F-35闪电II战斗机研发史

万磁王

　　1986年夏天，各家飞机公司的研究成果经美国国防部审查后，认为各公司的设计概念在成本、性能上并没有显着的优势，不过其中有些设计概念还不错，包括洛克希德的串列风扇发动机设计，国防部因此鼓励发展能提升这些设计性能的新技术，洛克希德也因而持续研究到1991年。
　　在这段期间，美国国家宇航局也与洛克希德的臭鼬工厂（Shunk Works）合作，研究把升力发动机安装于F-117上，以评估制造隐身STOVL打击战斗机（STOVL Strike Fighter）所需的技术。1986年秋天，美国国防先进研究项目局
（Defense Advanced Research Projects Agency，DRAPA）扩充美国国家宇航局的研究范围，提供经费给臭鼬工厂进行为期九个月的研究，为海军陆战队设计一款超音速隐身战斗机，此战斗机需能执行F/A-18的空优任务，也能执行
AV-8的空中近距支持任务，此种结合超音速及垂直起降的性能需求，表示发动机不但得提供足够的推力以完成短距起飞、垂直降落，而且外形不能太大，以免增加超音速风阻。要开发出此型新战斗机，关键就在发动机。
　　理想的垂直起降战斗机推力重量比大约是1.2，以提供充裕的垂直加速、操控推力。传统的F/A-18一般起飞重量大约16783千克（37000磅），发动机静推力9979千克（22000磅），推力重量比仅有0.6，开启加力则可提升到0.95。F/A-18要垂直起降，得有19958千克（44000磅，起飞重量的1.2倍）净推力，机尾提供的现有推力明显不足，欠缺的22000磅得由前机身处提供，才能使飞机重心平衡，因此开发垂直起降战斗机的问题就是如何使推力加倍，而增加的推力还须落在前机身处。
　　洛克希德运用头脑风暴来寻求解答，该公司以列表方式将如何由机尾发动机的高压热空气获取动力、如何将动力由机尾传输到机头、如何将动力转化为推力，列成一张三栏式清单，然后由各栏中任意挑选一项相互组合，再构思如何让此组合成功工作。臭鼬工厂的工程师由此方式想出了一些很有创意的观念，例如有人就提出以机尾喷气的动力去驱动气体激光，激光将能量送到前机身，点燃该处的脉冲喷气发动机（激光脉冲发动机，用激光能量加热发动机中的中性推进剂或气体介质，产生瞬态的高温高密度等离子体并迅速膨胀，然后从发动机喷管中以很高的速度喷出产生推力）。
　　不过这些概念都不具可行性，洛克希德最后想到以传动轴将发动机动力向前传输，以推动前机身的升力风扇，机尾发动机喷管也可偏折向下，另外在两侧翼尖安排发动机旁通气流通道。调整前、后机身的推力可控制机身的俯仰；调整翼尖的旁通气流可控制机身的偏转。
　　洛克希德并以一简图向DARPA介绍如何将此设计概念应用于F-117飞机上，在原始草图中，升力风扇的轴线方向与机尾发动机轴线一致，利用与AV-8飞机雷同的旋转式喷管使推力偏折向下。

安装串列风扇发动机的F-117 STOVL改型，推进尾喷管沿机翼后缘布置

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　　DARPA对这个构想很有兴趣，因此在1989年1月提供经费，让臭鼬工厂进行使用这种发动机的飞机概念设计，DARPA也请麦道（McDonnell Douglas）和通用动力（General Dynamics）各自进行先进STOVL战斗机的概念设计研究。
　　概念设计的飞机任务需求共有三项︰空中近距支持、战斗空中巡逻（Combat Air Patrol）、以及甲板起飞拦截（Deck Launched Intercept），对其它的速度、机动特性、雷达特征…等都没有特别规定，唯一比较明显的规格是飞机的空重不能超过10886千克（24000磅），大约比F/A-18空重多5%，和常规起降型战斗机改装为舰载型所增加的重量大约相同。
　　洛克希德原先构想的F-117垂直起降战斗机由于机翼后掠角度过大，即使在一般迎角下，俯仰姿态也不甚稳定，因此很快就被束之高阁。洛克希德概念设计的先进STOVL打击战斗机，采三角翼加鸭翼（canard）的构型，鸭翼在亚音速巡航及机动时，就像个风向标，不会产生升力或阻力，但当进行超音速飞行致重心后移，或是襟翼偏折时，它就会产生调节力矩，让机头不致下掉。机上的内部武器舱可携带2枚AIM-120先进中距空空导弹和2枚短距AIM-9响尾蛇导弹。这架飞机的模型需要完成风洞吹风及雷达截面积测量，以验证分析预测的正确性。

