В конце 60-х, поисковые работы в области создания двигателей 4-го поколения для самолетов фронтовой авиации велись в Советском Союзе сразу в нескольких ОКБ. Объявление в 1971 году конкурса аванпроектов ПФИ включало, как составную часть работ, и конкурс по двигателям для ПФИ.
Т.к. ТТТ предусматривали для ПФИ очень высокие показатели по дальности полета, было ясно, что для новых истребителей необходимо создавать новые двигатели, обладающие высокими удельными показателями, и в частности, низкими удельными расходами на крейсерских режимах полета. Этого можно было достичь только применением двухконтурных двигателей (ТРДД), но такая задача сама по себе была достаточно новаторской для советского авиапрома. К началу 70-х в СССР в некоторых моторостроительных ОКБ уже имелся опыт создания и отработки ТРДД, но — гораздо большей размерности, предназначенных для пассажирских самолетов. Образцов ТРДДФ для тактических боевых самолетов в Советском Союзе еще не существовало, такие двигатели предстояло создавать впервые.
Участниками конкурса стали моторостроительные ОКБ МАП: ОКБ под руководством С.К. Туманского (М3 «Союз»), Пермское МКБ, возглавляемое П.А. Соловьевым, и ОКБ, возглавляемое А.М. Люлькой (М3 «Сатурн»). ОКБ Туманского выставило для рассмотрения целый ряд проектов двигателей под шифрами: Р53-300, Р57-300, Р59-300, Р67-300, в диапазоне форсажной тяги от 6600 до 13300 кг. Пермское МКБ представило ряд модификаций базового двигателя Д-ЗОФ под обозначением Д-ЗОФ-9. ОКБ А.М. Люльки — проект двигателя АЛ-31Ф, разработанный под предварительное ТЗ, выданное ОКБ А.И. Микояна для проекта нового фронтового истребителя.
Все представленные на конкурс проекты предусматривали создание двигателей с достаточно высокими удельными параметрами (удельная масса, удельная тяга), достигаемыми за счет существенного повышения параметров газовоздушного тракта (степени повышения давления в компрессоре и температуры газа перед турбиной) по сравнению с двигателями предыдущего поколения. Это, в свою очередь, предполагалось обеспечить за счет внедрения новых технологических и конструктивных мероприятий: применения высокомеханизированных компрессоров с поворотными лопатками направляющих аппаратов, с большой суммарной степенью повышения давления; снижения радиальных зазоров между лопатками ротора и корпусом статора для повышения КПД; применения новых жаростойких титановых сплавов и жаростойких покрытий лопаток турбины, новых схем охлаждения лопаток и т.д.
В ОКБ А.М. Люльки (НТЦ им. А.М. Люльки) первый вариант материалов по АЛ-31Ф был подготовлен к октябрю 1971 года, исходя из глубины проработки и объема представленных данных, документ был назван «Эскизным проектом». Что же представлял собой АЛ-31Ф на этом этапе? Двигатель предлагалось выполнить по схеме Z=3+12+2+2= 19. Число Z в этой формуле равно сумме ступеней компрессора и турбины. В аванпроекте АЛ-31Ф компрессор низкого давления (КНД) был 3-ступенчатым, без входного направляющего аппарата, а компрессор высокого давления (КВД) — 12-ступенчатый, причем входной и 2 первых направляющих аппарата предполагалось выполнить поворотными. Степень повышения давления КНД — 3,08, а суммарная степень повышения давления в компрессоре — 25. Обе турбины, высокого (ТВД) и низкого (ТНД) давления — двухступенчатые, рабочие лопатки первых двух ступеней должны были охлаждаться воздухом, отбираемым из-за компрессора и дополнительно охлаждаемым в специальном воздухо-воздушном теплообменнике (ВВТ). Степень двухконтурности двигателя — 0,75, расход воздуха -123 кг/сек, при этом предполагалось обеспечить величину максимальной температуры газов перед турбиной 1723% а стендовую тягу на полном форсаже 13400 кг!
