1、F-35“閃電II”戰(zhàn)斗機(jī)使用的F135發(fā)動機(jī)是有史以來戰(zhàn)斗機(jī)上安裝過的推力最大的噴氣式發(fā)動機(jī)。其中，用于F-35B的型號還集成了羅爾斯羅伊斯公司的升力系統(tǒng)，使該機(jī)能實現(xiàn)短距起飛垂直降落（STOVL）。那么這種發(fā)動機(jī)在設(shè)計上有什么獨(dú)到之處呢？F135發(fā)動機(jī)解剖圖F135推進(jìn)系統(tǒng)F135的直徑和空氣流量都比F-22“猛禽”戰(zhàn)斗機(jī)使用的F119發(fā)動機(jī)大。F135和F119都是軸流式發(fā)動機(jī)，也就是說氣流沿直線穿過發(fā)動機(jī)核心，這兩種發(fā)動機(jī)共享一個“高度通用核心”。從前往后看，這兩種雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的壓縮機(jī)系統(tǒng)大體相同，當(dāng)然這種相同主要指F135和F119共享發(fā)動機(jī)架構(gòu)，而不是使用了相同的零件。當(dāng)然除這些相

2、似性之外兩種發(fā)動機(jī)存在一些重要區(qū)別。由于單發(fā)的F-35需要F135產(chǎn)生高達(dá)43000磅（19504千克/191.27kN）的“濕”推力（也就是全加力推力，注意本文中的推力都是指推力級別，而不是具體數(shù)據(jù)），而F119的全加力推力是35000磅（15876千克/155.7kN）。所以F135需要比F119更大的氣流流量，為此加大了進(jìn)氣口直徑（1168毫米）和風(fēng)扇直徑（1270毫米），發(fā)動機(jī)總體直徑也更大了（1295毫米）。與F119相同，F(xiàn)135也采用三級風(fēng)扇（在軍用渦扇發(fā)動機(jī)上，風(fēng)扇是指整個低壓壓縮機(jī)組件）。每級風(fēng)扇都包括一個單片式整體葉片轉(zhuǎn)子（IBR，或簡稱為“葉盤”，由實心鈦合金盤體和鈦葉片

3、焊接而成）。第一級葉盤的中空葉片通過線性摩擦焊工藝焊接在盤提上，然后再加工成規(guī)定直徑。第二級葉盤采用實心葉片，使用相同技術(shù)焊接而成。線性摩擦焊是利用兩個工件以一定的頻率和振幅往復(fù)運(yùn)動而產(chǎn)生的熱量進(jìn)行焊接的方法，接合面受熱熔化后在壓力下使工件結(jié)為整體。經(jīng)過加速的氣流在第三級風(fēng)扇后被一分為二，57%進(jìn)入風(fēng)扇涵道成為旁通氣流，剩余43%進(jìn)入核心繼續(xù)壓縮（Air International的數(shù)據(jù)，普惠官方的數(shù)據(jù)僅0.57），與燃油混合，燃燒成熾熱燃?xì)猓龠M(jìn)入渦輪級，從而產(chǎn)生最大28000磅（12700千克/124.55kN）的干推力（非加力）。F135有一個六級高壓壓氣機(jī)（HPC）單元，每級同樣都采用

4、了整體葉盤。前幾級葉盤采用鈦合金制造，由于氣流經(jīng)過每一級的壓縮后都會變得更熱，所以后面一級或多級葉盤改用鎳基合金制造，以承受更高的溫度。F-35做常規(guī)飛行時，被高壓壓縮機(jī)壓縮進(jìn)入燃燒室的氣流壓力是剛進(jìn)入風(fēng)扇時的28倍，在F-35B懸停飛行時，這個比值上升到了29倍。F135的單環(huán)形燃燒室具有可拆卸襯墊和一組燃油噴嘴，全部容納在一個擴(kuò)散機(jī)匣內(nèi)。F135的燃燒室和F119十分相似，不過經(jīng)過改進(jìn)能承受更高溫度，以適應(yīng)F-35的高推力要求?？傮w而言，這兩種發(fā)動機(jī)的核心機(jī)，也就是高壓壓氣機(jī)+燃燒室+高壓渦輪的尺寸基本相同，F(xiàn)135的最大干推力大于F119，所以運(yùn)行溫度也必然更高。F119和F135都采用