洛克希德概念设计的先进STOVL打击战斗机

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　　臭鼬工厂还以普惠（Pratt & Whitney）的发动机模拟软件，检验升力风扇发动机的确可从主发动机获取足够的动力来推动升力风扇，洛克希德也把升力风扇的轴线方向转为与机身垂直，以获得最大的悬停推力。
　　艾力逊（Allison）发动机公司创新设计了由两个反向旋转风扇组成的升力风扇，使用二组传动齿轮，每组齿轮只负责传送一半动力，负载因此减半，大约与现今重型运输直升机齿轮箱的负荷差不多。艾力逊公司也设计了连接升力风和传动轴的二级式离合器，采用多片磨擦式，当要把升力风扇由静止加速到与发动机同转速时，先以打滑的方式来降低接合时的震动，再以机械方式锁定，以传送短距起飞或垂直降落所需的全部动力。

艾力逊（Allison）发动机公司设计的升力风扇奠定了F-35B成功的基础

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　　不过由于这种新发动机系统概念未经过实际验证，臭鼬工厂另外设计了一种气体推动的升力风扇做为备份方案。在后者的设计里，发动机排出的气体经由发动机外围导向前机身，推动一涡轮，再由涡轮推动升力风扇。这种设计提供的垂直升力不太够，需要很大的机内空间安排气流通道，较传动轴式设计来得重，垂直起降性能也较差，不过不需要修改发动机，因此成本比较便宜。

麦道公司的先进STOVL战斗机方案就是用了气体推动的升力风扇设计

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　　1989年秋天，DARPA安排洛克希德、麦道、通用动力三家公司在海军航空司令部（NAVAIR）简报各自的概念设计，这三家公司随后也都与DARPA续约，改进各自的设计，并评估采用隐身设计的可行性。后续研究在1990年底结束，海军陆战队在审查完全部的结果后，请洛克希德进一步强化概念设计的内容，让陆战队可由传动轴升力风扇和气动升力风扇中择优二选一。
　　但在1990年12月，当时的国防部长切尼（Dick Cheney）二度要终结V-22计划。陆战队只是个小军种，无力同时支持二种飞机的发展，因此把全部精力转向抢救V-22。几个星期后的1991年1月，切尼终结了纷扰已久的海军A-12计划，海军部长要求海军航空司令部把全部精力放在取代A-6的A/FX隐身战斗机计划上，洛克希德的研究重心也由先进STOVL打击战斗机转向此计划。1993年5月，洛克希德取得传动轴升力风扇的美国专利。