По приведенным данным, очевидно, что на этом этапе А.М. Люлька предлагал двигатель, явно переразме-ренный для ПФИ как по тяге, так и расходу воздуха. Исходя из проектной размерности самолета в 18000 кг нормальной взлетной массы, при заданной стартовой тяговооруженности 1,2, для двигателя ПФИ в 1971 году требовалось никак не более 10500 кг форсажной тяги. Очевидно, что столь высокая тяга объяснялась требованиями, которые изначально выдвигало к двигателю ОКБ
А.И. Микояна, о чем, имелось упоминание в представленных материалах. Так, или иначе, но проектные данные по АЛ-31Ф следовало рассматривать лишь как заявку на участие в конкурсе. Тем не менее, среди остальных проектов, материалы по АЛ-31ф были одними из наиболее проработанных. Основные параметры газовоздушного тракта были выбраны с учетом теоретических рекомендаций ЦИАМ. Со ссылкой на зарубежные аналоги, на АЛ-31Ф предусматривалось большое число ступеней компрессора высокого давления, и, следовательно, сравнительно малая напорность каждой отдельной ступени, что гарантировало снижение технических рисков при его проектировании, т.к. в перспективе обеспечивало возможность безболезненной модернизации путем «догружения» ступеней. По заявленному уровню удельных характеристик двигатель был на уровне лучших зарубежных аналогов.
Быстро сориентировавшись в сложившейся конъюнктуре, уже к концу 1971 года в ОКБ А.М. Люльки выдали скорректированные данные по варианту двигателя, обозначенному АЛ-31Ф-8, и имевшему форсажную тягу на уровне требуемых 10,5 тонн. Более того, некоторое время, в период 1972-73 годах в ОКБ П.О. Сухого в качестве «габариток» для проработки новых вариантов Су-27 использовали данные именно по этому варианту двигателя. Однако никаких реальных работ по АЛ-31Ф-8 в ОКБ
А.М. Люльки никогда не велось, ибо из общения с «само-летчиками» было абсолютно ясно, что реально новый двигатель необходимо делать в классе тяги никак не меньше 12 тонн. Именно на эту цифру были рассчитаны исходные данные по двигателю АЛ-31Ф, согласованные в апреле 1972 года с ОКБ П.О. Сухого.
Итоги конкурса по ПФИ официально не подводились, т.к. к этому времени на повестке дня стоял вопрос уточнения первоначальной концепции развития истребительной авиации. Как уже упоминалось выше, в период 1972-73 годах концепция разработки ПФИ в СССР претерпела существенные изменения: отныне декларировалась необходимость двухтиповой структуры парка, состоящего из «легких» и «тяжелых» истребителей. В результате, признанные фаворитами конкурса проекты МиГ-29 и Су-27 автоматически «разводились» по разным «весовым категориям», а значит, они должны были оснащаться и разными двигателями. АЛ-31Ф по заключению ЦИАМ, был признан пригодным для дальнейшей разработки, и ОКБ А.М. Люльки, наряду с ОКБ С.К. Туманского, была предложена дальнейшая разработка двигателя для ПФИ. В отношении ОКБ А.М. Люльки это решение было официально оформлено на коллегии МАП 4 августа 1972 года.
Главным конструктором двигателя был назначен Ю.Н. Бытев, а ведущим в ОКБ конструктором по двигателю стал М.Ф. Вольман. В бригаде общих видов ОКБ работами по АЛ-31Ф занимались: К.Ю. Сорокин, В.Г. Киселев, Н.Я. Тарасов, Е.И. Чернов. Период 1972-73 годах, для ОКБ Люльки как и для ОКБ Сухого стало временем «формирования облика» нового изделия. Су-27, как тяжелый ПФИ, существенно «вырос» в размерности по сравнению с этапом аванпроекта, а значит, необходимо было пересмотреть размерность и необходимый уровень выходных параметров двигателя (тяга, расходы). В КБ уточнялись параметры газовоздушного тракта, прорабатывались особенности конструкции отдельных узлов и агрегатов, разрабатывались законы регулирования. К концу 1972 года с ОКБ Сухого была согласована величина потребной тяги: для стендовых условий тягу на форсаже ограничили в 12500 кг. Отдельным важным условием было записано требование по достижению низкого удельного расхода топлива при работе двигателя на номинальном режиме. По терминологии двигатели-стов такие режимы работы двигателя называются «глубокими дроссельными». Требовалось обеспечить в стендовых условиях (Н=0, М=0) при тяге 3000 кг, удельный расход не более 0,61 кгс/кг тяги в час.
