留里卡和他的喷气发动机

1、留里卡和他的喷气发动机 中国空军已经装备了先进的su27战机。中国海军也装备了以su27为原型改进的su30mkk战机。su27战机的机动性和良好的格斗性能，它在爬升、横滚、筋斗、“普加乔夫眼镜蛇”机动中表现出的良好性能，给人们留下了深刻印象。 su27的优秀飞行品质，既来源于它良好的气动外形，也归功于它推力巨大的al31涡轮风扇发动机。 al31发动机，是俄罗斯留里卡设计局的产品。提到al31发动机，就不能不提及留里卡设计局的创始人阿尔希普米哈伊洛维奇留里卡。 留里卡是前苏联涡轮喷气发动机的开拓者，著名的航空发动机设计师之一。他生于1908年，1931年毕业于基辅工学院，从1933年起从事航

2、空教学和科研工作。由于他在喷气发动机领域的功绩，留里卡在1957年获得苏联社会主义劳动英雄称号，1968年成为苏联科学院院士。 留里卡在1937年设计了苏联历史上第一台涡轮喷气发动机，但直到上世纪50年代末期，即整整20年之后，他设计研制的涡轮喷气发动机al7系列才投入批量生产。 在此期间，他得到过信任和支持，也曾遭受到怀疑和来自各方面的阻力。但是，他在任何困难环境下都坚持信念，顽强拼搏，为苏联喷气推进技术的发展作出了重要的贡献。 留里卡的这段经历是苏联航空发动机发展历史的一个重要侧面，通过它可以探讨苏联航空喷气推进技术发展的特点以及可供借鉴的经验和教训。 20世纪30年代是世界航空工业迅速发

3、展的时期。苏联高速兴建和扩大自己的航空工业。19351937年飞机年产量平均达到3578架。到30年代末和40年代初，苏联航空工业进一步扩大，飞机产量成倍增长。当时飞机所用的动力装置活塞式内燃发动机日趋完善，但是它的功率越来越难于提高。人们已认识到，继续增加飞机飞行速度，这种发动机的能力终将接近极限。航空发动机向何处发展，成为航空界努力探索的一个重要课题。能不能将工业蒸汽轮机经过修改设计，用作飞机的动力装置，便成为许多人感兴趣的问题。当时，苏联的哈尔科夫航空学院和列宁格勒的基洛夫汽轮机厂都在研制航空蒸汽轮机。 1933年，在乌克兰哈尔科夫汽轮机厂工作的留里卡，被调到哈尔科夫航空学院发动机系，参

4、加“闭循环航空蒸汽发动机”的设计工作。他的任务是设计蒸汽机的冷凝器部分。他每天不倦地计算、思考，钻研大量国内外有关资料。他可以设计出将蒸汽冷凝成水，然后又将水变成蒸汽的完善的高效率循环装置。但是这样的装置用到飞机上无论如何是太笨重了，飞机的气动力性能将因此恶化，提高功率所得到的好处也被增大的迎面阻力所抵消。经过长时间研究分析，留里卡得出结论：“蒸汽发动机不可能用于航空”。 20世纪20年代，科学家们提出了航空燃气涡轮热力学原理。1929年，苏联著名学者bc斯捷契金教授提出不用螺旋桨的空气喷气发动机的理论依据。1935年，航空发动机设计师bb乌瓦洛夫教授论证燃气涡轮可用于航空，并且提出了苏联最早

5、的带离心式压气机的涡轮螺旋桨方案。留里卡潜心研究这些论著，尤其对法国莫里斯皮埃教授提出的喷气发动机原理满怀兴趣。1937年，留里卡向同事们第一次提出了航空涡轮喷气发动机的设想。他还和几个志同道合者与学院发动机系主任经常开展激烈辩论。留里卡一次又一次地用理论和计算结果论证航空蒸汽发动机的不可行性。后来，由于气动力学家r普罗斯库拉的支持，学院科技委员会赞同其观点。 留里卡第一次到莫斯科向发明委员会提交他的喷气发动机设计方案和论文。发明委员会通过航空工业局把这些材料转到莫斯科高等技术学校进行审查，负责审查的权威人士就是乌瓦洛夫教授。多年以后，乌瓦洛夫回忆说，他当时虽然有些嫉妒，但在看完留里卡提出的全

6、部资料后叹服了，并且作出了肯定的评价：留里卡从理论上论述了涡轮叶片可采用较低工作温度(约700)的根据。这在当时条件下是成功解决航空燃气轮机问题的一个大胆的创举。 航空工业局同意留里卡在哈尔科夫航空学院组织涡轮喷气发动机的研制工作。留里卡回到学院，建立了设计小组。可是因为资金太少，学院领导又不积极支持，试验、试制工作无法开展。留里卡只得又一次去莫斯科寻求支持。 留里卡等了13天，人民委员接见了他，并出乎意料地决定，当晚就召集由有关领导和专家参加的会议。会上，留里卡做了题为涡轮喷气发动机的报告。 留里卡全新原理的发动机方案获得批准，吸引了不少支持者，但是反对的人依然很多。当时，在活塞发动机尚处于

