抄袭还是原创？F-35B三轴承旋转喷管的前世今生

万磁王

作者：CodeOne
译者 Armstrong

　　每架F-35B“闪电II”短距起飞/垂直降落（STOVL）战斗机都装着一个非常关键的部件，这就是三轴承旋转喷管（3BSD）。3BSD位于飞机尾部，作用是普惠F135发动机的推力矢量从平飞时的向后变为垂直起降时的向下。这种矢量喷管可以平滑下弯95度而无需改变发动机运行状态，并且还能在F-35B悬停以及悬停与平飞间过渡时进行偏航控制。
3BSD的起源
　　在20世纪60年代的冷战高峰，鉴于北约空军基地易遭苏联先发制人的空中打击，所以西方开始对垂直起降（VTOL）战术飞机产生了兴趣。这种飞机平时躲在硬化机堡中，在基地遭受突袭后仍然可以从损坏的跑道上起降。

这种飞机平时躲在硬化机堡中，在基地遭受突袭后仍然可以从损坏的跑道上起降。图为北美公司的设计

万磁王

　　美、英、德、法4国制造并测试了多种VTOL战斗机，但最后只有英国的“茶隼”成功服役，成为“鹞”式。铁幕另一边也只有苏联的雅克-38实际服役，该机使用了与“鹞”相似的发动机和矢量喷管布局。
　　同时美国海军也在研究海洋控制战斗机概念，这种VTOL战斗机可在小甲板的海洋控制舰上起降，无需部署在传统航母上。美国海军要求海洋控制战斗机能满载垂直起飞，并且还能作为常规舰载战斗机部署到航母上，所以必要配备带加力燃烧室的发动机。
　　而双操作模式又导致了更大更重的机身，对垂直升力的要求已超出主发动机的极限，最流行的解决方案是在前机身内增加小型升力发动机，在重心之前产生垂直向下的推力，这种设计被称为升力+升力/巡航发动机。艾里逊、罗罗及其他发动机制造商专门为此研制了多种小型涡喷升力发动机，飞机制造商们也制造了多种有着不同升力+升力/巡航发动机布局的VTOL原型机和验证机。
　　在60年代中期，几乎所有的美国发动机制造商都研究了安装在VTOL战斗机主发动机上的3BSD喷管。美国专利局收到来自普惠、通用电气、甚至是波音军用飞机分部提交的3BSD专利申请，其设计各具特色。
　　到60年代后期，普惠设计并测试了第一种3BSD喷管，一张1967年的设计图纸显示了该喷管的设计细节。普惠把第一个3BSD喷管在JT8D发动机上进行了测试，测试内容包括发动机在喷管弯曲90度状态时全加力运行。为避免试验台下方地面过热，JT8D被倒置让喷管向上弯曲。当然普惠最后也进行了向下喷气测试以评估因近地效应增加的压力对喷管性能的影响。

三轴承旋转喷管（3BSD）的尾喷管分成三段，接面都呈一定角度，通过三个密封圆形轴承连接起来。外部电机通过驱动旋转段上的齿轮来让尾喷管向下弯曲，在这个过程中前段和后段保持不动，只是中段旋转180度。最前端的轴承负责偏航控制，可以在垂直起降模式中对喷管进行横向偏摆

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　　1972年6月，通用动力康维尔分部为回应美国海军颁布的海洋控制战斗机设计需求书，提交了Model 200方案。Model 200将安装一台配备了普惠3BSD喷管的PW401加力发动机及两台艾里逊XJ99升力发动机，XJ99串列垂直安装在座舱后的机身中，产生的垂直升力足以平衡3BSD喷管向下喷气的推力。为了解决飞机加力垂直起飞时的地面高温问题，海洋控制舰的甲板上有一块金属格栅垂直起降区，可让炽热喷流穿过。

1972年6月，通用动力康维尔分部为回应美国海军颁布的海洋控制战斗机设计需求书，提交了Model 200方案。Model 200将安装一台配备了普惠3BSD喷管的PW401加力发动机及两台艾里逊XJ99升力发动机，XJ99串列垂直安装在座舱后的机身中，产生的垂直升力足以平衡3BSD喷管向下喷气的推力

为了解决飞机加力垂直起飞时的地面高温问题，海洋控制舰的甲板上有一块金属格栅垂直起降区，可让炽热喷流穿过

　　罗克韦尔公司提交了XFV-12引射增强方案与康维尔竞争，而且最后被美国海军选中进入原型机制造阶段，结果证明仅凭发动机的气流引射是无法产生足够垂直升力的。有人说美国海军是明知引射增强方案不靠谱但仍执意选择，只是为了消除小型海洋控制舰对大型“尼米兹”级航空母舰的潜在威胁。3BSD喷管的设计图纸于是被锁进了康维尔分部加州圣迭戈工厂的文件柜中。

