В 1965 году накопленный опыт конструкторской школы А.М. Люльки позволил приступить к созданию турбореактивных двигателей третьего поколения. Этим двигателям была суждена долгая жизнь: они серийно производились более 40 лет, а самолеты с ними и сейчас продолжают эксплуатироваться ВВС России, стран СНГ и за рубежом.

К началу 1960-х годов ударные самолеты второго поколения перестали удовлетворять новым требованиям по боевым возможностям и по особенностям базирования. В большинстве случаев они могли выполнять свои задачи днём в простых метеоусловиях. Летчикам приходилось самостоятельно искать наземные цели и прицеливаться - без помощи автоматики. Сброс бомб, пуск ракет также производился летчиком вручную: он нажимал кнопку, перемещал рычаг и т.д.

В предыдущее десятилетие авиация совершила огромный прорыв: боевыми самолетами были достигнуты две скорости звука. Этому способствовало использование новых аэродинамических форм. Но оно же привело к уменьшению подъемной силы крыла самолета, особенно на взлетных и посадочных режимах. В результате длина разбега фронтовых истребителей и бомбардировщиков к 1960 году увеличилась в два раза по сравнению с дозвуковыми самолетами и достигла 1200 м. Рост размеров взлетно-посадочных полос повысил уязвимость мест базирования авиации от ударов ВВС противника и снизил возможность маневров.

Так, разбег истребителя-бомбардировщика Су-7Б составлял 1450 м (а фактический пробег, благодаря использованию тормозных парашютов, - 1000 м, что тоже очень много). Посадочная скорость была велика, почти 300 км/ч. Крыло большой стреловидности не позволяло при посадке сбрасывать скорость до меньших значений. В этом случае машина мгновенно сваливалась на крыло в нескольких метрах от земли. Резина колес выдерживала один-два десятка посадок на такой скорости. ВВС больше не удовлетворяли и другие характеристики Су-7Б, например по точности бомбометания и по дальности полета. Но в целом самолет был удачным, поэтому его необходимо было модернизировать.

К концу 50-х годов определились два пути улучшения взлетно-посадочных характеристик боевых самолетов. Один предполагал использование крыла изменяемой стреловидности. В полете на высоких околозвуковых скоростях требуется большая стреловидность крыла, а на малых скоростях - при взлете и посадке - наоборот, более эффективна малая стреловидность. Поэтому и появилась идея сделать поворотное крыло (или часть крыла), которое могло бы изменять свою стреловидность. Самолет получался всережимным, что важно для военной авиации. В 1965 году, когда ОКБ-165 начали заниматься двигателем третьего поколения, в стадии летных испытаний находился первый в мире серийный самолет с изменяемой стреловидностью крыла - истребитель-бомбардировщик F-111A американской фирмы “Дженерал Дайнемикс”.

В этом же году П.О. Сухой начал работы над проектом будущего истребителя-бомбардировщика Су-17, первого в СССР самолета с крылом изменяемой стреловидности (КИС). На экспериментальном С-22И, с которого началось создание семейства Су-17, поворотной была половина консоли крыла. В остальном это была хорошо освоенная в серии комбинация Су-7БМ и Су-7БКЛ. Поначалу, пока не были готовы двигатели третьего поколения, на них устанавливались прежние АЛ-7Ф-1. Летно-технические характеристики самолета благодаря КИС значительно улучшились. Несмотря на увеличение его массы из-за нового крыла (до 9480 кг) и уменьшение запаса топлива (на 330 кг до 2790 кг) максимальная дальность полета увеличилась. Первый полет выполнил В.С. Ильюшин 2 августа 1966 года.

