導讀：近日，據俄羅斯媒體報道，裝配了俄羅斯新型航空發動機“產品30”的蘇-57戰機在今年12月份完成了16次飛行。上一次飛行測試在今年10月份，主要是檢查了不同飛行模式下的發動機特性。為了進一步瞭解這款發動機的特性、發展特點和製造前景，今天讓我們來聽聽這型發動機開發商留裡卡發動機設計局總設計師葉夫根尼-馬爾丘科夫（Evgeny Marchukov）的介紹。
俄羅斯空軍早在2018年就投入使用了第五代蘇-57戰鬥機，並將其投入敘利亞戰場進行作戰行動，並計劃在2019年年底之前將這些飛機大量服役。然而，在第一階段，進入俄羅斯空軍服役的蘇-57戰鬥機使用的是“簡化的”AI-41F發動機，這類似於在第四代蘇-35S戰鬥機上安裝的動力裝置。蘇-57戰機要到2025年左右才能迎來自己的第五代發動機，即人們所稱為的“產品30”發動機。
從2000年代初期開始，俄羅斯就開始對第五代戰鬥機蘇-57進行了初步研究，2005年，蘇-57戰機正式開始設計階段，並自2010年開始一直進行飛行測試。眾所周知，該新型戰機能夠在內部武器裝備艙內運載總重達4.2噸的導彈和炸彈。此外，戰鬥機也配備了8個用於飛機武器的外部懸掛點。
對於發動機，蘇-57將分2個階段進行使用，在第一階段，配備AL-41F1發動機（“產品117”）的戰鬥機將開始服役，今天在蘇-35S戰鬥機上也安裝了類似的發動機。在第二階段，蘇-57將接收第五代發動機，今天稱為“產品30”。
代差和外形
與飛機類似，航空發動機根據其性能特點也劃分為5代，然而，航空發動機在分支上又分為軍用和民用，它們有完全不同的要求。
民用航空發動機應具備較高的可靠性和相對較低的燃料消耗，並且其維護不應昂貴，否則它們在經濟上就不利於商業運營。而軍用航空發動機則可以很大一部分犧牲上述一個或多個目標，追求實現高性能-高飛行速度或在最短時間內達到最大推力，突出戰績指標。
對於現代航空發動機，可以看作2個部分，一個是由核心機和部分尾噴管組成的內涵道，核心機包括高壓壓氣機、燃燒室和高壓渦輪。
在飛行過程中，空氣被風扇吸入並略微壓縮，風扇類似於早期飛機中的螺旋槳。然後一部分空氣進入壓氣機並進一步壓縮，然後進入燃燒室，在燃燒室中與燃料混合，在燃料混合物燃燒之後，進入高壓渦輪並使其旋轉，進而驅動壓氣機。從高壓渦輪出來後，燃氣進入低壓渦輪，由低壓渦輪驅動風扇旋轉。最後在進入尾噴管流出，形成發動機推力的一部分。
軍用航空發動機的第二部分，則是外涵道，主要由低壓壓氣機、導向器和外涵道（在許多民用發動機中，低壓壓氣機不是外涵道的一部分）。在飛行過程中，被風扇和低壓壓氣機略微壓縮的一部分空氣（未落入內涵道）進入導向裝置，並在其中降溫增壓，然後進入尾噴管並形成噴射氣流的其餘部分。
在現代民用航空發動機中，推力的主要部分（高達80%）由風扇形成的。而對於軍用航空發動機，大部分則是通過發動機內涵道氣流從尾噴管噴射的產生的，因此你只需要稍微增加發動機的的“響應能力”，減少其橫向尺寸，就可以使得動力裝置提供超音速飛行能力。
影響代差的特定參數
“不同代發動機之間的差異首先體現在其特定參數上。有幾個基本參數：推力、耗油率、涵道比和推重比等。在改善所有這些特徵的同時，發動機產品就會發生了代際變化。在這方面，“產品30”發動機甚至可以歸類到第“5+”代，因為該發動機的創建已經考慮到了國內外在第五代引擎開發和運行方面的經驗。在前蘇聯後期和俄羅斯時期，其實就已經研製了“產品20”發動機，當時計劃將其安裝在米格-1.44戰鬥機上。通過進一步的研製和改進，“產品30”發動機就出現了。