7、独占航空的全盛时期，在世界上还没有出现喷气发动机的年代里，年轻的留里卡提出这种发动机设计方案，他坚信其光辉未来，这是需要相当胆识和远见的。 在列宁格勒基洛夫厂设计局，留里卡小组经过一年多紧张的创造性工作，设计并基本制成了载人苏联航空史册的第一台涡轮喷气发动机p1。 以留里卡为首的这批青年人既是设计员，又是工艺员和试验员。他们一切从零开始。他们只知道所要设计的发动机必须有压气机、燃烧室、涡轮和尾喷口，至于每一部分应该是什么样的结构型式，工作和温度状态如何，用什么方法计算等等许多问题则全然不知。他们虽然知道英国、德国都在研究装喷气发动机的飞机，但无法得到任何资料。他们的工作条件极其简陋，四间办公室

8、，两个屋顶开窗的小车间，一个曾用于试验蒸汽发动机和飞机模型的试验台这就是他们的全部设备。他们摸索前进，解决了许多从来没有遇到过的技术问题。 选择单轴轴流压气机离心压气机结构简单，而且已有设计和制造经验。但留里卡坚持采用轴流压气机。他的理由是，轴流压气机的横截面可以做得比较小，却能达到较高的增压比和效率。所有这些特点从当代超音速飞行气动力学的观点看都是极其重要的。 他主张得到了公认和通过。 设计和试验并行这是在困难条件下为尽快获得试验结果、缩短研制周期而不得已采取的措施。通过压气机级和燃烧室模型试验得到许多启示，纠正了原来的不合理构思。通过模型实验还发现了许多问题。例如叶片制造，经过许多波折和摸

9、索，才在车床上用专门设计的夹具把需要的叶型非常困难地加工出来。 可怕的振荡燃烧留里卡小组估计到燃烧室是最困难的部件，因此制造了实物试验件。没有高压燃油泵，用蒸汽轮机的齿轮式滑油泵代替。燃烧室试验一开始就出现越来越大的轰鸣声，当加大供油量时，一声巨响，台架和燃烧室着火，喷管连同燃烧室被崩到了试验台后面的沙地上。紧接着，他们又重新计算、制造、安装，在后来的燃烧室试验中总算没有发生重大事故。 试验和试制工作广泛展开，他们到1940年秋终于完成了第一台p1涡轮喷气发动机的工程设计。设计师们经过仔细计算，得到了意想不到的结果：飞机速度越大，p1发动机的效率越高。 争取时间，尽量利用现成的附件1941年春

10、，留里卡小组有了新的装配车间，并且从中央航空发动机研究院调来了一批设计员。此时，他们面临的困难是发动机装配协调和附件短缺问题。关于附件，在人民委员会的支持下，他们决定到各航空工厂寻找可用的或经过修改后可用的实物。结果找来了燃油增压泵、滑油系统零组件、火花塞、电起动机等等。 正当p1发动机已完成70试制任务，整机不久即可试运转的时候，战争突然爆发了。当年8月，p1计划下马。留里卡据理力争继续这一任务，并拟随设计局转移到乌拉尔，但未能获得列宁格勒党委的批准。 恢复研制p1发动机1942年，一份由斯大林签署的紧急中央文件要求苏联航空工业人民委员会回答有无可能制造一种采用全新原理发动机(即空气喷气发动

11、机)的高速飞机，以及查明在苏联国内是否进行这方面的研究工作。 当时，苏联政府得知国外已研制成喷气发动机(即根据情报得知英国和德国研制出喷气发动机)。在这种形势下，几经周折，航空工业人民委员会发动机局从一个坦克厂找到了留里卡。同年底，留里卡飞往仍被敌人封锁的列宁格勒，找回收藏的部分pp1实物和技术资料。重新集中的留里卡小组(人已少了许多)，开始隶属于鲍尔霍维基诺夫飞机设计局，1943年初又迁到中央航空发动机研究院。在将近两年的时间里，p1的设计改进和研制工作进展非常缓慢，主要原因是：当时中央航空发动机研究院的主要任务是离心式涡轮螺旋桨发动机计划和内燃机压缩器式发动机计划；留里卡小组设计人员太少，