В соответствии с полученным проектом ТЗ, в мае 1973 года были утверждены т.н. «Основные технические данные двигателя АЛ-31Ф». По сравнению с данными 1971 года, по уточненной компоновке, на двигателе была добавлена одна ступень КНД, теперь схема АЛ-31Ф выглядела так: Z=4+12+2+2=20. Расход воздуха составил 107 кг/сек, при степени двухконтурности 0,61 и снижении рабочей температуры газов перед турбиной до 1623°К. Степень повышения давления КНД составляла 3,62, а суммарная степень повышения давления в компрессоре — 23,8. Именно по этой схеме и началось в 1973 году рабочее проектирование двигателя.
По выбранной для реализации компоновке двигатель имел много интересных особенностей. В компрессоре предусматривались высокие окружные скорости в обоих каскадах, первые три ступени КНД имели сверхзвуковое профилирование, а первые три ступени КВД имели поворотные направляющие аппараты. Для компрессора выбрали ранее не применявшуюся в отечественном двигателестроении схему с постоянным втулочным диаметром. Считалось, что это позволит снизить массу конструкции и упростит компоновку направляющих аппаратов. В конструкции предполагалось широкое использование титановых сплавов. Для турбины, как наиболее теплонагруженного агрегата, предусматривалось использование новых схем охлаждения лопаток, конвективной и конвективно-пленочной, а для изготовления лопаток — использование новых жаропрочных материалов, изготавливаемых методами порошковой металлургии. Для улучшения охлаждения турбины использовался теплообменник, установленный во внешнем контуре двигателя.
Через год, к началу 1974-го работа по двигателю продвинулась достаточно далеко: в опытном производстве велась сборка первого опытного экземпляра газогенератора («изделия 97»), а в ОКБ заканчивался выпуск рабочей документации по двигателю в целом («изделие 99»). Создание АЛ-31Ф тормозилось тем, что в связи с отсутствием официального заказа, моторостроители не имели возможности привлечь к работам никого из соразработчиков, и развернуть работы по двигателю в полном объеме. Поэтому, в начале 1974-го по инициативе ОКБ был подготовлен проект соответствующего приказа МАП, который «узаконивал» бы работы ОКБ.
Приказ МАП был подписан 20 апреля 1974 года, в нем определялись сроки разработки и предъявления опытных образцов АЛ-31Ф на испытания. Так, в частности, предусматривалось: завершить постройку опытного образца двигателя к концу 1974 году, проведение длительных испытаний — в 1976 году, а поставку опытных образцов двигателя для испытаний на ЛЛ и на опытном самолете — соответственно в III и IV квартале 1976 года. Ко времени выхода приказа в свет, в производстве ОКБ уже велась сборка первого опытного экземпляра двигателя, его испытания на стенде начались даже раньше установленного срока, осенью 1974-го.
При создании АЛ-31Ф, в ОКБ Люльки была принята отработанная методика доводки двигателя с опережающим исследованием отдельных узлов и агрегатов на стенде. До проведения стендовых испытаний полноразмерного «изделия 99» для ускорения процесса испытаний, начались стендовые испытания «изделия 97», представлявшего собой «горячую» часть двигателя или газогенератор, т.е. функционально законченную сборку КВД и ТВД в комплексе со штатной камерой сгорания. Это позволило заранее получить предварительные данные об уровне характеристик изделия.
