早蘇聯 20 年 ! 美 60 年代研 F35B 核心技術

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熟悉 F-35 系列隱身戰機的童鞋們知道,F-35B 是三個型號中唯一一種具備短距垂直起降能力的。該機短垂系統的核心是位於其機尾的 " 三軸承旋轉噴管 "(簡稱 3BSD),網上曾流傳這一技術是美國從俄羅斯的雅克 -141 戰機借鑒而來,實際上美研發這一技術比(蘇)俄早瞭 20 年,本圖集就此解讀。

3BSD 噴管的作用是將 F135 渦扇發動機的推力矢量從平飛時的向後變為垂直起降時的向下。這種噴管的優點是能在不改變發動機運行狀態的情況下,平滑下折 95 度,還能在懸停及過渡飛行(懸停與平飛間過渡)狀態時進行偏航控制。圖中展示瞭 F-35B 的 3BSD 從平飛轉為懸停模式的連續鏡頭。

3BSD 噴管技術的起源可追溯到 20 世紀 60 年代中期,正值美蘇冷戰高峰,當時北約陣營希望研發一種具備短垂起降(VTOL)能力的新型戰機,以備在前線機場跑道遭蘇軍空襲癱瘓後仍能起飛作戰。圖為洛克希德當時提出的在 F-104 基礎上改進的 CL-704 短垂戰機想象圖。

為滿足這一需求,當時美國國內的各大發動機廠商都在研發為新型 VTOL 戰機配備 3BSD 噴管。其中由普拉特 · 惠特尼(簡稱普惠)研發並測試出瞭世界上第一臺 3BSD 噴管,圖為 1967 年該公司提出的噴管設計細節圖。3BSD 噴管分為三部分,接面都呈一定角度,通過三個密封圓形軸承連接起來。外部電機通過驅動旋轉段上的齒輪來讓尾噴管向下彎曲,在這個過程中前段和後段保持不動,隻是中段旋轉 180 度。最前端的軸承負責偏航控制,可以在垂直起降模式中對噴管進行橫向偏擺。

1967 年,普惠把首臺 3BSD 噴管在 JT8D 渦噴發動機上進行瞭測試,測試內容包括發動機在噴管彎曲 90 度狀態時全加力運行。為避免試驗臺下方地面過熱,JT8D 被倒置,讓噴管向上彎曲。同時公司還進行瞭向下噴氣測試,用於評估因近地效應增加的壓力對噴管性能的影響。

同時期美海軍也在考慮為 " 制海艦 "(一種隻搭載短垂戰機和直升機的低成本小型航母,造價僅為尼米茲級核航母的八分之一)研發一種新型短垂戰機,這種戰機不僅能滿載彈藥垂直起降,而且還能作為常規艦載戰機部署到大型航母上,因此必須配備帶加力燃燒室的發動機。圖為通用動力康維爾分部提出的 Model 200 短垂戰機方案設想圖,註意獨特的升力發動機佈置方式,可看作是後來雅克 -141 和 F-35B 的鼻祖。

在這個於 1972 年 6 月提出的方案中,Model 200 的機尾上安裝瞭一臺加裝瞭普惠 3BSD 噴管的 PW401 加力渦噴發動機,另外在座艙後側的機身中以串列方式垂直安裝 2 臺升力發動機,產生的升力足以平衡 3BSD 噴管向下的噴氣推力。紅圈標出的為升力發動機部分。

該方案經過模型風洞測試和臺架測試後,證實具有很高的可行性,圖為 Model 200 進行模型臺架測試資料圖。

遺憾的是,康維爾 Model 200 最終落敗並胎死腹中,美海軍後來選擇瞭技術成熟度不高的羅克韋爾 XFV-12 短垂起降試驗機,該機采用瞭引射式增升技術(用折流屏將發動機噴流導向主翼面以提供升力)實現垂直起降。結果 XFV-12 證明瞭僅憑發動機的氣流引射是無法產生足夠升力的,甚至無法自行實現垂直起飛,最終該項目於 1981 年被取消。但這期間積累的 3BSD 噴管技術日後被 F-35B 所沿用。

6 年後的 1987 年,蘇聯第一種兼具具備短垂起降和超音速飛行能力的雅克 -141 成功首飛。從這張仰拍圖可直觀看出,雅克 -141 采用瞭與當年美國康維爾 Model 200 相同的發動機佈置方式(2 臺升力發動機在前,一臺配備 3BSD 噴管的主發動機在後),而且也借鑒瞭惠普的 3BSD 噴管技術。而此時距離惠普公司測試 3BSD 噴管,已經過去瞭 20 年時間。

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