F-35闪电II战斗机研发史

万磁王

作者：魏楞杰

　　美国协同八个伙伴国联合发展的F-35联合打击战斗机（Joint Strike Fighter），结合了F-117夜鹰（Nighthawk）的隐身、F-16战隼（Fighting Falcon）的超音速、F-18大黄蜂（Hornet）的舰载操作、AV-8B鹞式（Harrier）战斗机的短距起降能力，并有更远的航程及更佳的可靠性，现三种原型机皆已顺利出厂，正进行全系统发展验证（System Development and Demonstration）最后的试飞阶段。

万磁王

　　F-35共有三型，分别为美国及盟国空军的常规起降型F-35A、美国海军陆战队及盟国海军的短距起飞和垂直降落型（Short Take-Off and Vertical Landing，STOVL）F-35B、以及美国海军的舰载型F-35C。F-35A的外形很典型︰进气道在中机身两侧，发动机在后机身，发动机净推力11340千克（25000磅级），加力推力18144千克（40000级）；F-35B的座舱较短，座舱后方进气道之间为升力风扇（lift fan），由发动机经传动轴驱动；F-35C舰载型的机翼较大，以降低在航母上的降落速度，同时减少诱导阻力（induced drag）并增加燃油空间，所有航程也较远。

F-35ABC三型的区别

万磁王

　　由于1960年代联合实验型战术战斗机（Tactical Fighter Experimental，TFX）计划的失败，不同军种间的任务需求可否容纳于一种共通型战斗机内，最初颇让人质疑。实验型战术战斗机项目原构想以一共通型机身及发动机，来满足海军舰队的防空需求及空军的远程战术轰炸机需求，以省下数十亿美元的开发经费，但美国海军后来因飞机太重不适合舰载操作而放弃，继续留在项目内的美国空军得到的是一型以战斗机而言不够灵活，以战术轰炸机而言又太小的F-111。

F-111B“海猪”战斗机给美国海军留下了恶劣的回忆

　　要开发一型超音速垂直起降战斗机是极大的挑战，以前曾出现的VAK 191和XFV-12A技术验证机无法超音速飞行，也未正式服役；后来问世的STOVL机AV-8和雅克-38虽然正式成军，但依旧无法超音速飞行。根本原因是只有庞大的发动机才能提供飞机所需的悬停推力，同时机上还得携带大量的燃油供其消耗，故无法设计出纤细的超音速飞机外形。

万磁王

垂直起降战斗机的发展历程
　　最早开发的第一代垂直起降战斗机，是1950年代美国洛克希德公司（Lockheed）的尾坐式（tail-sitter）XFV-1、康维尔公司（Convair）的XFY-1、和瑞安公司（Ryan）的X-13，当时战斗机的发动机推力已相当接近飞机重量，设计人员因而认为只要让推力再增加少许，这种尾坐式战斗机就能以机头向上、机尾朝下的方式垂直起降。不过XFY-1试飞的结果显示飞机的操控性很差，由垂直转换到水平飞行姿态并不容易，飞机悬停控制力也不佳，要垂直起降非常困难，处于仰躺姿态的飞行员既无从得知地面的远近，也不知道机身降落速率的快慢，要顺利降落是一大挑战，并非每一个飞行员都有能力安全起降。

洛克希德XFV-1

康维尔XFY-1

瑞安X-13

万磁王

　　第二代的垂直起降战斗机如1960年代法国幻影IIIV，除了传统的机尾发动机外，还在机上加装8台专门降落用的垂直发动机，飞机仍然以传统的水平姿态起飞，飞行员也能藉由观察地面远近判断飞机的下降速率。不过，加装的8台发动机占用机身太多空间，在飞机巡航时毫无用处；而飞机起降时，原本的发动机不仅没有施展的余地，反成为飞机上多余的重量，因此这种战斗机的航程、挂载能力很不理想，例如幻影IIIV就无法挂载任何武器。另外垂直发动机排出的废气不但会造成机身腐蚀，如果窜入垂直发动机的进气道内，还会造成发动机失速而丧失推力，对飞机的起降安全构成一大威胁。