A-12全尺寸模型

A/FX隐身战斗机想象图

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通用可负担战斗机（CALF）
　　1991年中，DARPA与洛克希德不断向众院预算委员会及国防部官员简报，以确保有足够的经费进行先进STOVL打击战斗机技术成熟及风险降低的研究，这也使得当时主管研发及武器采购的助理部长肯恩（Gerry Cann）于1992年初交付海军咨询委员会（Naval Research Advisory Committee）一项新工作︰评估发展先进STOVL打击战斗机的可行性及迫切性。
　　1992年4月，当时的空军作战司令部副参谋长莫林将军（George Muellner）造访洛克希德的臭鼬工厂，视察该厂的最新发展。由于空军正开始构思所谓的多用途战斗机（MultiroleFighter）来取代F-16，因此洛克希德向莫林简报一型隐身常规起降战斗机。洛克希德去掉了先进STOVL打击战斗机的升力风扇和矢量喷管，代之以油箱和传统喷管，如此可将飞机的空重降低约15%，既增加航程，也降低成本；油箱加上半箱燃油的重量大约与升力风扇的重量相同，故原本的设计作战性能维持不变。
　　洛克希德建议空军与陆战队共同开发一通用型打击战斗机（Common Strike Fighter），让两军种能以实惠的价格获得所需的战斗机。由于美国海军、空军、陆战队曾有共同使用F-4鬼怪式(Phantom II）战斗机的历史，洛克希德认为此建议相当可行。
　　莫林准将要求洛克希德向位于兰利（Langley）空军基地的空军作战司令部参谋做进一步的简报，在进行后续简报前，洛克希德说服DARPA安排向空军参谋长麦克俾将军（Merrill McPeak）、海军作战长（Chief of Naval Operations）空战助理海军中将关立维（Richard Dunleavy）、国防部长办公室（Office of the Secretary of Defense）简报，由他们向各军种部长表达此想法。到1992年夏天，海军咨询委员会确定STOVL打击战斗机的确可行，并建议海、空军共同支持开发一高度共通性，可供空军及陆战队使用的多用途战斗机。
　　在国防部的全力支持下，国会拨款给DARPA启动STOVL及常规起降打击战斗机联合计划。DARPA在1992年8月向业界发出方案邀请书（Request for Proposal），以进行传动轴升力风扇及气动升力风扇之技术演示，以及通用可负担轻型战斗机（Common Affordable Lightweight Fighter）的概念设计，这是国防部首次向外界公开此计划，这一天也被订为联合打击战斗机（Joint Strike Fighter）计划的诞生日。
　　1993年3月，洛克希德和麦道获得DARPA的合约，分别负责完善传动轴升力风扇和气动升力风扇技术。当时通用电气（General Electric）公司提出的发动机报价较普惠便宜500万美元，因此麦道选择通用电气为合作伙伴；洛克希德则选择普惠，因为F-22就使用普惠的F119发动机，也是当时唯一生产中的新发动机，洛克希德相信唯有普惠有能力提供演示机所需要的新发动机，洛克希德也要求普惠只为洛克希德独家开发传动轴驱动的升力风扇发动机。
　　一年后的1994年3月，国会另外提拨600万美元的经费，进行升力／巡航两用型发动机的设计研究，由于此种发动机概念已用于AV-8战斗机上，一般认为风险较低。波音此时表示愿意自行提供同额经费，因而也获得DARPA的发动机设计合约。
　　DARPA要求洛克希德、麦道、波音三家公司设计出生产型及演示型飞机，并用全尺寸模型进行地面动力测试以降低开发风险。这些测试将证明升力风扇发动机概念的可行性、升力风扇喷出的热气不会损坏结构、并证明飞机由悬停转换为向前飞行的过程中有足够的操控能力。之所以要求使用全尺寸模型是因为DARPA担心如果使用小尺寸模型机，将因尺寸关系无法呈现出升力气流真正的温度及扰流效应。
　　洛克希德的全尺寸模型外形与原先的STOVL打击战斗机设计相同︰后掠式主翼、鸭翼、垂直式升力风扇发动机、内置式武器舱，不过飞机的气动性能已凭借F-22的试飞数据进行了重新计算。
　　多用途战斗机的任务需求多了四项对地攻击任务，设计重点也由具备打击战力的空优战斗机改为具备部分空对空自卫能力的打击机。由于隐身和远距空空导弹技术已改变空战的本质，因此设计重点放在“先发现、先猎杀”（first look,first shot），降低了对近距离格斗的需求，所以去掉了原本的2枚AIM-9响尾蛇短距空空导弹，机内武器舱除了原来的2枚AIM-120中距空空导弹外，还需容纳2枚907千克（2000磅）级的联合制导攻击炸弹（JDAM），使得飞机的前视面积和波阻（wave drag）都小幅增加。空军构型还是采取之前的方式︰移除升力风扇和矢量推力喷管，代之以油箱和传统喷管。