5、了單級高壓渦輪（HPT），不過F135的低壓渦輪（LPT）是兩級，而不是F119的一級。之所以這么改動，原因在于F-35B短距起飛垂直降落型。F-35B發(fā)動機(jī)低壓渦輪所在的低壓轉(zhuǎn)子不僅被用于驅(qū)動風(fēng)扇級，也被用于驅(qū)動一根傳動軸，這樣才能使座艙之后發(fā)動機(jī)之前的羅爾斯羅伊斯升力風(fēng)扇產(chǎn)生垂直升力。這個升力風(fēng)扇是羅爾斯羅伊斯升力系統(tǒng)的三大組件之一，正式這套升力系統(tǒng)使F-35B具有了懸停能力。那么，這和F135的兩級低壓渦輪有什么關(guān)系呢？這是因為從項目一開始，F(xiàn)135發(fā)動機(jī)就被要求實現(xiàn)“三型兼容”，也就是說F-35A所用的發(fā)動機(jī)要能與F-35B/C的保持盡可能多的通用度。當(dāng)然，這三種發(fā)動機(jī)直接仍存在一些具

6、體據(jù)別，所以獲得了各自的編號：F-35A的是F135-PW-100，F(xiàn)-35C是F135-PW-400，F(xiàn)-35B是F135-PW-600。其中，F(xiàn)135-PW-600被設(shè)計來滿足F-35B嚴(yán)苛的短距起飛垂直降落要求，所以需要一級額外的低壓渦輪來驅(qū)動傳動軸，于是為了保持通用性，F(xiàn)135-PW-100/-400保留這個第二級低壓渦輪。當(dāng)然，第二級低壓渦輪也給F-35A/C帶來了一些好處，這級渦輪提供了大量額外的推力余量，能應(yīng)對F-35的潛在重量增長。由于F135-PW-100/-400無需為短距起飛垂直降落任務(wù)作出犧牲，所以可維護(hù)性也得到改善。F135熱段冷卻空氣通道布局和冷卻氣流與F119不同

7、，此外，渦輪葉片表面的隔熱涂層材料也進(jìn)行了改進(jìn)，這層涂料能夠保護(hù)鎳基超級合金制成的渦輪葉片和定子葉片不會被燃燒室噴出的1649度熾熱燃?xì)馊诨135和F119上，用于冷卻高低壓壓氣機(jī)的空氣都引自旁通氣流和高壓壓縮機(jī)引氣，在渦輪葉片和渦輪段殼體中布置有復(fù)雜的細(xì)小空氣通道管網(wǎng)，這點(diǎn)與商用渦扇發(fā)動機(jī)類似。F-35A使用的F135-PW-100安裝在F-35B上的F135-PW-600發(fā)動機(jī)STOVL模式下的F-35B反向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子、陶瓷基復(fù)合材料和加力燃燒室普惠公司不愿意過多談?wù)揊135發(fā)動機(jī)的一個重要特點(diǎn)反向旋轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，這個結(jié)構(gòu)也繼承自F119。轉(zhuǎn)子的反向旋轉(zhuǎn)在某些情況下能夠理順從高壓壓氣機(jī)流