“На воздушном параде 1967 года произошла сенсация: неожиданно для публики над аэродромом появился самолет, по своим внешним очертаниям ничем не отличавшийся от хорошо всем известного Су-7Б. Правда, вначале возникло недоумение: зачем демонстрировать самолет вчерашнего дня? Но, поравнявшись с центральной трибуной, он накренился, представив зрителям вид в плане, что позволило обнаружить, как концевые части крыла, “ломая” переднюю кромку, перешли со стреловидности 62 градуса на 30. Продемонстрировав это действие несколько раз, пилотировавший самолет известный испытатель фирмы П.О. Сухого В.С. Ильюшин покинул аэродром, наглядно продемонстрировав миру, что давно вынашиваемая идея создания крыла с изменяемой геометрией получил реальное воплощение в нашей авиации”. Ильин В. Хорошие самолеты обязательно красивы, или Су-17: тридцать лет в строю.

Второй путь улучшения влетно-посадочных характеристик боевых самолетов предполагал использовать тягу двигателя. При тяге, которая больше взлетного веса самолета, можно взлетать и садиться вертикально. Размеры взлетно-посадочных полос тогда потребуется минимальные, сопоставимые с размерами самолета. Если сделать специальный, предельно облегченный двигатель, то его можно использовать для создания вертикальной тяги. Его назвали подъемным двигателем. Но малый вес оборачивался большим расходом топлива. Для горизонтального полета приходится использовать другой двигатель, который назвали маршевым. В СССР первоначально решили использовать подъемные двигатели для уменьшения разбега и пробега самолета.

Ударные самолеты третьего поколения должны были отличаться не только уменьшенным разбегом. Новые боевые авиационные комплексы стали всепогодными, способными работать в любое время суток на всех высотах. Некоторые из них получили возможность прорывать системы ПВО на предельно малой высоте с высокой околозвуковой сверхзвуковой скоростью в режиме огибания рельефа местности. Создавались они сразу как система вооружения и строились вокруг ПрНК (прицельно-навигационных комплексов) с бортовой цифровой вычислительной машиной. ПрНК позволял решать различные боевые задачи: блокирования передвижения наземного противника, уничтожение дорог, мостов, тоннелей, работающих радиолокационных станций, пунктов управления ПВО, стартовых позиций зенитных ракетных комплексов, самолетов на аэродромах, танков, артиллерии, надводных целей. Поражение целей было возможно как в ручном, так и в автоматическом режиме управления. Естественно, появились новые требования к двигателям.

Авиапром переживал тогда не лучшие времена. Руководство СССР во главе с Н.С. Хрущевым было столь воодушевлено успехами ракетостроения, что решило, будто авиация отмирает и почти все задачи в войне могут решить ракеты разных типов. Строить новые самолеты, мягко говоря, не приветствовалось - разрешалось лишь модернизировать старые. 

Однако самолеты войскам требовались, и в 1962 году П.О. Сухой начал работу над тяжелым сверхзвуковым самолетом-штурмовиком Т-6 (будущий Су-24). Он конструировался вокруг прицельно-навигационного комплекса “Пума”.

Для уменьшения длины разбега на первом варианте самолета были установлены четыре подъемных двигателя РД36-35 конструкции ОКБ-36 и два маршевых двигателя. Маршевые двигатели заказали ОКБ-165.

В 1965 году вышло постановление Совета министров о создании на Московском машиностроительном заводе “Сатурн” двигателя АЛ-21Ф (изделие “85”, его модификации - “87”, “89”). К двигателю предъявлялись жесткие требования: он должен был обладать высокой удельной тягой, относительно низкими удельными расходами топлива на разных режимах, невысоким удельным весом, газодинамически устойчивым компрессором.

Тщательно всё проанализировав, конструкторы выбрали схему одновального турбореактивного форсированного двигателя с 13-ступенчатым осевым компрессором, снабженным семью поворотными направляющими аппаратами. Сверхзвуковой ступени, как в АЛ-7, в этом двигателе уже не было, а удельный вес удалось снизить благодаря использованию титана и новых жаропрочных сплавов в конструкции. Титан меньше подвергается коррозии и по прочности близок к стали. Кроме этого, выполнили объединение приводов двигательных и самолетных агрегатов, продумали размещение агрегатов двигателя, что позволило намного сократить протяженность коммуникаций. При доводке двигателя вес турбины существенно понизили за счет рабочих и сопловых лопаток с большими удлинениями. Разработчики агрегатов также получили задание уменьшить вес своих изделий.