目前，“產品30”發動機的推重比可以達到10以上，也就是說，它可以推動其自身重量的10倍以上的飛機。開發人員還應用了許多新的設計方法和技術，“產品30”的單位油耗大約相當於雙涵道AL-31F發動機（在巡航模式下為每小時670克/千克力），AL-31F發動機及其變體是世界上最經濟的軍用航空發動機之一，它們被安裝在了蘇-27、蘇-30、蘇-34戰機以及中國的第五代戰機殲-20上。
油耗顯著的影響著飛機的作戰能力。在相等的戰鬥負荷下，低燃油消耗意味著更大的作戰半徑或更大的戰鬥負荷。即便是保持作戰半徑和戰鬥負荷不變的情況下，飛機攜帶的燃料越少，飛機質量更輕，將顯著的提升其飛行特性。
例如，在1950-1953年的朝鮮戰爭中，在長時間的空戰中，隨著燃料的消耗，美國的F-86佩劍戰機和蘇聯的米-15戰機會隨著戰鬥的進行，越來越靈活和敏捷。
通常，燃料消耗和推力總是矛盾的，民用航空發動機採用大涵道比（外涵道流量/內涵道流量），從而使得燃油消耗最佳，但是它們的推力最小。相反的，在小涵道比軍用發動機中，推力高，但是燃油消耗也高。而“產品30”中使用了新的設計和技術，可以保持燃料消耗低的情況下，推力仍有所增加。
“產品30”發動機
迄今為止，已安裝在蘇-57戰鬥機上的“ 4+”世代發動機AL-41F1在結構上與AL-31F和AL-41F1S類似，但有一些大的區別。特別是，新的發動機配備了等離子點火系統和矢量推力控制。等離子點火系統內置在發動機的燃料噴嘴中，等離子弧的點火與航空燃油的供應同時發生，該技術可以避免在啟動過程中，由於向燃燒室噴射過量的燃料從而導致尾噴管“噴火”。
AL-41F1發動機
因此AL-41F（“產品20”），AL-41F1（“產品117”）和AL-41F1S（“產品117S”）是三種明顯不同的發動機。第一種發動機當時計劃安裝在蘇聯的第五代戰機米-1.44 MFI原型機上，但隨著蘇聯的解體而夭折。AL-41F1發動機使用了AL-41F和AL-31FP發動機的技術，是今天蘇-57戰機原型機的動力。而AL-41F1S發動機實際上只是AL-31F的“大尺寸”版本，該發動機已經被量產並安裝在了蘇-35S戰機上。不過，AL-41F1S發動機雖然有著與AL-31F發動機相似的設計，但它仍使用了70%以上的新零件，並且顯著的改善了相關特性。
第五代俄羅斯發動機還採取了全球數字電子控制系統，這樣的控制系統可以建立發動機的任意調節規律，並使得發動機可以靈活的適應各種條件。這顯著的提升了安裝時間和系統可靠性，從使得控制系統的改進更快迅速。在較舊的發動機控制系統中，任何更改都是一項非常艱鉅的任務。
一般而言，由於數字電子控制系統完全負責燃油調節，供氣，點火和推進系統的其它參數控制，因此它使得飛機的控制變得更加容易，只需要飛行員給出控制指令即可。
第五代“產品 30”發動機與AL-41F1的不同之處在於提高了燃油效率並降低了全壽命週期成本，減少了維護成本，延長了大修壽命。
與第四代發動機相比，第五代發動機具有超音速巡航能力，這要求增加了另一個特定參數——超音速巡航燃油消耗率。同樣，發動機的隱身性能也進一步加強，紅外和無線電波中的可觀性也應大大降低，這可以通過尾噴管和進氣道的特殊設計來實現的。