洛克希德常规起降型与STOVL型的对比

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　　虽然分析及电脑模拟都显示F119发动机在理论上可提供足够的动力来驱动升力风扇，但实际操作时是否如此仍是疑问。洛克希德担心机身在悬停状态时，发动机喷管大角度偏转的推力损失；升力风扇推力和机尾喷管的推力能否快速调整并协调合作，以控制飞机的俯仰姿态；还有升力风扇的传动轴、离合器、齿轮箱的重量及可靠性。
　　演示用发动机系统要能澄清上述疑虑，并证明双模式发动机及驱动系统的可行性。为了节省花费，演示发动机及升力风扇的零件都取材自现货发动机，升力风扇取材自YF119发动机的第一级风扇及进气导片（inlet guide vane），传动配置与未来生产型升力风扇完全相同，因此齿轮箱的负荷也与生产型一致。而发动机则采用了普惠低旁通比F100-PW-220发动机的风扇及核心部分，搭配高旁通比F100-PW-229发动机的涡轮段。此涡轮的尺寸较大，可以提供足够的动力来驱动升力风扇及发动机风扇；发动机外机匣左右侧各有一开口，把旁通气流导出成为控制飞机滚转的喷射气流；发动机风扇转子也经过修改以与离合器搭接；发动机尾端为一可变面积的矢量推力喷管。
　　1994年12月，组装完成的升力风扇、齿轮箱、传动轴在艾力逊工厂进行验证，测量齿轮箱的动力传输损耗，验证垂直姿态下的润滑及滑油系统工作情况，制定扇叶片的扭曲极限，演示进气导片调节风扇推力的能力。这一次的验证相当成功，证明了在给定的动力要求下，制造出飞行用升力风扇及齿轮箱是可行的。
　　此力风扇随后被送到佛罗里达州西棕榈滩（West Palm Beach）的普惠工厂，1995年2月连接到验证发动机上，在巡航及STOVL模式下运转，演示发动机的涡轮可在提供巡航推力和驱动升力风扇间转换，并演示巡航发动机与升力风扇间快速传输动力的能力，以及俯仰控制的能力。
　　完成这些测试后，整套推进系统安装到一架由玻璃纤维及不锈钢制成的全尺寸模型机身上，到NASA埃姆斯研究中心（Ames Research Center）的室外悬停测试设施上测试。测试表明地面效应所造成的诱导下沉力不到推力的3%，而升力增进装置也有效地把起落架高度处的诱导下沉力限制在相当低的7%以内。当机身悬停在离地0.3米高度时，在大范围的俯仰及侧倾角度内都没发现热废气回流到发动机进气道的现象。

洛克希德的全尺寸模型

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　　NASA的37米长风洞测试了模型机的动力转换特性，根据襟翼大偏折角度下的风洞数据，显示此架飞机在甲板风速20节的情况下，不需着舰钩或弹射器就能在直升机船坞登陆舰（Landing Helicopter Dock）上安然起降，并足以在一定的空间内，由垂直悬停转换为向前飞行。测量数据也显示在转换过程中，即便有20节的侧风，飞机对加速、减速、侧倾姿态，都有足够的控制力。