В качестве прототипа АЛ-21Ф, судя по всему, был задан американский двигатель J-79 фирмы “Дженерал Электрик” - как по уровню характеристик, так и по облику. Существует легенда, что в министерстве авиационной промышленности были предложения просто скопировать этот двигатель, но А.М. Люлька наотрез отказался. “Мы это уже проходили. В конце войны нам предлагали скопировать трофейный ЮМО-004. Но наш первый ТРД был лучше немецкого. У ЮМО тяга оказалась меньше, а удельный вес и удельный расход топлива значительно больше, чем у нашего. Думаю, что и наш двигатель третьего поколения будет что надо”, - приводит его слова Л. Кузьмина. Вероятно, копирование и не принесло бы результатов, поскольку технологии изготовления двигателей в СССР и США весьма отличались. Но влияние J-79 при создании АЛ-21Ф специалистам очевидно. На это указывают близкие значения степени повышения давления в компрессоре, температуры газа перед турбиной, большее, чем в АЛ-7Ф, число ступеней компрессора с развитой механизацией. При этом тяга нашего двигателя была задана большей, расходы топлива меньше. Двигатель получился легче. Меньшее число ступеней компрессора объясняется его большей окружной скоростью. Хотя первую сверхзвуковую ступень, какая использовалась на АЛ-7Ф, заменили на трансзвуковую, всё равно окружная скорость была выше, чем у J-79.

Некоторые технические решения, примененные на J-79, поначалу пробовались на изделии 85. Одним из них было использование порохового стартера. Вполне уместный на двигателе палубного самолета, он оказался очень неудобным в эксплуатации на аэродроме и был заменен на турбостартер ТС-21.

Осенью 1966 года были изготовлены первые экземпляры АЛ-21Ф. Начались стендовые испытания. Ф.А. Ожигин, начальник экспериментального исследовательского отдела в Тураеве, вспоминает: “Снятые при первых стендовых испытаниях характеристики оказались выше расчетных. Существенное превышение расходов воздуха над расчетным на 7-9 процентов значительно упрощало задачу доводки турбины, форсажной камеры и автоматики двигателя и открывало перспективу доводки двигателя на значительно лучшие параметры на бесфорсажных режимах”.

К тому моменту испытания самолета Т6-1 показали, что идея использования подъемных двигателей на самолете-штурмовике неудачна. Пилотирование на режимах взлета взлета и посадки оказались затруднительным. Подъемники не повышали маневренные качества самолета и после взлета были “мертвым грузом”. П.О. Сухой решает отказаться от подъемных двигателей и использовать крыло изменяемой стреловидности. Тяги двигателей АЛ-21Ф стало не хватать.

У А.М. Люльки требуют увеличить тягу на 26%. Началась работа над модифицированным двигателем, который получил обозначение “изделие 89” (АЛ-21Ф-3). Работы над предыдущими модификациями АЛ-21Ф прекратили. Новые задачи были выполнены путем добавления “нулевой” ступени компрессора, повышением температуры газа перед турбиной на 122 градуса цельсия. Обороты ротора увеличились с 8120 до 8315 об/мин, а окружная скорость “нулевой” ступени - до 385 м/с. В отличие от АЛ-7Ф добавление “нулевой” ступени не привело к появлению горба в проточной части компрессора.

