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By?Kevin Renshaw?發(fā)表于2014年8月12日? 微軟EDGE翻譯

F-35B短距離起飛/垂直著陸STOVL的關(guān)鍵部件是閃電II的變體，是三軸承旋轉(zhuǎn)管道噴嘴或3BSD。噴嘴安裝在飛機后部，允許Pratt & Whitney F135發(fā)動機的推力從直向后部矢量化，用于常規(guī)飛行，直下用于STOVL操作。3BSD可以無縫地通過95度的運動，而不會改變發(fā)動機的運行。噴嘴還在懸停期間和過渡到懸停期間提供偏航控制。

起源

對垂直起降或VTOL戰(zhàn)斗機設(shè)計的興趣始于20世紀60年代冷戰(zhàn)高峰期，當時北約基地被認為容易受到先發(fā)制人的攻擊。這種飛機被固定在加固的掩體中，仍然可以從跑道受損的基地起飛和降落。

美國，英國，德國和法國都建造并測試了多種VTOL戰(zhàn)斗機設(shè)計。然而，只有英國紅隼/鷂家族投入使用。與此同時，只有使用與“鷂”類似的發(fā)動機和噴嘴布置的Yak-38在俄羅斯方面服役。

美國海軍在20世紀60年代的研究評估了海上控制VTOL飛機，該飛機設(shè)計用于在甲板比傳統(tǒng)航空母艦甲板更小的艦艇上操作。這些擬議的戰(zhàn)斗機將滿載垂直起飛。海軍的作戰(zhàn)概念還要求這些飛機作為傳統(tǒng)的艦載戰(zhàn)斗機運行，這需要加力燃燒發(fā)動機。

這種雙重操作方法導(dǎo)致了更大，更重的飛機設(shè)計，需要比主發(fā)動機或發(fā)動機所能提供的更多的垂直推力。最受歡迎的解決方案是在駕駛艙后部添加小型升力發(fā)動機，以提供飛機重心的垂直推力。這些設(shè)計被稱為Lift Plus Lift/Cruise。艾里遜，羅爾斯·羅伊斯和其他發(fā)動機制造商專門為此類應(yīng)用開發(fā)了緊湊型渦輪噴氣發(fā)動機。在幾架VTOL原型機和實驗飛機上建造和飛行了發(fā)動機數(shù)量和位置的各種組合。

在 20 世紀 60 年代中期，幾乎所有的發(fā)動機公司都研究了三軸承旋轉(zhuǎn)噴嘴設(shè)計。美國專利局收到了普惠，通用電氣甚至堪薩斯州威奇托波音軍用飛機公司對3BSD的許多變體的申請。

到20世紀60年代末，普惠公司開始設(shè)計和測試一種用于康維爾200型海上控制戰(zhàn)斗機的三軸承旋轉(zhuǎn)噴嘴。1967年的設(shè)計圖紙顯示了詳細的設(shè)計布局。第一個噴嘴是在20世紀60年代中期在Pratt & Whitney JT8D上制造和測試的。測試包括在全加力燃燒器中操作噴嘴，噴嘴偏轉(zhuǎn)90度。試驗臺的位置是向上排氣，以避免加熱試驗臺下的地面，盡管隨后的測試將噴嘴向下定位在地面，以評估地面接近背壓對噴嘴性能的影響。

康維爾200型飛機于1972年6月提出，以回應(yīng)美國海軍為海上控制艦設(shè)計戰(zhàn)斗機/攻擊機的要求。垂直起降飛機將使用PW401發(fā)動機，帶有加力燃燒3BSD加上位于駕駛艙后面的兩個Allison XJ99升力發(fā)動機，以增加重心向前的垂直升力，以平衡后噴嘴推力。為了應(yīng)對后燃燒后噴嘴和升降機發(fā)動機的高溫和高壓相結(jié)合產(chǎn)生的地面環(huán)境，船舶將配備帶有金屬格柵的特殊垂直著陸區(qū)，以允許熱氣流通過。