洛克希德全尺寸模型在NASA进行风洞测试

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联合先进打击技术（JAST）
　　1993年2月，通用可负担轻型战斗机计划开始启动的同时，美国国防部针对三军现代化进行审查，目的之一是评估当时进行中的五项战术型战斗机发展计划︰美国空军的F-22和多用途战斗机、美国海军的F/A-18E/F和A/FX、DARPA的通用可负担轻型战斗机。美国海、空军向审查委员做了一份联合简报，建议以STOVL打击战斗机为基础，发展一高通用型多用途战斗机，称为联合攻击战斗机（Joint Attack Fighter）。
　　1993年9月出炉的审查结果终结了多用途战斗机和A/FX计划，但继续批准联合攻击机所需技术的研发，以取代预定2010年开始除役的AV-8、F-16、F-18，并启动联合先进打击技术（Joint Advanced Strike Technology）计划，但此计划最初并未包括海军陆战队要的STOVL机型。
　　1994年1月27日JAST计划办公室正式成立，计划目的是定义及开发未来战斗机所需的机身、武器及感测器技术，计划办公室于5月时请波音、洛克希德、麦道及普惠四家公司进行为期6个月概念探索（Concept Exploration）研究，研究结论认为发展一通用型战斗机是满足三军种需求的最经济方式。经过后续多次的取舍讨论后，计划决定此通用型战斗机为单座单发动机。海军一向偏好双发动机双座型战斗机，因此要求未来的单座战斗机须可执行海军预期的全部任务。
　　1994年10月时，美国国会指示DARPA把通用可负担轻型战斗机及陆战队的STOVL机型并入JAST计划内，成为三军种通用型战斗机开发计划。海军对此战斗机的最主要需求，是在甲板风速20节的情况下，能在91米内起降战斗机。洛克希德对如何满足需求，考虑出三种方案。
　　方案一是让海军也使用为陆战队开发的STOVL构型。这个方案最简单，但这种机型的航程、载荷能力都比传统舰载型来得差。
　　方案二是把STOVL构型中的升力风扇移除，让姿态调整喷射气流从襟翼上流过以增加机翼的升力，降低飞机起降速度，并增加弹射器及拦阻钩。不过海军以往使用的F-4鬼怪式战斗机也有类似的吹气襟翼设计，维护保养非常困难，洛克希德认为海军对这个方案应该不会有兴趣。
　　洛克希德选择采取的第三个方案，是加大襟翼及前缘襟翼，翼尖向外稍微伸长以增加翼面积、降低起降速度，并增加弹射器及拦阻钩。较大的机翼可降低诱导阻力并增加机翼内的油箱容量，因此海军机型的航程较陆战队及空军机型都来得远。

洛克希德的三种JAST型号，此时已经抛弃的鸭翼

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　　拦阻钩会在起落架及机身上施加很大的负载，洛克希德因此重新设计了主起落架。空军及陆战队机型的设计规范是降落时的机身最大下降速率每秒3米，而海军型为每秒7.62米。同样前起落架配合弹射器而重新设计，机身也因为较大的负载采用缓冲构件（cushion part）的设计，在不改变基本结构安排的前提下，以较强的零件取代原本的零件，例如承受主起落架负载的机身隔框，在空军及陆战队机型上使用1.27厘米厚的铝合金，在海军机型上则是1.90厘米厚的钛合金。这种做法沿袭自F-16的生产线，起初是为了满足不同国家对子系统件不同的要求，结果F-16在基本机身之下有着许多不同的构型。
　　由于传动轴升力风扇的观念颇为新颖，也被认为风险最高，为了降低整体风险，原本的鸭翼改以传统的水平尾取代。

常规布局明显受到了F-22影响

　　1995年5月，洛克希德请开发雅克-38及雅克-141垂直／短距起降（Vertical/Short Take-Off and Landing）战斗机的俄罗斯雅克飞机公司（Yak Aircraft Corporation），针对STOVL推进系统及结构安排提供独立审查意见。洛克希德将其它公司公开发表的通用可负担轻型战斗机设计资料，以及洛克希德自己的推进系统专利申请文件交雅克公司研究，雅克公司根据自己的开发经验，估算出三型竞争STOVL机的性能及风险。该公司的审查报告中对洛克希德的设计相当肯定，并提供垂直／短距起降飞机升力系统的设计性能资料给洛克希德参考，为洛克希德打了一剂强心针。
　　三家竞标公司在完成最后的风洞吹试后，也陆续完成演示型及生产型飞机设计。洛克希德和麦道的设计相当雷同︰传统的机翼、机身、尾翼外形；波音则是无尾翼的三角翼机身。洛克希德之前已测试过全尺寸模型机的悬停及姿态转换，波音只完成全尺寸模型机的升力测试；麦道在完成气体驱动升力风扇系统测试后，向洛克希德要求与普惠公司共同开发传动轴驱动升力风扇系统，但遭到拒绝，只好转而开发未曾做过全尺寸测试的升力发动机。此时三家公司比较之下，洛克希德的设计反而变成风险最低了。