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直冲霄汉——美国F-35B短距/垂直起降型战斗机  

2007-01-27 10:02:43|  分类: 装备科技B |  标签: |举报 |字号 订阅

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美军联合攻击战斗机计划(简称JSF)是全世界最庞大的战机研发计划,目的是设计成为可替代目前美国空军、海军、海军陆战队的F-16 、F/A-18C/D、AV-8B“鹞”等各种战机的多用途、高险能战斗机,与F-22一起,构成美国新一代战斗机的高、低搭配。设计的机型共有三种:常规起降型(CTOL型,即F-35A)、短距/垂直起降型(STOVL型,即F - 35B)和舰载型(CV型,即F-35C )。三种机型均由在竞标中胜出的洛克希德·马丁公司研制开发,采用相同的引擎、相同的导航设备,所有零部件的互换率为60-80%。其中短距/垂直起降型——F-35B是JSF三种机型中设计难度最大、性能最优也最受瞩目的机型。

优异的性能设计

与以往的飞机设计方式不同,JSF小组在短距/垂直起降型战机——F-35B的样机设计过程中首次使用了全数字设计技术,开创了数字化技术在战机设计应用方面的先例。这种完全数字化的设计方法在节省时间和成本方面产生了巨大效果。短距/垂直起降型的“数字化三维实体设计”,意味着世界上参与项目设计的所有设计人员都有权进入设计网页,无论是意大利、挪威、美国加利福尼亚还是得克萨斯州的工程师和供应商都能进入设计数据库,设计和修改的数据可以即时传送,效率和准确率大大提高。设计出的虚拟飞机可以用数字进行操纵,同时还可应用数据程序进行产品加工,进而获得精确的尺寸,减少了工艺程序,确保了加工的准确性,使制造商避免了在制造物理样机时的返工和昂贵的制造成本。2004年11月底,F-35B 原型机完成了性能测试。这些原型机的工艺已经和当年的“鹞”式短距/垂直起降战斗机有了天壤之别。驾驶“鹞”式短距/垂直起降战斗机需要飞行员严格操纵方向舵、踏板、操纵杆、节流阀、喷嘴角度控制等复杂的装置。而在短距/垂直起降的F-35B原型机上,飞行员只需告诉计算机飞机要去的地方即可,机载的计算机数字化控制系统经分析后就会自动提交一个合理的方案来产生推力,调整推力喷管的角度、喷气以及空气动力控制等,最终顺利到达目的地。

按照设计指标,F-35B战机造价约为3250万美元,空重10.2-11.1吨,最大平飞速度1.4马赫,作战半径1300-1575公里,起飞滑跑距离不超过168米,垂直降落的有效载重为2.27 吨,其中454千克用于携带6枚小直径“联合直接攻击炸弹”, 另有2枚AIM-12O空对空导弹等,使用下一代雷达、航电系统及瞄准系统,具有更强的杀伤力。此外,洛克希德·马丁公司在设计中还采用了一些创新技术。在F-35B的蒙皮上,采用一种新的3M聚合物薄膜替代传统的表面涂漆,使一架飞机在全寿命使用范围内可节约近300公斤涂料。在隐身性能上,短距/垂直起战机将使用洛克希德·马丁公司的“臭鼬”工厂与美国特殊材料制造商——埃斯特莱因技术公司正在联合研究开发的耐高温新型隐身材料,这将有望消除当前所用隐身材料在遇到高温时容易退化的缺陷。

新颖的升力风扇

F-35B战机采用由洛克希德·马丁公司的“臭鼬”工厂、罗·罗公司和艾利逊公司共同设计的2级对转升力风扇。这种新颖的升力风扇设计可以使足够的空气转变为飞机悬停所需的垂直气流而无须增加发动机风扇的截面,进而避免了在超音速飞行时所产生的阻力。风扇可以看作是一个水平放置的涡桨,当飞机悬停时,它能使双倍的空气从飞机下面流过,并保持飞机的前视截面不超过传统飞机的设计水平。采用这种2级升力风扇方案还能使向下偏转的气流速度降低约33%,气流温度降低约250°。飞机主发动机驱动的风扇产生的冷空气推力,可降低前部进气道从发动机后面吸入热空气的可能性。升力风扇具有可转动的喷管,偏转范围从向前15°到向后30°,轴对称尾喷管偏转范围从0°到95°(垂直向前5°),并可左右偏转10°,当啮合器断开后,升力风扇将不再工作,喷管气流完全用于水平飞行。

