                自主与仿制并行

       在撤出列宁格勒不久后,留里卡就于1942年8月受命在乌拉尔山脉的斯维尔德洛夫斯克组建涡轮喷气发动机的设计团队。随后RD-1发动机的一部分以及图样从被包围的列宁格勒转移到莫斯科的CIAM(中央航空发动机研究院),1943年春留里卡和他的团队被调回莫斯科CIAM,组建喷气式发动机研究部门。当苏联当局通过上述情报后对喷气发动机的发展感到紧迫感后,苏联航空工业部于1944年2月开始组建第一科学研究所(NII-1),将所有研制涡轮喷气发动机、脉冲喷气发动机、冲压喷气发动机、液体和固体火箭发动机的人马统统归到NII-1,而留里卡负责关于涡轮喷气发动机的部门(值得一提的是,格鲁什科、杜什金等科学家则受命研制火箭发动机,苏联当局在喷气推进的问题上有不同的意见还是双管齐下,各有各的争论)


TR-1

      (推力约为12.7千牛,推重比可达1.5,同时是苏联自行设计的第一款定型投产涡喷发动机,主要装备苏-11、伊-211、伊尔-22(试验轰炸机))

伊尔-22,TR-1在此飞机上的动力被限制为9.212千牛,为了提高可靠性。(如果有人说像是阿拉多234改型,我也不好评价,毕竟苏联前期仿制东西也是把好手,多少有点影子也是很正常的,不过就建了一架原型机)

        留里卡此时发现,几年一过,从列宁格勒带过来关于RD-1发动机资料的已经过时了,只得1945年在RD-1的基础上研制新的发动机—S-18(后来的AL系列发动机的原型机),最大推力为12.25千牛的涡喷发动机。在这过程中,发动机的一系列附件都直接侧仿缴获的德国Jumo-004发动机,并且随后开始对加工完成的5台S-18进行调试,但一直没有完成。后来在此基础上,留里卡的团队利用缴获的德国涡喷发动机的生产工艺以及研制S-18的研制经验,留里卡设计局拿出了TR-1涡喷发动机(此时德国已经战败,苏联将位于德国的许多发动机企业和许多航空工程师带回苏联,协助苏联工程师研发新型飞机和发动机,也使得苏联人尽早全面接触和摸透了BMW-003和Jumo-004发动机的奥秘)

S-18局部剖视图

       1946年,以S-18的基础上研制的TR-1在台架实验中得到12.642千牛的最大推力,设计推力为14.7千牛,寿命为20个小时。采用直流式布局;环形燃烧室(燃油经离心喷嘴供油,燃烧过程中燃气温度不可超过776.85度);单级涡轮;叶片无内部冷却;耗油率为1.33kg/(daN·h),低于仿制德国的涡喷发动机RD-10和RD-20。在第1947年2月份进行了国家鉴定试验,1947年5~12月该发动机在苏-11等三架试验飞机上进行了试飞,同年开始批量生产。TR-1在同时期属于大推力的涡喷发动机,在自主和仿制的路上一起进行,通过消化吸收了德国缴获得来的BMW-003和Jumo-004,以及后来从英国购得的尼恩和德温特发动机里的先进技术,转化为自己创新的源泉,称得上是苏联为紧跟世界航空推进技术发展迈出的重要一步

TR-1局部剖视图。TR-1原型可靠性非常差。有提高可靠性将设计推力从14.7千牛降为12.642千牛的推力的改型TR-1A。有将推力从12.642千牛提高到19.6千牛的改型TR-2,但只通过台架实验。同时也有同时期最大的发动机之一的TR-3A(AL-5),推力达到49.98千牛,且可靠性大幅提高。在伊尔-46飞机上通过飞行试验和国家鉴定测试后进行了小批量生产,以作为伊尔-46和拉-190飞机的动力来源

     

VK-1

       (推力约为26.46千牛,推重比可达3.1,采用离心式压气机,主要装备米格-15/17,伊尔-28)