12、无法在短期内完成图纸任务，研究院的工厂任务重，特别是工艺人员不愿意制造发动机的叶片。总之，p1仍未受到应有重视。 1943年，不断有消息证实德国正准备成批生产用涡轮喷气发动机作动力的喷气飞机。同时，前线也出现丁时速达860千米的德国喷气歼击机。在还没有喷气发动机的情况下，苏联政府决定研制用各种方法助推的高速飞机。拉沃奇金、米高扬、苏霍伊和雅科福列夫飞机设计局都接受了这一任务。于是，短时间内制成了各种用火箭助推的飞机和内燃机压缩器式发动机的飞机。但是，这些飞机很不可靠，发生过多起机毁人亡事故，而且它们以时速815825千米飞行的时间最长不超过5分钟。 1943年底，航空工业人民委员会下属的一个专

13、门委员会就加速研制苏联喷气飞机的问题进行了讨论。由于飞机设计师mn古得可夫的支持和中央流体动力研究院的肯定结论，继续研制和改进p1发动机被列为会议的一项决议。 高速度试制5台台架试验发动机1944年初，留里卡小组成为新成立的喷气飞机研究所的涡轮喷气发动机室。他们在改进p1的基础上设计出加大推力(1250千克)的新发动机c18。新发动机的压气机由6级增加到8级，叶型设计作了改进，燃烧室直径缩小，通道内压力损失降低很多。 同年5月，一家生产精密模具和夹具的工厂被指定承担试制5台c18发动机的主要任务。年底，第一台c18发动机组装完毕。 c18发动机在台架上进行了多次试运转，每次都在慢车以后出现故障

14、：莫名其妙的喘振，叶片折断、甩出，突然灭火等等。这时，从前线运回两台完整的德国制造的“尤默”涡轮喷气发动机(用于双发“阿芙罗”喷气飞机)。一台运到工厂，由留里卡派出的专家小组试车并测取性能数据。另一台留下分解，与c18发动机作对比分析研究。苏联的涡轮喷气发动机设计室在三天之内写出了各个主要零组件的对比分析说明。 参观德国喷气发动机和参加分析会的有苏联各飞机厂和发动机厂的代表，还有涡轮喷气发动机理论家bc斯捷契金和航空工业人民委员会第一副人民委员杰明捷耶夫。 “尤默”发动机的推力仅900千克(c18为1250千克)，耗油率和比重都比c18的大，但是，“尤默”的外观比c18漂亮得多，工艺水平出色，

15、附件安装紧凑，许多结构比较先进，如压气机静子叶片是钎焊的(苏联掌握这项工艺要晚得多)。“尤默”是经过飞行考验的发动机，而c1 8则刚刚开始地面试运转。在这种形势下，当时苏联航空工业内部绝大多数人都反对继续研制c18，主张立即仿制“尤默”。 留里卡和他的同事们坚持认为，c18是完全依靠自己力量研制的，其性能比“尤默”好。“难道这个事实本身不就是胜利吗?不应该过高估计外国技术，更不能用外国技术抹杀自己的成绩。”幸运的是，以杰明捷耶夫为首的少数人支持了留里卡。 这场论战的最终结果是：“尤默”发动机由别的单位仿制，留里卡团体仍继续研制自行设计的涡轮喷气发动机。 tp1发动机试飞成功 在经过这场生死攸关

16、的辩论后，留里卡团体以新的热情投入工作。他们排除了c18发动机在20小时保证期内的故障，并在此基础上花了一年多一点的时间研制出新的发动机tp1。 1953年，为了加速研制超音速飞机，前苏联航空工业部恢复了苏霍伊设计局。在那时，世界先进歼击机的最高时速不超过1500千米。而苏霍伊接受的任务是要研制出速度和升限都高得多的新一代超音速歼击机。 从此，苏霍伊设计局和留里卡设计局开始了长期密切的合作。经过两年多努力，装al7发动机的单发苏7原型机准备试飞。两个设计局计划的最高飞行速度是m2。当时，许多人对此持怀疑态度，航空工业部也迟迟不批准飞行。在一次地面滑跑和离地试验时，飞机突然离地升到15米以上高度

17、。在眼看跑道长度不够、已无法接地之际，苏联英雄、功勋试飞员a柯杰特可夫果断处置：立即将发动机转速推到最大，拉起，爬高。飞机飞完一圈后安全着陆。 对于这次意外飞行，设计师们又惊又喜。此后，苏7进行了多次试飞，先后使用了al7及其加力式al7f生产型，飞行速度和飞行高度曾分别达到m2和19000米。苏7于1957年秋开始国家试飞，有人建议投入批量生产以装备部队。也正是在这个时候，苏联空军改变了苏7的任务，要求它成为既能攻击空中目标又能攻击地面目标的战术歼击轰炸机。苏霍伊设计局在苏7的基础上用于不到一年的时间研制成这种飞机即苏7b。苏7b于1959年4月开始国家试飞，不久后投产、服役。 al7f是前苏联当时推重比最高、最大加力推力接近10000公斤的军用涡轮喷气发动机。在该发动机上第一次采用了许多先进技术，使用了大量不锈钢和钛合金制作的零件(盘和叶片