尾噴管和葉片
正在為新發動機開發一個扁平的尾噴管，該尾噴管預計在2025年左右安裝到蘇-57戰機上。通常，這種設備是在發動機的氣流輸出處安裝的S形通道上加裝兩個可移動擋板，比如像美國F-22戰機所採用的方式。
這種扁平型尾噴管和S形通道可以很好的隱藏發動機渦輪的熾熱葉片，從而降低戰機的紅外可見性（包括紅外搜索和跟蹤系統）。但是，這種技術解決方案也會給發動機氣流的噴射引入了額外的阻力，導致發動機性能降低大約2~3%。
目前，尚不清楚扁平型尾噴管是否會成為“產品30”發動機推進系統的一部分，目前該發動機仍在採用常規尾噴管進行測試。
2013年，俄羅斯的開發人員曾展示了一個用於高壓壓氣機的二級壓氣機葉片，該葉片計劃安裝到蘇-57戰機上。它們由鈦鋁高溫合金製成。俄羅斯媒體上還出現了可以使用相同合金製造“產品30”發動機渦輪葉片的信息，但是後來這些工作都被暫停了。馬爾庫科夫在此強調道，鈦鋁合金不適合軍用航空發動機。
鈦鋁葉片已經在最新的民用航空發動機低壓渦輪上得到了應用，因為民用航空發動機低壓渦輪的溫度環境相對較低，而民用航空發動機是多級渦輪，採用鈦鋁合金可以顯著的減少質量。而在軍用航空發動機中，即使是低壓渦輪，其燃氣的溫度比民用航空發動機要高得多，鈦鋁合金在這些條件下無法使用。
諸如鈦鋁之類的金屬間化合物材料甚至也不適用于軍用發動機的壓氣機葉片，因為這種材料是易碎的，葉片凸臺上的任何劃痕都可能會導致其失效，而它對重量的減輕則幾乎可以忽略不計。
“產品30”的開發也使用了大量的計算機建模和仿真技術，因此，整個發動機的測試僅使用了10臺樣機就完成了全部的發動機測試程序。而在製造AL-31發動機時，在它最終定型之前，它的測試使用了68臺發動機樣機。
變結構，提性能
在為蘇-57戰機開發“產品30”發動機的同時，留裡卡發動機設計局的設計人員也已經在為第六代發動機創造技術儲備。首先，研究目標就是在第五代發動機的基礎上，全面提升整個推進系統的性能參數。
目前俄羅斯設計人員也在考慮為整個發動機推進系統增加第三條外涵道空氣迴路，因此，可以在超音速巡航模式下實現較低的單位燃料消耗。
比如在美國，航空發動機製造商GE公司就已經制造了三涵道的軍用航空發動機，美軍稱其為自適應變循環發動機，因為它能夠根據飛行任務要求調節特定的參數。
當以亞音速飛行時，第三個空氣迴路就會被打開，因此，來自風扇的氣流將流經第二和第三外涵道，從而使得發動機運轉得像一個大涵道渦扇發動機，這種模式下，整個推進系統具有較低得耗油率。
在超音速飛行期間，第三個空氣迴路將完全關閉，第二個空氣迴路也會被部分關閉，因此，發動機又運轉得像一個小涵道的軍用渦扇發動機。
在整個”產品30”發動機及其所有部件中，很多高技術挑戰和計算困難都以不同的方式出現，比如，就空氣動力學而言，發動機的壓氣機是一個非常複雜的設計，但是由於那裡沒有高溫，它所用的材料在技術上相對簡單。而從空氣動力學的角度來看，渦輪的設計很簡單，但是由於它的葉片會承受巨大的溫度和機械應力，這需要使用複雜的材料，冷卻系統和冗長的測試。
“只有少數幾個國家可以開發用於戰鬥機的現代軍用航空發動機，並且它們的設計思想也以類似的方式發展。” 馬爾庫科夫在最後總結道。
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