“Создание двигателя третьего поколения АЛ-21 пережило два этапа: в соответствии с техническим заданием на двигатель для самолетов Су-17, Су-24 и самолета МиГ-23 двигатель создавался в классе: расход воздуха 89 кг/с. Однако уже на стадии летных испытаний самолета Су-24 выявилась необходимость форсирования двигателя. <…> Замена первых ступеней компрессора позволила форсировать двигатель и ввести его в класс с расходом воздуха - 104 кг/с. Начался второй этап. Выросли требования к двигателям по надежности, маневренности, экономичности. Появились многие новые требования к системе регулирования”. Кузьмина Л. Неизвестный Люлька.

Началась трудная доводка самолета и его силовой установки. В срок не укладывались и причин было несколько. Одна из них - дополнительная работа по унификации двигателей, ведь их планировалось устанавливать сразу на три разных типа самолетов: истребитель-бомбардировщик Су-17, фронтовой бомбардировщик Су-24 и истребитель-бомбардировщик Миг-23Б.

Особенность АЛ-21Ф-3 - высокие удельные параметры в широком диапазоне эксплуатационных режимов работы. По сравнению с лучшим двигателем второго поколения, двигатель АЛ-21Ф-3 имеет удельную тягу выше на 23%, а удельный расход топлива и удельную массу ниже на 17 и 30% соответственно. Высокая экономичность достигалась большим числом ступеней компрессора (14) и развитой механизацией (десять направляющих аппаратов, включая выходной, имеют поворотные лопатки). Благодаря этому получена высокая степень повышения давления в компрессоре - 15.

Широкое применение титановых сплавов в компрессоре двигателя предыдущей модификации (изделие “85”) позволяло снизить его удельный вес. Однако это привело к опасности титановых пожаров. От высокоскоростного трения титановых деталей друг об друга они могут разогреваться, а затем воспламеняться. При этом температура достигает 3000 градусов цельсия, и потушить такой пожар практически невозможно. На изделии “89” решили проблему титановых пожаров, заменив часть деталей из титана в статоре компрессора на стальные.

Турбина у АЛ-21Ф-3 трехступенчатая. На крейсерских режимах с целью повышения экономичности двигателя прекращалась подача охлаждающего воздуха в турбину. Сверхзвуковое сопло новой схемы (сужающееся-расширяющееся), в отличие от сопла АЛ-7Ф, непрерывно регулируется в зависимости от режима работы двигателя и условий полета. Это дает широкий диапазон изменения тяги на форсаже.

В АЛ-21Ф-3 было вложено много новых конструктивных решений, в том числе на уровне отдельных деталей и узлов. В эксплуатации двигатель АЛ-21Ф-3 отличался крайне малым расходом масла. Удачная конструкция и технологическое исполнение позволяли заправлять его маслосистему не чаще одного раза в несколько месяцев. К достоинствам АЛ-21Ф-3 относились также удобство подходов к агрегатам, тщательное исполнение всех уплотнений, стыков магистралей и опрятный внешний вид. Однако титановые лопатки компрессора были очень чувствительны к забоинам, при их появлении двигатель требовалось снимать и отправлять в ремонт. Попадание мелких камешков и мусора с полосы могли привести к поломке компрессора из-за малых радиальных зазоров между рабочими лопатками и корпусом. Замена двигателя оставалась процедурой грязной, тяжелой и трудоемкой, требовавшей расстыковки самолета, проводки управления, трубопроводов и арматуры его систем. На практике, с учетом занятости технического состава повседневными делами, замена двигателя на самолете затягивалась на три-четыре рабочих дня.

Главным же недостатком АЛ-21Ф-3 на первом этапе эксплуатации стала низкая надежность и небольшой ресурс двигателя. За этими словами катастрофы и трагедии, прервавшиеся жизни многих летчиков-испытателей. Из-за титанового пожара на двигателе погибли летчики-испытатели В.А. Кречетов (на самолете Т6), С.А. Лаврентьев (на Т-6-4), штурман-испытатель М.С. Юров (на Т6-4).