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国防高级研究计划局的先进STOVL战斗机
　　美国在20世纪70~80年代一直研究“鹞”的后继机，希望能获得一种超音速多用途STOVL战斗机，其超音速性能和机载雷达正是“鹞”所缺乏的。
　　在此期间，美英合作为下一代VTOL和STOVL战斗机研究了推进升力系统。80年代后期，美国国防高级研究计划局（DARPA）也开始研究VTOL飞机，洛克希德、通用动力、麦道、波音参加了概念研究。这些研究导致DARPA正式展开先进VTOL（AVTOL）战斗机竞标，最后洛克希德胜出。1993年洛克希德买下通用动力沃斯堡分部——当时通用动力唯一的飞机制造和设计部门。
　　顺便说一些，AVTOL项目后来演变成三军联合先进技术攻击机（JAST），JAST随后又变成联合打击战斗机（JSF）项目，而洛克希德的X-35B原型机也最终成为今日的F-35B。
　　DARPA要求洛克希德制造一架AVTOL大型动力模型（LSPM），除进行气动测试外还要验证洛克希德轴传动升力风扇系统。

DARPA要求洛克希德制造一架AVTOL大型动力模型（LSPM），除进行气动测试外还要验证洛克希德轴传动升力风扇系统。DARPA称呼这个模型为X-32，谁知道以后成了波音JSF原型机的编号

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　　一开始洛克希德为LSPM设计了二元单斜面膨胀尾喷管（SERN），喷管的上挡板远长于下挡板，上挡板可向下偏转90度使喷流垂直向下喷射。为了调节悬停时发动机的背压，下挡板可前后滑动，根据需要调整尾喷管的截面积，而这是驱动升力风扇的一个关键控制要素。罗罗公司负责研制安装在普惠F100发动机上的SERN喷管。

一开始洛克希德为LSPM设计了二元单斜面膨胀尾喷管（SERN），喷管的上挡板远长于下挡板，上挡板可向下偏转90度使喷流垂直向下喷射。为了调节悬停时发动机的背压，下挡板可前后滑动，根据需要调整尾喷管的截面积，而这是驱动升力风扇的一个关键控制要素。罗罗公司负责研制安装在普惠F100发动机上的SERN喷管

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　　但随着风洞试验的进行，SERN喷管的缺点逐渐显现。SERN喷管依靠上挡板使喷流向下偏转，但喷流在碰壁后（上挡板的偏转位置）向下通过下挡板边缘时会发生气流分离，从而导致严重的推力损失。此外SERN喷管的重量不轻，由于矩形喷管的侧壁和大型挡板不能很好承受压力，所以必须采用较厚的材料和大量加强结构才能保持喷管在工作时不至于变形，否则就会出现密封问题，而在发动机全推力状态下驱动长1.8米的上挡板也需要非常庞大的操作机构。

但随着风洞试验的进行，SERN喷管的缺点逐渐显现。SERN喷管依靠上挡板使喷流向下偏转，但喷流在碰壁后（上挡板的偏转位置）向下通过下挡板边缘时会发生气流分离，从而导致严重的推力损失。此外SERN喷管的重量不轻，由于矩形喷管的侧壁和大型挡板不能很好承受压力，所以必须采用较厚的材料和大量加强结构才能保持喷管在工作时不至于变形，从而出现密封问题，而在发动机全推力状态下驱动长1.8米的上挡板也需要非常庞大的操作机构

为了取代SERN喷管，洛克希德研究了一系列替代方案。增强分流喷管（ADEN）用一个半圆铲形挡板进行喷流偏转；改进型增强分流喷管（MADEN）使用可偏转上下挡板。最后3BSD喷管产生的垂直升力更靠近重心，而且重量最轻

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　　LSPM在NASA的艾姆斯风洞和悬停试验台的试验证明了轴传动升力风扇的可行性，不过人们认为X-35B需要更好的尾喷管解决方案。