К сожалению, на первой редакции двигателя с 4-ступенчатым КНД, 12-ступенчатым компрессором высокого давления и двухступенчатыми турбинами низкого и высокого давления (Z-20) не были получены заданные характеристики. Из-за вибрационных поломок роторов двигатели, собранные по этой схеме, даже не удалось вывести на расчетную частоту вращения. Тем не менее, эти работы позволили коллективу ОКБ А.М. Люльки приобрести богатый опыт доводки высоконагруженных узлов КНД, КВД, ТВД и камеры сгорания. Всего в период 1974-76 годах были изготовлены 2 полноразмерных опытных двигателя и 4 экземпляра газогенератора в исходной компоновке Z=20, а также ряд экспериментальных установок для автономной доводки узлов. До конца
1976 года они проходили испытания на стендах ОКБ в ЦИАМ. Суммарная наработка двигателей 1-й компоновки составила 45 часов, а газогенераторов — 158 часов.
Таким образом, в 1975 году ОКБ А.М. Люльки было поставлено перед необходимостью вновь вернуться на «исходный рубеж». Требовалась серьезная корректировка исходного проекта. Для ускорения процесса было принято решение об использовании для АЛ-31Ф уже апробированной на практике геометрии КВД двигателя РД-33 («изделия 88») разработки ОКБ С.П. Изотова, разрабатывавшегося для истребителя МиГ-29. К этому времени РД-33 успел успешно пройти этап автономных испытаний газогенератора и закачивал этап испытаний в составе двигателя, подтвердив заявленный высокий уровень характеристик. При этом, для ускорения проектирования, от РД-33 бралась для моделирования только геометрия газогенератора с 9-ступенчатытым КВД, а вентилятор (КНД) решили оставить от исходного АЛ-31Ф 1-й компоновки, т.к. он получился вполне удачным. Следует оговориться, что моделировалась только геометрия проточной части компрессора, а конструкция нового КВД была оригинальной. Так, например, в отличие от РД-33, компрессор АЛ-31Ф был более высокомеханизированным. Регулируемым (поворотным) на нем был выполнен не только входной направляющий аппарат (ВНА) КВД, но и направляющие аппараты 1-й и 2-й ступеней КВД, т.е. аналогично тому, как это было реализовано на двигателе 1-й компоновки. На практике это обеспечивало более высокие запасы устойчивости по помпажу. Перекомпоновать пришлось и турбину. На каждом из валов осталось по 1 ступени, таким образом, окончательная схема АЛ-31Ф стала: Z=4+9+1 + 1 = 15. Расчетный расход воздуха составил 111,6 кг/сек, степень двухконтурности снизилась до 0,53, а суммарная степень повышения давления компрессора составила около 24.
В 1975 году в ОКБ П.О. Сухого окончательно сформулировало «ТЗ на двигатель АЛ-31Ф», в соответствии с которым двигателистам пришлось вносить в сложившуюся компоновку дополнительные изменения. Наиболее существенным являлось требования обеспечить «излом» оси форсажной камеры на 5″ вниз относительно оси самого двигателя, связанное с условиями компоновки силовой установки на самолете (для уменьшения кабрирующего момента от вектора тяги).
В феврале 1976 года был утвержден межведомственный план-график, определявший сроки отработки Су-27 и всех основных систем самолета. Для ОКБ
А.М. Люльки, согласно этому документу, была задана поставка трех опытных двигателей АЛ-31Ф в IV квартале 1977 года: одного — для ЛЛ Ту-16 и двух штук — на самолет Т10-3, а в I квартале 1978 года — поставка еще двух АЛ-31Ф на Т10-4.
Рабочий проект по второму варианту компоновки АЛ-31Ф закончился в марте 1976 года, а к сентябрю в ОКБ А.М. Люльки завершили выпуск чертежей общей сборки и обвязки. Вновь, как и 2 года назад, при испытаниях двигателя 1-й компоновки, отработка началась с испытаний газогенератора, имевшего заводской порядковый N 97-07. К концу года в опытном производстве М3 «Сатурн» была закончена сборка первого опытного экземпляра двигателя в новой компоновке — № 99-01/04, и с 25 декабря начались его испытания на стенде.