Всего в период доводочных испытаний Су-24 и его модификации Су-24М было потеряно 14 самолетов и погибло 13 летчиков и штурманов-испытателей. А за всё время эксплуатации самолета произошло 88 серьезных авиационных происшествий. Из них не менее 13 (14,77%) связаны с двигателями. В этих 13 случаях погибло 9 членов экипажей.

Однако Су-24 - единственный ударный самолет третьего поколения, остающийся в строю в настоящее время. Постоянная модернизация и замена прицельно-навигационного комплекса ПНС-24 “Пума”, которым оборудовался самолет, на ПНС-24М “Тигр” позволили поддерживать высокую боевую эффективность Су-24 и его модификации на мировом уровне.

Су-24 широко использовались во время военного конфликта в Афганистане, что долгое время было секретной информацией. Самолеты не базировались на афганской территории, совершая вылеты с аэродромов СССР. На всех самолетах Су-24 устанавливались двигатели АЛ-21Ф-3. 

Когда перспективы серийного производства АЛ-21Ф определились, его установили и на самолет Су-17. Модификация получила название Су-17М. Этот самолет является редким примером того, как на базе истребителя второго поколения разработки середины 50-х годов прошлого века удалось создать удачный истребитель-бомбардировщик и легкий бомбардировщик третьего поколения. С новым двигателем самолет стал ещё лучше: благодаря меньшим размерам силовой установки появилось место для дополнительных топливных баков, что вместе с другими решениями позволило увеличить дальность полета на 20% в сравнении с самолетом-предшественником Су-17. Освободились объемы для подвешиваемого оружия. Разбег уменьшился на 15%.

Экспортная версия самолета называлась Су-20 и поставлялась в Польшу, Египет, Ирак, Сирию, Перу. На экспортных Су-22М3К и Су-22М4 тоже применялись АЛ-21Ф-3. Последняя модификация поставлялась в одиннадцать стран. В последней четверти ХХ века самолеты семейства Су-17 составили основу фронтовой ударной авиации СССР. Всего было выпущено 2097 однодвигательных истребителей-бомбардировщиков семейства Су-17 с АЛ-21Ф-3.

Ещё одному самолету, оснащенному АЛ-21Ф-3, не довелось стать массовым. Это истребитель-бомбардировщик МиГ-23Б, разработанный на базе истребителя МиГ-23 с крылом изменяемой стреловидности. Взлетный вес МиГ-23Б из-за увеличения запаса топлива и боевой нагрузки стал на две тонны больше взлетного веса своего “родителя”, МиГ-23. Тяги двигателя Р-27Ф2М-300 не хватало и его заменили на уже испытанный и производящийся серийно АЛ-21Ф-3.

18 февраля 1971 года ведущий летчик-испытатель ОКБ А.В. Федотов поднял опытный экземпляр этого самолета в воздух. На московском заводе “Знамя Труда” была построена небольшая серия истребителей-бомбардировщиков МиГ-23Б. За 1972-73 годы было выпущено 24 самолета. Такая малая серийность была связана с двигателями АЛ-21Ф-3. Хотя кроме московского завода “Салют” их производство было организовано на Омском моторостроительном заводе им. П.И. Баранова, двигателей всё равно не хватало. В первую очередь АЛ-21Ф-3 шли на Су-24 и Су-17М. Из-за ограниченного поначалу ресурса и выявленных в эксплуатации дефектов двигатели часто приходилось менять. В итоге остальные истребители-бомбардировщики этого семейства, названные МиГ-23БН, выпустили с двигателем Р29Б-300 в количестве более 600 экземпляров.

Из 4257 ударных фронтовых самолетов третьего поколения, поступивших на вооружение советских ВВС, почти 70% оснащались двигателями ОКБ-165 Архипа Михайловича Люльки. Из них 92% - это АЛ-21Ф-3, а остальные АЛ-7Ф-1, которые были установлены на первые 725 самолетов Су-17.