8、向低壓壓氣機(jī)的核心氣流，可能允許普惠省掉一排或多排定子（定子的作用是在多級風(fēng)扇、壓縮機(jī)或渦輪間理順氣流，使氣流以最優(yōu)狀態(tài)進(jìn)入下一級）。普惠可能已經(jīng)在F135上實現(xiàn)了減少零件數(shù)量和降低重量，但該公司拒絕證實這點(diǎn)。F135使用了陶瓷基復(fù)合材料（CMC），主要用在F135-PW-600噴管的外側(cè)部分。F135-PW-600風(fēng)扇機(jī)匣部分（尤其底部）采用有機(jī)基材復(fù)合材料（OMC）制造，F(xiàn)135-PW-100/-400的風(fēng)扇機(jī)匣則由鈦合金制成。F-35在進(jìn)氣道某些區(qū)域也采用了有機(jī)基材復(fù)合材料。F135的加力燃燒室或加力系統(tǒng)也很有特色。盡管普惠公司并未透露細(xì)節(jié)，但已知F135采用了多區(qū)燃油噴射（可能是三區(qū)）

9、技術(shù)來把燃油噴向加力燃燒室點(diǎn)火器后方。燃油噴嘴可以單區(qū)噴射燃油，所以可以調(diào)節(jié)加力燃燒室的加力幅度，不再是要么全有要么全無的工作方式。在飛行員的控制下，多區(qū)燃油噴射技術(shù)可以提供一個平穩(wěn)的濕推力變化過程。與F119發(fā)動機(jī)相同，F(xiàn)135的加力燃燒室也采用了隱身設(shè)計，這兩種發(fā)動機(jī)把多區(qū)燃油噴嘴隱藏在彎曲的靜態(tài)導(dǎo)向葉片中，從而取消了傳統(tǒng)的噴油桿和火焰穩(wěn)定器（當(dāng)你從其他渦扇發(fā)動機(jī)的尾噴管向里望去時，就能清楚看到這兩個設(shè)備）。F135的風(fēng)扇機(jī)匣羅爾斯羅伊斯升力系統(tǒng)F-35項目的最顯著的特點(diǎn)之一就是在F-35B懸停時，它的推進(jìn)系統(tǒng)在非加力狀態(tài)下產(chǎn)生的升力非常接近其全加力推力。F-35B在懸停時，發(fā)動機(jī)能產(chǎn)生3

10、9400磅（17872千克/176kN）的非加力垂直升力，而在常規(guī)飛行中，則能產(chǎn)生28000磅（12700千克/124.55kN）干推力和43000磅（19504千克/191.27kN）的全加力推力。F-35B的F135發(fā)動機(jī)依賴兩個系統(tǒng)來實現(xiàn)如此高的垂直升力。首先是全權(quán)限數(shù)字發(fā)動機(jī)控制單元（FADEC），這是一套由BAE系統(tǒng)公司制造的安裝在發(fā)動機(jī)上的計算機(jī)，不過軟件是普惠定制的。在懸停時，F(xiàn)ADEC能壓榨出發(fā)動機(jī)的所有潛力，使干推力從28000磅增加到39400磅。其次是羅爾斯羅伊斯的升力系統(tǒng)，與F135發(fā)動機(jī)一道組成了短距起飛垂直降落推進(jìn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由4大主要組件組成。F-35B升力系統(tǒng)示

11、意圖F-35B懸停狀態(tài)流場分析第一個組件是升力風(fēng)扇升力風(fēng)扇垂直安裝在F-35B座艙后方，直徑1270毫米，高度也是1270毫米。升力風(fēng)扇從機(jī)背頂部的進(jìn)氣口吸入冷空氣并加速氣流向下噴出，以此產(chǎn)生垂直升力。升力風(fēng)扇的進(jìn)氣口被洛克希德馬丁公司制造的一塊大型蓋板蓋住，這塊蓋板諢名“1957款雪佛蘭發(fā)動機(jī)蓋”，鉸接于進(jìn)氣口后方的機(jī)身結(jié)構(gòu)上。F-35B懸停、短距起飛、或處于平飛和懸停間的過渡飛行時，蓋板向后打開。升力風(fēng)扇由兩級反向旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇組成，一級疊加在另一級上方，每級都是整體葉盤結(jié)構(gòu)。上級風(fēng)扇有24片空心鈦葉片，下級則是28片實心葉片。兩級風(fēng)扇各由一套錐形齒輪系統(tǒng)驅(qū)動（該系統(tǒng)通過一組圓錐形齒輪，能使驅(qū)