幻影IIIV

万磁王

　　1970年代第三代垂直起降战斗机的西德VJ-101使用倾转式发动机。VJ-101的外形很像F-104，使用6台发动机，2台并列位于驾驶舱后方，专用于产生垂直升力，另外两翼尖各有一具内装2台发动机的旋转式发动机吊舱。垂直起降时发动机吊舱为垂直方向，与驾驶舱后方的2台发动机共同提供垂直推力，巡航飞行时发动机吊舱旋转成水平方向，提供水平推力。不过这种飞机要由巡航姿态变换到垂直起降姿态非常困难，反之亦然，而且垂直起降所需的发动机推力大且体型大，气动阻力自然大，航程、载重都不尽如人意。

西德VJ-101

万磁王

　　同时期西德的VAK 191和俄罗斯的雅克-38、雅克-141采结合偏转发动机推力和加装升力发动机（lift engine）的混合方式。VAK 191使用2台升力发动机，1台在驾驶舱后方，1台在机翼后缘后方，2台升力发动机中间为1台偏转式发动机，提供垂直及水平方向推力；雅克-38与雅克-141的推进及升力方式很类似，都是在驾驶舱后方安装2台升力发动机，机尾的主发动机喷管为可旋转式，垂直起降时，由2台升力发动机和可向下弯折90度的主发动机喷管负责所需的垂直推力，起飞后主发动机喷管自动改成水平方向，提供飞机水平飞行的向前推力。这种方式的升力发动机占用太多机身空间，也产生热废气回流机身造成腐蚀及发动机失速的问题。

VAK 191足足安装了三台发动机

雅克-38的发动机布置

雅克-141的发动机布置

万磁王

　　目前最成功的垂直起降战斗机，是采用偏转发动机推力来提供飞机悬停所需的升力。现今唯一现役的AV-8B就是使用一具高旁通比发动机，机身两侧前后各有1个可向下偏转的喷管，垂直起降时4个喷管一起旋转到垂直向下位置，提供飞机垂直悬停推力，水平飞行时则向后偏转，以提供飞机向前的推力。AV-8B的航程、载重能力都足以与一般的轻型战斗机相媲美，只是发动机直径太大，飞机受外形限制无法超音速飞行。

相比之下，“鹞”的旋转喷管设计只用一台发动机就实现了STOVL

　　简单来说，垂直起降战斗机的发展过程可归纳如下︰先是竖立飞机，接着是竖立发动机，然后是偏转发动机，最后则是恍然大悟只需偏转推力即可。

万磁王

双模式发动机
　　美国海军在1980年针对未来的机队进行海基空中主宰研究（Sea Based Air Master Study），获得重要结论之一是以当时的技术水平，海军要拥有全部都是STOVL的机队，比起传统舰载型机队要贵很多。根据此结论，美国国家宇航局（NASA）启动了先进STOVL（Advanced Short Take Off and Vertical Landing）项目，以开发出降低超音速STOVL飞机成本的技术。由1980年到1987年间，美国国家宇航局提供经费由各大飞机公司进行取代AV-8B的超音速后续机种概念研究，当时洛克希德的研究概念就取材自罗罗（Rolls Royce）公司的串列式（tandem）风扇发动机。

一种基于串列风扇发动机的STOVL战斗机设计

万磁王

　　串列风扇发动机是把传统发动机加长，第一级风扇往前移，在垂直起降阶段时，打开一辅助进气口以增加进气量，废气由前机身的喷管喷出，使此级风扇转变成一升力风扇，也就是在垂直起降模式时，发动机将部分推力移往前方，以平衡悬停的机身。但改变前级风扇的气流量，会削弱发动机的增压（supercharge）效应，因此在垂直起降模式时虽然进气量增加，总推力反而较巡航推力小，所以得加大发动机尺寸来满足悬停推力的需求，不过这会使发动机在巡航时显得过大，而且增加耗油率，加上升力风扇提供的推力不足以平衡机尾发动机喷管的推力，整台发动机得尽量靠近飞机重心，形成机翼、燃油、载荷、发动机全挤在重心附近，很难设计出流线的超音速飞机外形。

串列风扇发动机依靠第一级风扇提供前机身升力