В этот раз первые же запуски подтвердили, что фактические характеристики двигателя при стендовых испытаниях близки к расчетным по всем параметрам, за исключением расходных характеристик. Основные сложности были связаны с получением заданной величины удельного расхода топлива на крейсерском режиме полета: вместо заявленной цифры 0,61 на стенде была получена величина 0,68 кгс/кг тяги в час. Но трагедии в этом пока еще никто не видел, даже эксперты из ЦИАМ довольно уверенно заявляли, что путем постепенной доводки можно получить заявленные данные. Среди возможных путей достижения цели называли снижение потерь полного давления в турбине и смесителе путем их конструктивной доработки, а также снижение расходов воздуха, отбираемого за компрессором и используемого для охлаждения турбины. Но Архип Михайлович, наученный горьким опытом многолетней доводки двигателей, посчитал необходимым заранее предупредить о сем прискорбном факте. В результате, в подписанном им 18 мая 1977 года «Эскизном проекте АЛ-31Ф» впервые было заявлено уточенное значение минимального удельного расхода топлива. Реально достижимой на тот момент времени была назначена величина 0,64 кг/кг тяги в час.
Дальнейшие работы ОКБ А.М. Люльки в период 1976-79 годах были связаны с доводкой двигателя для обеспечения возможности проведения ЛКИ Су-27 со штатными двигателями. Проводились стендовые испытания и доработки двигателей для устранения выявленных и совершенно неизбежных на этом этапе работ «детских болезней». К примеру, на некоторых режимах были отмечены признаки появления автоколебаний 1-й ступени КНД. С этим удалось справиться путем весовой балансировки лопаток. Параллельно была выявлена проблема вибрационного горения в форсажной камере — ее устранили путем изменения конструкции стабилизаторов пламени во фронтовом устройстве. Но в целом, доводка затягивалась, а, значит, затягивались и сроки начала летных испытаний.
Всего за период с 1976 по 1980 год в опытном производстве ОКБ А.М. Люльки был собран 21 двигатель 2-й компоновки. Большинство из них было предназначено для стендовой отработки. К примеру, двигатели №№ 99-05 и
99-08 проходили испытания на наземном стенде в компоновке с реальным самолетным воздухозаборником, а двигатель № 99-09 предназначался для ресурсных испытаний в ОКБ, к октябрю 1978 года на нем завершили выполнение первой 100-часовой программы испытаний. Годом позже, в октябре 1979 года были завершены первые длительные
100-часовые испытания двигателя. Летные испытания АЛ-31Ф на ЛЛ Ту-16 проводились в период с 1978 по 1980 год, для этой цели использовался опытный двигатель № 99-07. Всего, к концу 1980 года общая наработка двигателей Ал-31Ф 2-й компоновки составила около 3000 часов, в т.ч. примерно 2600 часов на стенде, около 40 часов — на ЛЛ ЛОЗ-10 (Ту-16), оставшиеся 360 часов приходились на 108 полетов, которые были к тому времени выполнены на опытных самолетах Т10-3 и Т10-4.
Для летных испытаний в составе штатной силовой установки Су-27 предназначались 4 пары двигателей АЛ-31Ф. Летом 1979 года в ОКБ Люльки завершили доводку летных образцов двигателя до требуемых параметров надежности. В ОКБ Сухого был отправлен комплект АЛ-31Ф, имевших заводские №№ 99-16 и 99-18. В середине месяца их установили на самолет, и 23 августа B.C. Ильюшин поднял Т10-3 в воздух. Чуть позже, с октября 1979 года, к испытаниям подключили второй опытный самолет, оснащенный АЛ-31Ф — Т10-4. На протяжении всего периода ГСИ в 1980-83 г.г. Су-27 эти два самолета были единственными опытными самолетами, на которых проводилась отработка двигателя АЛ-31Ф («изд. 99») в первоначальном варианте, с нижней коробкой приводов, поскольку по решению МАП вся установочная партия самолетов типа Т10-5 оснащалась силовой установкой с двигателями АЛ-21Ф-3, ранее опробованной на Т10-1/2. По сути, самолеты Т10-3 и Т10-4 стали своеобразными ЛЛ, благодаря которым был достаточно безболезненно осуществлен этап летных испытаний и доводки двигателя, предназначенного для установки на Су-27 в существенно доработанном виде — с верхней коробкой приводов («изд. 99В»).