同樣的設(shè)計要求導(dǎo)致了羅克韋爾XFV-12噴射器增強升力設(shè)計的開發(fā)。洛氏硬度設(shè)計被選中進行原型設(shè)計，但被證明無法產(chǎn)生足夠的推力用于垂直飛行。一些人推斷，海軍選擇彈射器設(shè)計時知道它會失敗，從而消除了小型海上控制艦對具有常規(guī)彈射器和陷阱設(shè)備的大型尼米茲級航母構(gòu)成的潛在威脅。無論如何，三軸承旋轉(zhuǎn)噴嘴設(shè)計被降級到加利福尼亞州圣地亞哥康維爾的文件柜中。

DARPA ASTOVL及以后

研究一直持續(xù)到1970年代和1980年代，研究STOVL戰(zhàn)斗機以取代Harrier。這些研究通常增加了鷂式飛機在其原始設(shè)計中沒有的超音速性能和多任務(wù)航空電子設(shè)備和雷達。

美國和英國合作研究了下一代垂直起降和STOVL飛機的推進升降系統(tǒng)。美國國防部高級研究計劃局（DARPA）在1980年代后期開始了STOVL攻擊戰(zhàn)斗機研究。洛克希德，通用動力，麥克唐納道格拉斯和波音公司都開發(fā)了概念。這些研究導(dǎo)致了洛克希德公司贏得的高級STOVL競賽。1993年，洛克希德公司收購了通用動力公司沃斯堡公司（General Dynamics Fort Worth），當時該公司是唯一一家參與飛機制造和設(shè)計的GD部門。

DARPA計劃后來演變成三軍聯(lián)合先進打擊技術(shù)，或JAST努力，演變成聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機概念，然后是X-35B原型機，最后是今天的F-35B。

DARPA計劃包括大型動力模型（LSPM）的建造和風洞測試，用于測量洛克希德公司開發(fā)的軸驅(qū)動升降系統(tǒng)的空氣動力學(xué)和推進相互作用。

LSPM上主噴嘴的原始設(shè)計是二維單膨脹斜坡噴嘴，稱為SERN。在這種設(shè)計中，一個噴嘴襟翼比另一個長。噴嘴通過將上部襟翼偏轉(zhuǎn)至少九十度來矢量化主推力。為了控制懸停時的噴嘴出口區(qū)域，下部襟翼被設(shè)計為滑動面板，可以根據(jù)需要縮回以調(diào)整發(fā)動機上的背壓 - 這是使軸驅(qū)動的升降風扇渦輪機工作所需的關(guān)鍵控制。羅爾斯·羅伊斯（Rolls-Royce）受雇建造LSPM噴嘴，以在Pratt & Whitney F100發(fā)動機后面運行，并設(shè)計X-35原型噴嘴。

隨著洛克希德公司開始在DARPA計劃下對噴嘴進行小規(guī)模的風洞測試，以及羅爾斯·羅伊斯公司開始制造LSPM硬件，設(shè)計的缺點變得更加明顯。

然而，試圖用上翻蓋扭轉(zhuǎn)流動并使流動圍繞尖銳的下唇轉(zhuǎn)動會產(chǎn)生較差的推力系數(shù)。實際上，發(fā)動機流量進入壁（偏轉(zhuǎn)位置的上部襟翼）并通過下唇分離。噴嘴的重量也在增加。平坦的側(cè)面和大的上部襟翼并不能構(gòu)成一個好的壓力容器。需要更厚的材料和大量的外部加固來保持噴嘴形狀并允許襟翼密封。在發(fā)動機全推力下移動六英尺長的上部襟翼需要一個非常大而重的執(zhí)行器。

LSPM在NASA-Ames風洞和懸停試驗臺上的測試證明了軸驅(qū)動的升降風扇系統(tǒng)可以運行。然而，X-35B的噴嘴需要更好的解決方案。

與此同時，洛克希德公司正在將前通用動力團隊的一部分整合到ASTOVL工作中。來自沃思堡的工程師可以訪問康維爾的檔案，這些檔案在圣地亞哥行動結(jié)束時被轉(zhuǎn)移到沃思堡。