12、動軸的扭矩旋轉(zhuǎn)90度傳遞給風(fēng)扇）。兩套錐齒輪系統(tǒng)都被容納在一個共用齒輪箱中，由那根沿F-35B縱軸線布置的驅(qū)動軸驅(qū)動。在F-35B進(jìn)氣道的分叉處，包覆在整流罩內(nèi)的驅(qū)動軸穿過進(jìn)氣道把升力風(fēng)扇和發(fā)動機(jī)連接起來。在發(fā)動機(jī)那頭，驅(qū)動軸連接在第一級風(fēng)扇的風(fēng)扇轂上，由低壓轉(zhuǎn)子驅(qū)動。當(dāng)F-35B懸停時，這根驅(qū)動軸把28000軸馬力的功率傳遞給升力風(fēng)扇的離合器和錐形齒輪系統(tǒng)，使升力風(fēng)扇產(chǎn)生近20000磅（9072千克/89kN）的垂直升力（F-35B在懸停時，F(xiàn)135與驅(qū)動軸的工作模式就類似于渦槳發(fā)動機(jī)，把大部分動力用于驅(qū)動升力風(fēng)扇而不是從尾噴管噴出做工。從這點(diǎn)上看，F(xiàn)135可以說是世界上最強(qiáng)大的渦槳發(fā)動機(jī)）

13、。F-35B的發(fā)動機(jī)啟動后，驅(qū)動軸就在始終旋轉(zhuǎn)，所以需要一個離合器來接通或斷開升力風(fēng)扇。只有在需要使用升力風(fēng)扇時，離合器才與驅(qū)動軸接合并鎖定。由于離合器會因摩擦產(chǎn)生高溫，所以離合器片采用了與大型商用飛機(jī)起落架碳剎車片相同的耐磨材料來制造。由于懸停需要非常大的推力，發(fā)動機(jī)要吞入更多的空氣，所以洛克希德馬丁在升力風(fēng)扇后方增加了一對輔助進(jìn)氣門（AAID），用來向F135發(fā)動機(jī)提供額外空氣。F-35綜合測試部隊在馬里蘭州帕塔克森特河海軍航空站的測試中，發(fā)現(xiàn)輔助進(jìn)氣門受到環(huán)境影響出現(xiàn)了過度磨損和疲勞，此外暴露了密封性不足，門鎖使用壽命不足的缺點(diǎn)。這些問題導(dǎo)致低速率初始生產(chǎn)（LRIP）的F-35B在改裝輔

14、助進(jìn)氣門前被限制進(jìn)入一些短距起飛垂直降落模式。目前，所有LRIP1-LRIP5批次的F-35B都在進(jìn)行新輔助進(jìn)氣門的改裝。升力風(fēng)扇由兩級反向旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇組成升力風(fēng)扇蓋板打開時的流場分析升力風(fēng)扇鈦合金葉盤升力風(fēng)扇進(jìn)氣口的計算機(jī)模型升力風(fēng)扇的齒輪箱升力風(fēng)扇的導(dǎo)向葉片組裝中的升力風(fēng)扇升力風(fēng)扇全貌第二個組件是可調(diào)截面積葉片盒（VAVB）這個組件位于升力風(fēng)扇下方，實際上就是被升力風(fēng)扇的冷空氣噴管。羅爾斯羅伊斯公司生產(chǎn)的VAVB由一個鋁合金框架和六片百葉窗式鈦葉片組成。葉片可向后偏轉(zhuǎn)達(dá)42度，向前偏轉(zhuǎn)5度，以此調(diào)節(jié)氣流方向。這6片葉片能在一定程度上實現(xiàn)獨(dú)立控制，這6片中空鈦合金葉片中，1、2、3號葉片為一組