LSPM在NASA的艾姆斯风洞和悬停试验台的试验证明了轴传动升力风扇的可行性，不过人们认为X-35B需要更好的尾喷管解决方案

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　　此时一些沃思堡的原通用动力工程师参加了ASTOVL项目，随着圣迭戈工厂的关闭，这些工程师们有机会接触到康维尔留下的档案。
　　档案中就有Model 200和3BSD喷管的图纸。1994年10月普惠资助洛克希德沃思堡团队为ASTOVL研究3BSD尾喷管，研究内容涉及垂直起降时的喷管离地间隙，安装新喷管后的后机身阻力，安装新喷管后推进系统的整体性能。

1972年康维尔Model 200的3BSD喷管图纸。在康维尔设计中，方向舵动作器被机械连接在偏航控制轴承上，实现了两者的联动。而在X-35和F-35上，这个功能是由数字飞控系统控制旋转电机实现的。X-35/F-35和Model 200的喷管基本结构相同，包括那根弯曲的液压管线以适应旋转运动

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　　研究结果表明3BSD喷管除重量大幅轻于SERN喷管外，在所有模式下都能表现出优秀的推进性能。很快洛克希德就在ASTOVL 141构型上加入了3BSD喷管，并演变为X-35鸭式三角翼布局的原型机设计。

研究结果表明3BSD喷管处重量大幅轻于SERN喷管外，在所有模式下都能表现出优秀的推进性能。很快洛克希德就在ASTOVL 141构型上加入了3BSD喷管，并演变为X-35鸭式三角翼布局的原型机设计

　　普惠把3BSD喷管放大后直接匹配X-35的PW611发动机，据估计仅用3BSD喷管直接取代SERN喷管就能减重816千克。由于尾部重量的减轻，X-35总体设计的重量平衡也更容易。3BSD喷管还能提供SERN喷管所缺乏的偏航控制，因为喷管在弯曲向下时可以向两侧进行轻微偏摆。而采用SERN喷管时，只能通过升力风扇底部的百叶窗式叶片进行偏航控制，不仅增加了额外重量，而且进行偏航操纵时还带来不必要的滚转趋势。

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　　3BSD喷管用第一节旋转轴进行偏航控制，而且偏航推力是通过发动机中心线施加，且很靠近飞机的垂直重心，所以不会产生附加的滚转力矩。此外圆形的轴对称喷管在平飞和垂直起降中都能产生更大的推力。3BSD喷管弯曲向下时产生垂直升力的位置也比SERN喷管靠前，这样升力风扇和尾喷管之间就能获得更好的升力平衡。
　　很快3BSD喷管又融入了低可探测性轴对称喷管（LOAN）的隐身特性，后者在F-16上通过了验证。普惠工程师通过挖掘自己的档案，发现许多普惠在20世纪60年代研究3BSD喷管时的原始设计和测试数据，其中穿透轴承的冷却空气衬套设计让他们眼前一亮。

普惠和罗罗公司负责为X-35原型机制造并试飞3BSD喷管，他们从普惠3BSD喷管的早期研究图纸中借鉴了许多设计理念。例如原型喷管有一个穿过所有轴承的冷却空气衬套，一直延伸到加力燃烧室，尽管X-35B和F-35B在悬停无需开加力

在这张照片上可以看到X-35B喷管的外部驱动马达和盘绕着的管线，结构和1972年的设计几乎完全相同。不过X-35B/F-35B使用以燃油为工质的液压系统来驱动喷管，这也就是所谓的燃油液压技术。发动机自备液压泵增压燃油驱动液压马达，然后这些燃油还是会进入发动机消耗掉

3BSD喷管用第一节旋转轴进行偏航控制，而且偏航推力是通过发动机中心线施加，且很靠近飞机的垂直重心，所以不会产生附加的滚转力矩。此外圆形的轴对称喷管在平飞和垂直起降中都能产生更大的推力。3BSD喷管弯曲向下时产生垂直升力的位置也比SERN喷管靠前，这样升力风扇和尾喷管之间就能获得更好的升力平衡

　　1995年，洛克希德ASTOVL / JAST团队正式改用3BSD喷管，他们为STOVL型设计了较短的3BSD轴对称收敛/扩散喷口，为常规起降（CTOL）和舰载（CV）型设计了较长的喷口，后者具有更好的性能。X-35鸭式变为常规布局，并引入无附面层隔板的蚌式进气口，起落架和武器布置也有所改变。
　　通过把现代发动机技术、隐身技术和已经30年历史的3BSD喷管相结合，洛克希德终于获得了能满足SVTOL战斗机重量和性能要求的关键技术。这种轴对称喷管能提供可预测的发动机背压控制，实现与轴传动升力风扇系统无缝协同，这些都奠定了X-35成功的基础。