从CV-32(莱特)号航母上起飞的F9F(黑豹)对中国飞行员驾驶的米格-15发射炮弹,该图片为F9F上的记录射击效果的小型摄影机(照相枪)所拍下

        为了摆脱喷气式飞机初期研制的落后局面,1945年12月,苏共中央和苏联政府决定采取紧急措施加强新型飞机、发动机和机载设备的研制。同年位于乌法的26号厂,在В.Я.克里莫夫和Н.Д库兹涅佐夫的领导下,仿照德国Jumo-004发动机研制了RD-10发动机; 而位于喀山的16号工厂,在С.Д.科洛索夫的领导下,仿照德国BMW-003A发动机研制了RD-20发动机。1946年4月的同一天,这两款发动机配装在雅克-15和米格-9上,在土希诺机场完成了飞行实验,标志着苏联喷气式飞机研制的成功

        但从苏联开始仿制德国发动机开始,当局就明白这样仿制只是一个暂时的措施。德国设计的工艺水平要求太高,且在德国备件耗尽后,苏联当时的工艺水平不足以在大批制造中保证仿制的质量。缴获的德国技术也无法能够解决苏联喷气发动机的瓶颈,仿制德国发动机的RD-10(Jumo-004仿制品)和RD-20(BMW-003仿制品)结构也迅速老化,质量都不怎么高。同样拖了各大设计局继续研制喷气式飞机的后腿

        克里莫夫此时于1946年初开始了对VK-1的研制,之前通过得到国外与“尼恩”相关的国外公开杂志的简单介绍、照片以及一张剖面图。以此为参考,最终确立以罗尔斯·罗伊斯的“尼恩”发动机为蓝本的VK-1发动机。但只靠这些杂志上的简单介绍和自身的经验来研发VK-1是很吃力的,这同样导致了VK-1发动机在1946年初研制进展十分缓慢。而更加令克里莫夫吃力的是,VK-1的设计推力还要比“尼恩”高百分之二十左右

罗尔斯·罗伊斯公司产品:“尼恩”型发动机

        1946年4月6日,克鲁尼采夫(时任苏联航空工业部部长)和雅克福列夫(时任“雅克”系列飞机总设计师。在关于仿制的问题上,正确的指出了单纯的仿制只会扼杀苏联自己的设计。而他本人也善于在政治上站队,他的话也被苏联高层认同)在克里姆林宫召开的会议上向斯大林提出引进英国的先进喷气发动机,也就是日后的“尼恩”和“德温特”。斯大林不相信英国人会出售自己的先进喷气发动机,名句出来了:“哪个糊涂蛋会卖给我们这样的机密?”

          你好,有的”

        但斯大林随后仍然让米高扬,克里莫夫和基什金为主的苏联代表团前往英国,试图和英国政府商讨采购当时属于世界最先进的“尼恩”发动机和推力较小但尺寸也小的“德温特”发动机。新上任的工党为了保持与苏联的外交关系,加上罗尔斯·罗伊斯公司对这门交易的中立态度(战后罗尔斯·罗伊斯的发动机成交量持续下滑,交易额也随之下跌。尽管中间英国皇家空军不认同此交易,但罗尔斯·罗伊斯仍然保持中立态度,听从政府的意见)。克列门特·艾特里为首的工党政府最终允许罗尔斯·罗伊斯公司向苏联出口总共四十台的“尼恩I型”“尼恩II型”和“德温特-V”发动机。1946年9月十台“尼恩”销售合同达成后,当时最先进的离心式涡喷发动机就这样落在苏联手中。至于罗尔斯·罗伊斯公司后来索要2.07亿英镑的专利费,直到罗尔斯·罗伊斯公司破产被英国政府收购都没能拿到这笔专利费(但后来通过RB211系列三转子涡扇发动机的成功,罗尔斯·罗伊斯公司还是回到了私有制发展的路上)。而在1945年12月的会议上,苏共中央和苏联政府也确定了苏联喷气发动机“三步走”的战略:先用缴获和仿制的德国Jumo或BMW喷气发动机,然后设法从英国进口“尼恩”发动机和“德温特”发动机(苏联或许考虑过英国不会出售“尼恩”和“德温特”的对策,但历史没有给苏联这个选择),之后在20世纪40年代末或50年代初千方百计自行研制自己的涡喷发动机,推力范围定为29.418到78.448千牛,确定一用,二仿,三自研的发展道路

克里莫夫发动机设计局产品:“VK-1”型发动机。在1947年研制VK-1接近完成的过程中,遇到许多结构和材料方面不能完全同于“尼恩”和仿制品RD-45的问题后,克里莫夫发动机设计局随机对其进行了许多改进,这也是为什么VK-1的结构和RD-45十分接近但又有些不同的原因。在后来的1949年,通过了100小时的国家实验。后来1952达到了250小时,在苏联GAZ-116厂投入批生产