15、，由一個線性致動器驅(qū)動；4、5號葉片是第二組，由第二個線性致動器驅(qū)動；6號葉片由一個獨(dú)立旋轉(zhuǎn)致動器驅(qū)動。于是VAVB可實現(xiàn)噴管的矢量與截面積兼顧控制。VAVB同樣受到FADEC的控制。VAVB噴管能對升力風(fēng)扇產(chǎn)生的升力進(jìn)行矢量調(diào)節(jié)，這個組件被整合進(jìn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)中，能承受結(jié)構(gòu)載荷，這樣做的目的是節(jié)省重量，要知道實現(xiàn)短距起飛垂直降落的一個關(guān)鍵因素就是：發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的垂直升力大于飛機(jī)重量。VAVB的切削鋁制矩形框架上面開好了與機(jī)身結(jié)構(gòu)連接的安裝點(diǎn)，由于是一個結(jié)構(gòu)件，所以要預(yù)先交付給諾斯羅普格魯門公司以便安裝在該公司制造的機(jī)身中段上。VAVB噴管的鈦合金葉片VAVB噴管對升力風(fēng)扇氣流起到了調(diào)節(jié)作用VAVB噴

16、管流場分析VAVB噴管作為一個結(jié)構(gòu)件要預(yù)先安裝在機(jī)身中段第三個組件是三軸承旋轉(zhuǎn)模塊（3BSM）噴管F-35B在懸停模式中，有15700磅（7121千克/69.84kN）的垂直升力來自飛機(jī)尾部三軸承旋轉(zhuǎn)模塊（3BSM）噴管中向下噴出的熾熱燃?xì)狻＿@種有趣的噴管由三節(jié)連接在一起的管道組成，每節(jié)管道都是鈦合金的，每節(jié)都通過環(huán)形軸承與其他噴管連接。當(dāng)F-35B要懸停時，F(xiàn)ADEC會命令3BSM噴管向下偏轉(zhuǎn)95度，通過向下噴氣來產(chǎn)生垂直升力。對F-35B的升力風(fēng)扇設(shè)計師來說，滿足懸停和起飛條件下的所有推力要求，以及如何實現(xiàn)翼載飛行與懸停過渡過程中的推力矢量變化，都是非常艱巨的挑戰(zhàn)。3BSM噴管在2.5秒內(nèi)

17、就能完成95度偏轉(zhuǎn)（從水平偏轉(zhuǎn)到垂直狀態(tài)），噴管在懸停模式中還能左右偏轉(zhuǎn)12.5度進(jìn)行橫向控制。在懸停中，除了升力風(fēng)扇產(chǎn)生的近20000磅升力外，F(xiàn)-35B兩側(cè)翼根中的滾轉(zhuǎn)噴管（Roll Post）也能通過向下噴出旁通空氣產(chǎn)生3700磅（1678千克/16.46kN）升力。F-35B在不到3秒的時間里，就能把尾噴管15700磅的水平推力矢量偏轉(zhuǎn)成垂直向下，使總升力達(dá)到39000磅（17690千克）。F-35B的垂直升力幾乎相當(dāng)于歐洲“臺風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)的全加力推力，這驚人的推力矢量能力全靠F-35B龐大而復(fù)雜的FADEC軟件來實現(xiàn)，該軟件是普惠公司轉(zhuǎn)為F-35B的推進(jìn)系統(tǒng)開發(fā)的。3BSM噴管分為1、