這些檔案中包括200型文件，特別是噴嘴的描述。1994年10月，Pratt & Whitney資助洛克希德沃斯堡團隊對ASTOVL配置的3BSD進行研究。這項工作評估了噴嘴在垂直升力位置的離地間隙，計算了噴嘴的尾部車身阻力，并預(yù)測了已安裝推進系統(tǒng)的整體性能。

該研究的結(jié)果表明，3BSD設(shè)計明顯比SERN噴嘴輕。此外，該設(shè)計在所有模式下也表現(xiàn)出卓越的推進性能。3BSD隨后被包含在ASTOVL Configuration 141中 - 這是演變成X-35的原始鴨式三角形設(shè)計。

3BSD經(jīng)過擴展，以匹配為X-35設(shè)計的PW611發(fā)動機。通過采用3BSD代替方形SERN而節(jié)省的重量估計超過1，800磅。此外，重量減輕發(fā)生在飛機的遠端，從而有助于X-35設(shè)計的整體平衡。此外，3BSD提供了SERN沒有的內(nèi)置偏航能力。最初的ASTOVL設(shè)計將在提升風扇中加入偏航葉片，并具有一些額外的重量。它們在提升風扇底部的位置會在命令偏航時產(chǎn)生不必要的滾動力矩。

3BSD 通過第一個旋轉(zhuǎn)軸承提供偏航控制。由此產(chǎn)生的偏航推力通過發(fā)動機的中心線施加 - 非常接近整個飛機垂直重心。在這個位置，推力不會導(dǎo)致增加滾動力矩。軸對稱噴嘴在水平飛行和垂直升力模式下都提供了更好的推力系數(shù)。3BSD將噴嘴的垂直推力位置相對于SERN向前移動得更遠，從而在前部提升風扇和后部噴嘴之間實現(xiàn)更好的懸停平衡。

然后，3BSD與最近在美國空軍F-16戰(zhàn)斗機上飛行的低可觀測性或LO軸對稱噴嘴設(shè)計相結(jié)合。Pratt工程師還挖掘了他們的檔案，發(fā)現(xiàn)了20世紀60年代3BSD開發(fā)的大部分原始設(shè)計和測試數(shù)據(jù)。他們還找到了在軸承上移動管道襯墊冷卻空氣的設(shè)計。

洛克希德ASTOVL / JAST團隊于1995年正式從SERN噴嘴更改為3BSD，STOVL版本具有緊湊的軸對稱收斂/發(fā)散噴嘴和更長的噴嘴襟翼，以便在CTOL和CV變體上獲得更好的性能。其他變化包括平面形式交易（鴨翼與尾翼），入口設(shè)計（插入記號入口與無分流器凸塊入口），起落架布置和武器集成。

但是，通過將三十年前的矢量化方法與現(xiàn)代發(fā)動機和LO噴嘴相結(jié)合，滿足STOVL重量和性能的關(guān)鍵因素已經(jīng)到位。軸對稱噴嘴提供可預(yù)測的背壓控制，與軸驅(qū)動提升風扇系統(tǒng)完美配合。這些碎片正在落到位。

Pratt & Whitney和Rolls-Royce使用早期P&W工作中的許多設(shè)計概念圖紙制造并飛行了X-35原型機的3BSD。原型機包括一個襯墊，該襯墊將旁路冷卻空氣引導(dǎo)通過旋轉(zhuǎn)接頭在所有偏轉(zhuǎn)處，即使在加力燃燒室中也是如此（盡管加力燃燒室過去和現(xiàn)在都沒有用于懸停在X-35B和F-35B上）。