         在引进“尼恩”发动机几个月后,克里莫夫仿制的“尼恩”发动机(苏联代号RD-45,曾早期应用于米格-25和伊尔-28轻型轰炸机)开始下线生产,供各大飞机设计局用于新一代战斗机的研制。而在这过程中,原版的“尼恩”无疑极大加速了VK-1的研制进度,并于1947年在列宁格勒的克里莫夫发动机设计局研制成功。且VK-1推力从“尼恩”的22.3千牛推力提高到了26.5千牛。在很多文章和书籍中提到引进英国“尼恩”发动机对苏联航空发动机起步发展有帮助的Nimonic80镍基高温合金,证明比苏联同时期的ЭИ437А热强合金抗蠕变型更好,其他方面则不相上下(随后几年VIAM(全苏航空材料研究所)通过建立高温强度异相理论,研制出燃气涡轮发动机用的铸造镍合金和变形性热强合金,从而保证了苏联航空燃气涡轮发动机后面的发展与生产,但这已是后话)。

       (当然,VK-1的研制,一直充满争议。尽管我与我所采用的书籍、资料和各类型网站百科观点相同,都认为“尼恩”是克里莫夫研制VK-1的一个参照物,而“尼恩”则可以认为是VK-1的前身,但我对VK-1是“尼恩”发动机的逆向产物保持中立态度,手头上资料并没能证实VK-1是一台“尼恩”发动机。但也有不同的声音会站出来,认为VK-1是克里莫夫设计局独立研制出来的心血产物,不能被冠以“抄袭”“仿制”的头衔,拿出自己找寻的资料或记录来论述自己观点是正确(资料的找寻是一个复杂的过程,尤其是实物资料,整理起来累人也耗时。UP主在编写VK-1一栏时单独花了两天时间整理资料和写作,克里莫夫拿到的关于“尼恩”发动机剖视图一事便是整理米高扬设计局与米格飞机发展简史中无意找寻到的,本来打算找寻米格-15和17改型采用的发动机。这也很好解释了VK-1发动机为什么进气口没有常见的叶片而是采用了离心式压气机的设计,以及“长得像”这一最大的争论)。但有争论和不同的声音毕竟是好事,据我了解克里莫夫也并没机有撰写和出版自己的回忆录。如果日后有人能在圣彼得堡或其他地方的某一个角落找到了克里莫夫关于VK-1研发过程中的备忘录,或许也不见得会是一件好事。但苏联喷气发动机的起步,在当时不光克里莫夫一家设计局受到“尼恩”发动机的影响,包括留里卡发动机设计局,日后改名为“联盟”发动机设计局的米库林发动机设计局等设计局,他们当时的产品或多或少都带有“尼恩”发动机所带来的影响。如果真的深究VK-1是不是“尼恩”的仿制改型产品,不如考虑下没有“尼恩”的成功引进,VK-1是否会如此的成功和被重视,成为苏联第一台大批量生产并运用到实战的涡喷发动机。同样,我们不能忘了克里莫夫本人才是设计VK-1发动机里面最重要的一环,没有他就没有VK-1的出现,以及曾经和现在为航空事业发展做出贡献的人们)

        VK-1及其改型采用的是特殊的离心式压气机,而日后并没有 带离心式压气机而非轴流式压气机 的涡喷发动机成为苏/俄主要飞机的配套发动机。和轴流式压气机相比,离心式压气机简单、轻巧、长度短,单级增压比高,但直径也更大。对于“尼恩”,VK-1这类推力级别的喷气发动机来说,离心式压气机效率更高。但推力要求更高后,离心式压气机的缺陷就暴露出来,所以现在大推力喷气发动机基本采用轴流式压气机(有兴趣了解的同学可以百度下,这类问题度娘会给出很好的回答,在这UP主就不详解了 )

VK-1结构示意图。VK-1作为苏联第一台大规模批量生产的发动机,自然改型众多。VK-1和VK-1A不加力发动机用于亚声速战斗机米格-15和米格-17,以及伊尔-28和图14-T。VK-1F作为苏联第一款带加力燃烧室的涡喷发动机,1951年研制完成,配装在跨声速米格-17F/PF,加力状态最长为三分钟。在中国,VK-1F和VK-1A被命名为涡喷五和涡喷五A,用于配装中国歼五和轰五