18、2、3號三段管道，1號管道安裝與發(fā)動機(jī)上，2號管道在中間，最后一段是3號管道。每段管道上都有一個環(huán)形軸承，能夠彼此獨(dú)立旋轉(zhuǎn)。1、2號管道各安裝一個單獨(dú)的致動器，一個傳動齒輪箱把2、3號管道連接起來，使它們能夠反向同速旋轉(zhuǎn)。3BSM噴管的這兩個環(huán)形軸承致動器都是燃油液壓驅(qū)動的，部分燃油被加壓到3500psi（24.1兆帕）后作為液壓流體來驅(qū)動致動器的伺服閥。3BSM噴管下偏狀態(tài)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的3BSM噴管組裝中的3BSM噴管第四個組件是滾轉(zhuǎn)噴管滾轉(zhuǎn)噴管通過各自的管道與發(fā)動機(jī)相連。這根管道有著復(fù)雜外形，與發(fā)動機(jī)連接的一頭為圓形截面，然后過渡到噴管一端的復(fù)雜截面。這些鈦合金管道使用了超塑成形、擴(kuò)散連接和激

19、光焊接制造工藝。滾轉(zhuǎn)噴管位于兩側(cè)翼根下方，噴管截面積可調(diào)，在F-35B懸停時提供滾轉(zhuǎn)控制。為了實現(xiàn)這點(diǎn)，噴管管道從發(fā)動機(jī)引出旁通空氣再通過噴管向下噴出。每個滾轉(zhuǎn)噴管都被一個安裝在翼根下表面的鈦合金蓋板蓋住，這個艙門也受FADEC的控制。噴管在旋轉(zhuǎn)制動器的控制下可調(diào)截面積，能改變推力的大小和矢量，使飛行員在懸停時能控制F-35B在滾轉(zhuǎn)軸上的姿態(tài)。在洛克希德馬丁的X-35驗證機(jī)上，連接發(fā)動機(jī)外殼和滾轉(zhuǎn)噴管的管道中有一個閥門，正常飛行時閥門會關(guān)閉切斷旁通氣流。但生產(chǎn)型F-35B取消了這個閥門，旁通氣流持續(xù)進(jìn)入管道，所以只能用噴管蓋板來控制滾轉(zhuǎn)噴管通斷了。滾轉(zhuǎn)噴管位于兩側(cè)翼根下方，噴管截面積可調(diào)滾轉(zhuǎn)噴

20、管的安裝位置滾轉(zhuǎn)噴管的管道生產(chǎn)羅爾斯羅伊斯公司已經(jīng)把英國布里斯托爾的3BSM噴管和滾轉(zhuǎn)噴管的組裝線和測試設(shè)備搬到了美國印第安納波利斯工廠，主要是為了省錢，目前新工廠已經(jīng)投產(chǎn)。F-35B的升力風(fēng)扇都是在印第安納波利斯組裝和測試的，升力風(fēng)扇流水線的分為三個主要階段，其中的離合器、齒輪箱和風(fēng)扇模塊有各自的獨(dú)立組裝線。該工廠目前每月生產(chǎn)一套完整的升力風(fēng)扇系統(tǒng)，在F-35B生產(chǎn)高峰時，產(chǎn)量能翻三倍。印第安納波利斯工廠還負(fù)責(zé)組裝3BSM噴管，上面的致動器來自英國穆格工廠，此外還生產(chǎn)滾轉(zhuǎn)噴管和VAVB噴管。3BSM噴管的殼體在英國布里斯托爾工廠加工并安裝上環(huán)形軸承，然后被運(yùn)至印第安納波利斯進(jìn)行組裝，內(nèi)容包括安裝致動器和外部管線。組裝完畢的3BSM噴管會被運(yùn)到康涅狄格州東哈特福德，在普惠生產(chǎn)線上與發(fā)動機(jī)對接。完全組裝的F135發(fā)動機(jī)再被運(yùn)至洛克希德馬丁的沃斯堡工廠安裝在F-35B上。設(shè)計挑戰(zhàn)羅爾斯羅伊斯公司在設(shè)計這個升力系統(tǒng)時也遇到了不小的挑戰(zhàn)。以升力系統(tǒng)項目主任賈萊特瓊斯為首的一個團(tuán)隊專注于改進(jìn)升力風(fēng)扇的級