洛克希德·马丁公司认为像F-35B这样体积比“鹞”大、并具有更大载荷和航程的飞机,升力风扇方案是唯一可行的升力系统。“鹞”为了吸进足够的空气进行垂直飞行,有两个巨大的进气道突出在飞机的两侧,很难使飞机达到超音速。洛克希德·马丁公司的设计不但进气道较小,使它可以在超音速情况下使用,而且当机身顶部的气门打开时,可以吸入周围的空气,当气流流过机身时,可以用升力风扇对它加速,从而得到悬停飞行所需的气流。由周围空气所形成的这股向下气流能够完全挡住向前的热气流并且可以在战机的前部提供足够的升力以配平飞机尾部热气喷口向下偏转的气流所产生的推力。另外,F-35B上升力风扇的进气道被设计成隐身性能较好的单块整体式复合材料部件,通过法兰盘焊在机身上,没有一个紧固件,减轻了飞机重量,也减少了零件数量。该公司认为这种新颖的升力风扇布局在为F-35B提供垂直升力时有3个明显的优点:一是在所用推力一定的情况下提供更大的载荷;二是改善了向下气流对地面冲击的影响;三是使F-35B进气道的前向截面积减小,降低飞机的迎风面积,有利于实现超音速飞行。

强劲的F136引擎

按照计划,F-35B与常规起降型、舰载型均将采用由普·惠公司设计生产的F136引擎发动机。据普·惠公司大型军用发动机项目经理介绍,F136发动机不仅具有超大的动力和便利的维护性,而且能够实现自身的“智能”管理。它不但能在故障发生之前感受到故障,而且能够自动补偿那些损坏的电子部件,使它在没有这些部件的情况下继续工作。故障发生时,系统将自动向飞机基地发出信号,报告故障情况,从而使维修人员准备好备件,当飞机着陆之后,可立即更换受损部件。由于设计时突出了部件的可拆换性能,发动机的多数部件都能在20分钟或更短的时间内更换完毕。F136发动机这种通用性很好地满足了F-35B对经济性、互换性和战备完好性的要求,也满足了所有用户的“关键性能参数”要求。

2005 年1月,F136 短距/垂直起降发展型发动机在俄亥俄州Peebles 的露天试车台上进行了首次试验。与常规起降型发动机不同的是,该型发动机系统另外增加了一个传动轴、离合器、2 级对转升力风扇(提供前面“冷端”的垂直推力)、机翼滚转喷管(提供“冷端”的滚转控制推力)和l个3轴承的旋转单元体(提供后面“热端”的垂直推力)。试验中,发动机与罗·罗公司的升力系统相连接并首次点火进行慢速泄漏检查、干起动和湿起动,而且进行了初步的机械和控制评估。评估结果显示,这种带有2级升力风扇的短距/垂直起降型F136发动机与“鹞”相比,产生的废气更少,着陆安全险更强,动力更大。其动力是“红隼”验证机的2.7倍,“鹞”式战机的1.9 倍,可产生178千牛的升力,实现了短距/垂直起降喷气机动力史上的一次大跨越。据披露,该型发动机的试验将一直进行到2005年5月,总试验时数为300小时。

但是,令F-35B战机美中不足的是它的超重问题。由于超重,飞机在全副武装并载满燃油的状态下,将不能完成短距起飞,也不能实现垂直降落。对此,JSF项目工程人员已在去年年中,提出了比较合理的设计修改意见(主要包括缩小武器舱、改用小直径炸弹和调整推进系统增大推动力)并得到了国防部的批准。批准后的F-35B减重设计措施可使飞机减重1.09吨,同时提高推进效率和其他一些修改将等向减重272公斤,总体减重效果为1352公斤。减小武器舱后,F-35B战机将只携带454公斤的小口径“联合直接攻击弹药”,而不再是原计划的908公斤。日前,实施后的F-35B着重计划已取得实质性进展。据“联合攻击战斗机”项目发言人凯西·克劳福德1月19日称,在美国防部对JSF项目的“详细设计”进行中期评估中,短距/垂直起降型战机的减重结果已接近1589公斤的减重目标,在目标值上下限之内,F-35B的超重问题有望在今年得到解决。

花落多家的前景

在“联合攻击战斗机”计划之初,F-35B只是为美国海军陆战队专门设计的,但其原型机一亮相,便以独特的魅力、优异的性能和低廉的价格同时吸引了美国空军和英国皇家海军的注意。尽管目前F-35B的设计还不成熟,超重的问题依然存在,但三家都计划大批购进这种新型战机,使F-35B战斗机呈现出花落多家的大好前景。

美国海军陆战队随着AV-8B和F / A-18使用寿命年限的接近,希望能在2008年得到首架F-35B,利用其短距起飞垂直降落能力接替AV-8B执行近距离支援、滩头支援和战场攻击任务,同时取代F/A-18承担制空和攻击任务。预计到2020年,海军陆战队将陆续接收420架F-35B战机。在阿富汗和伊拉克的作战,使美国空军认识到,他们也同样需要一种无论是在沙滩上、城市里还是在远离内陆的地方都能够起飞执行任务的新一代作战飞机。美国空军参谋长约翰·P·江伯在2004年12月中旬的一次讲话中说:“这种短距/垂直起降的飞机可以使我们在将来有机会实施更为有力的空中支援”。江伯称,在2010到2020年的十年间,美国空军将购买大约250 架短距/垂直起降的F-35B战机。英国皇家海军几种型别的“鹞”战斗机,也已经开始退出现役,从2012年开始,英国皇家海军也将购买60架能够从其现有的轻型航母上短距起飞升空作战的F-35B战机,取代“鹞”执行制空和攻击任务。

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