      

AM-3

       (推力约为85.75千牛,推重比可达2.8,重量为3100千克,是同时期最大推力的涡喷发动机,主要装备图-16,米亚-4)   

美国海军“雄猫”式战斗机以拦截为目的伴飞苏联米亚-4B战略轰炸机(1983)

      在1943年2月8日,米库林组建了米库林实验(发动机)设计局(当时称苏联国家鉴定试验工厂,也称为300号工厂)后,开始研发新型航空发动机。于1947年研制出了AMTKRD-01(AM-1)涡喷发动机,1948年又通过了25小时国家试验,推力达到32.34千牛,用于轰炸机EF-140。然后又于1949年在AM-1的基础上研制了AMRD-02(AM-2),推力达到41.65千牛,寿命提高一倍至50小时。这两型发动机一共生产了20多台份。1950年研制了当时世界上推力最大的涡喷发动机RD-3(AM-3),推力达到85.75千牛,寿命为100小时。1952年通过国家台架试车,开始由喀山发动机生产联合体批生产

米库林发动机设计局产品:AM-3型发动机。

          AM-3(RD-3)型发动机改型众多,AM-3A/3M/3M-200主要配装过图-16轰炸机及其改型和图-104A(图-16改为客机的机型),而AM-3D/3M-500/3M-500A则配装图-104客机和米亚西舍夫飞机设计局的同时代产品(米亚-4及其改型,米亚-2-2)。在中国,由西安航空发动机公司生产的RD-3M-500发动机被命名为涡喷八


        在对刚进入冷战对持氛围的苏联来说,TR-1,AL-5(TR-3A),VK-1,AM-3和仿制德英发动机的产品,例如RD-10、RD-500发动机等构成了苏/俄第一代航空涡喷发动机。压气机为离心式或轴流式,压比为3~5;涡轮采用第一代高温耐热合金,涡轮进口温度为726.85到876.85度;发动机除开主要采用耐热合金外,还有钢、铝和镁;这些一同构成了苏/俄第一代涡喷发动机的特性。在这场全世界针对喷气发动机起步发展的途中,苏联并没有落后。坚持自主研发,且积极借鉴国外先进技术,并只用了五年多的时间就实现了由仿制到自行研制的过渡,这对日后苏/俄航空发动机的发展迈出了坚实的一步,也是日后美苏航空力量相互争霸的一个起点

     

       UP主在写苏/俄第一代涡喷发动机时,并没有能几次有时间静下心来写文,因为还要忙些其他事情,并且这段期间是从广东上了湖南,时间并不是很充裕。关于VK-1的争论或许会这么一直持续下去,这里也是我购买的资料相关内容一个原因和总结(事实上,我以前也是认为VK-1是完全自主研发的路人)。刚开始写作目的是因为国内网站并没有多少相关苏/俄的涡喷/涡扇发展史,大多都是对其在二战中的活塞发动机感兴趣。反观美国,由于至今仍是世界上的头号航空强国,所以关于它的发展史可以用丰富一词来说。这个系列制作其实也是属于个人的兴趣爱好,然后在购买相关书籍时萌生出来的一个想法。但个人所关苏/俄航空发动机发展史并不多,更好的是关于美国的(就是强才最吸引人)。至于写作的专栏,不打算投稿到其它地方。作为一个爱好而去写作,有浏览量便是最好的回报了。至于更新 ,得看时间(我也是会追番和买周边的)。就像第三代专栏结尾一样,没有固定的时间更新,就拿一篇好的文章代替这个缺点。由于是UP主自身编写,错误和错别字是难免的,望指出,谢谢!



         主要参考资料:《苏联/俄罗斯/乌克兰航空发动机的发展》,彭友梅主编,航空工业出版社;《飘扬的骄阳旗   从苏联到俄罗斯   空军和防空部队》,肖云  黄征著,航空工业出版社;《米高扬设计局与米格飞机》《苏霍伊设计局与苏霍伊飞机》,晨枫著,航空工业出版社; 《罗尔斯·罗伊斯的传奇   喷气式动力》,peter·pugh(英)著,航空工业出版社;以及一堆维基百科、空军之翼、百度百科等网页链接,专栏图片基本出自上述链接和书籍,结构图或剖视图基本来自图书

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