常規(guī)起飛和降落X-35的首次飛行發(fā)生在2000年10月，STOVL X-35B于2001年6月飛行。原型和生產(chǎn)發(fā)動機噴嘴與Convair安裝的設(shè)計非常相似。X-35的所有三種變體都帶有為STOVL變體設(shè)計的短噴嘴襟翼。用于生產(chǎn)F-35A變體和F-35C變體的更長的LO噴嘴襟翼是后來在生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)工作下開發(fā)的。

俄羅斯旋轉(zhuǎn)噴嘴設(shè)計

互聯(lián)網(wǎng)上出現(xiàn)了大量關(guān)于蘇聯(lián)Yak-41（后來的Yak-141），北約報告名稱Freestyle與X-35和JSF計劃其余部分的關(guān)系的錯誤信息。Pratt & Whitney 3BSD噴嘴設(shè)計早于俄羅斯的工作。事實上，3BSD在Yak首次飛行前近二十年就用真正的發(fā)動機進行了測試。

在整個1970年代和1980年代，蘇聯(lián)海軍希望一架超音速STOVL戰(zhàn)斗機從其配備滑雪跳臺的航母上操作。雅科夫列夫設(shè)計局何時意識到多旋轉(zhuǎn)噴嘴的設(shè)計尚不清楚，但聯(lián)盟號發(fā)動機公司創(chuàng)造了自己的變體。從公布的圖片來看，Yak-41版本的噴嘴似乎是一個三軸承旋轉(zhuǎn)管道，具有顯著的偏移“扭結(jié)”。Yak-141還使用了兩臺RKBM RD-41升降發(fā)動機 - 與Convair Model 200設(shè)計幾乎相同。這架飛機也被重新標記為Yak-141，以暗示生產(chǎn)版本，但沒有后續(xù)系列的訂單來自俄羅斯海軍。

Yak-141于1991年在巴黎航展上飛行。當升降機發(fā)動機的熱量開始從停機坪上移開瀝青時，牦牛的飛行展示被暫停。在1992年的范堡羅車展上，牦牛僅限于常規(guī)起飛和著陸，懸停在跑道上方500英尺處，以避免瀝青損壞的重復(fù)性能。但是，Yak-141確實值得稱贊，因為它是第一架使用三軸承旋轉(zhuǎn)噴嘴飛行的噴氣式戰(zhàn)斗機 - 這是在美國首次設(shè)計二十五年后。

在JAST努力的早期，洛克希德公司（由JAST項目辦公室的美國政府官員陪同）與其他幾家航空設(shè)備供應(yīng)商（特別是Zvezda K-36彈射座椅）一起訪問了雅科夫列夫設(shè)計局，以檢查雅科夫列夫的技術(shù)和設(shè)計。

雅科夫列夫正在尋找資金來維持其垂直起降計劃的活力，但沒有收到任何生產(chǎn)版本的Yak-141的訂單。洛克希德公司提供了少量資金，以換取Yak-141的性能數(shù)據(jù)和有限的設(shè)計數(shù)據(jù)。美國政府人員被允許檢查飛機。然而，在這些訪問之前，X-35上的3BSN設(shè)計已經(jīng)到位。

3BSD于1960年代在美國發(fā)明，由康維爾于1970年代向美國海軍提出，1980年代后期由俄羅斯人首次飛行，從1960年普拉特惠特尼設(shè)計為X-35在1990年代重新設(shè)計，并在2000年代投入生產(chǎn)F-35。有時，一個好主意必須等待正確的應(yīng)用程序和一系列情況出現(xiàn)。這個故事的一個寓意是不要拋棄過去所做的好工作。只是以后可能需要它。

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注:Kevin Renshaw曾擔任通用動力公司的ASTOVL總工程師，后來在1994年洛克希德ASTOVL總工程師Rick Rezabek擔任副工程師，當時3BSD概念被納入X-35B設(shè)計。Renshaw繼續(xù)在Skunk Works的高級系統(tǒng)開發(fā)部門工作，他目前正在從事DARPA ARES VTOL無人機計劃的飛行演示。