短距起飞垂直降落型JSF发动机全接触(组图)

1、短距起飞/垂直降落型JSF发动机全接触(组图)前言在过去的四十年中设计一款多功能超音速短距起飞/垂直降落（Short Take-Off & Vertical Landing ，STOVL）战斗机一直是几个飞机研发项目的目标。其中最引人注目的几个尝试是：德国EWR小组的 VJ 101C，法国达索公司的幻影III V和前苏联雅克福列夫设计局的雅克-141。 尽管以上三个项目都令人信服的验证了飞机的垂直起飞和超音速飞行的特性，但令人遗憾的是没有哪个项目进入到了发展制造阶段。历史上的各种尝试要么不能验证超音速短距起飞/垂直降落能力，要么仍然仅仅停留在图纸阶段。但是对这种具有超音速飞行和短距起飞

2、/垂直降落能力的飞机的渴望却从没有停止过。现在，这种具有卓越飞行能力的划时代飞机随着一个由美国领导的多国参与的联合攻击机（Joint Strike Fighter，JSF）项目的开展逐渐变为现实。JSF项目最早开始于1994年，当时取名为“联合先进打击技术”（Joint Advanced Strike Technology ，JAST）。JSF是正在发展中的将来供美国空军，海军和海军陆战队和英国皇家海军，皇家空军以及其他盟国军队共同使用的下一代战斗机。最初，JSF项目由四家公司：波音，洛克希德，麦道/英国宇航，诺斯罗普等参与，在1994年后期，诺斯罗普加入到麦道/英国宇航团队。根据美国国防部高

3、级研究计划局（DARPA）先进STOVL项目所提出的概念要求，四家公司分别开始发展JSF项目中STOVL型号的总体概念。波音公司提出了一个使用矢量推力系统的方案，这跟当时现役的“鹞”式垂直/短距起降战斗机有点相似。洛克希德公司则提出了使用轴驱动升力风扇（shaft-driven lift fan）的方案。麦道/英国宇航最初研究了一个气动升力风扇（gas-driven lift fan）的装置，而诺斯罗普公司则选择了升力-升力/巡航的结构模式，这跟以前苏联的雅克-141上使用的有点相似。后来诺斯罗普跟麦道/英国宇航联合组成团队的时候，他们选择了升力-升力/巡航模式作为他们的方案。1996年11月

4、16日，美国国防部长宣布波音公司和洛克希德马丁公司的方案胜出，进入到概念验证阶段（Concept Demonstration Phase ，CDP）。普惠公司也进入到概念验证阶段，负责开发动力系统。JSF项目的主要动力系统是以在F22“猛禽”上使用的普惠公司的F119-PW-100发动机为原型进行设计的。动力系统的开发要求是对于两家系统主承包商（Weapon System Contractor ,WSC）都要使用普惠公司的F119发动机内核（包括压气机，燃烧室和高压涡轮）。F119发动机是一个小涵道比的涡轮风扇发动机（简称涡扇发动机），单台推力35000磅。动力系统的开发要求波音公司和洛克希德

5、马丁公司都要以F119发动机的设计，材料和加工为基础分别开发新的风扇和低压涡轮。JSF119发动机大量的使用了F119发动机的成熟技术，所以降低研发成本。这种从F119发动机派生出来的新型发动机的推力达到了40000磅。两家主承包商都大量的借鉴了F119发动机的控制系统和外围系统，但他们都将另行开发新的发动机喷嘴。普惠公司在概念验证阶段开始为两家系统主承包商根据他们整体设计的差异分别完善基于F119的JSF119发动机系统，其中提供给波音公司的编号为JSF119-PW-614，提供给洛克希德马丁公司的编号为JSF119-PW-611.普惠公司开始对位于佛罗里达州的西棕榈滩的厂房进行广泛的设施改

6、装，改变原来的发动机试验台，使之能够适用于对舰载型JSF，常规起降型（CTOL）JSF和STOLV型JSF进行测试。一共改装了4个发动机试验台用于舰载型和常规起降型JSF的发动机测试，1个试验台用于对STOVL型JSF发动机的测试，另外改装了2个试验台用于对STOVL型发动机进行推力测量。同时，位于田纳西州Tullahoma的阿诺德工程发展中心（AEDC）的空军高空测试设施也进行了改装以用于对新发动机的测试，因为即使是用于舰载型和常规起降型JSF的发动机也是跟用于F22的F119发动机很不一样的。JSF119跟F119发动机之间的亲缘关系(F119特有，则JSF119另行开发)1997年3月，

7、以用钛材料加工一级风扇的带有叶片的转子拉开了 JSF119发动机试制的序幕。当第一个JSF压气机部件在1997年9月19日完成后，发动机开始了总装。第一个JSF发动机内核于1998年1月28日在普惠公司位于康涅狄格州Middletown的厂房完成。发动机的测试计划要求在最短的时间内验证其适用性。普惠公司为波音公司的JSF生产了2台发动机用于进一步的发展，2台发动机用于质量验证，2台发动机用于飞行测试。同样为洛克希德马丁公司的JSF也做了同样的安排。每家的发动机都经历了超过1000小时的地面测试。整个发动机测试开始于1998年6月11日，首先对用于洛马公司的SE611发动机进行了测试，10天后开

8、始了对用于波音公司的SE614发动机的测试。这些初始测试是在普惠公司位于西棕榈滩的工厂设施中进行的，主要包括：部件性能评估，压气系统稳定性验证，振动测量，操作系统功能测试和控制软件测试。JSF119发动机而后被运至阿诺德工程发展中心（AEDC）进行模拟高空测试。在经过超过120个小时的合成初始测试后，波音公司所用的JSF119-614跟洛克希德马丁公司所用的JSF119-611发动机被认为其各个部件的性能要高于预期，涡轮温度则低于预期，发动机的振动处于非常低的水平。STOVL型发动机在1998年9月中期开始在普惠公司独有的可以在各个方向上进行推力测试的测试平台上对其运转以及跟飞机管理控制系统之

9、间的协调性进行测试。到1998年底，普惠公司已经有4台JSF119发动机一共进行了大约200小时的测试。到2000年早些时候结束时，一共进行了差不多2000小时的合成地面测试。上图为洛马公司发动机结构，下图为波音公司的(蓝色部分为涡轮机组)波音公司用于STOVL的带有2维尾喷嘴的发动机在进行地面测试洛克希德公司的带有升力风扇的发动机在进行地面测试，升力风扇处于两个进气道之间波音公司的动力系统普惠公司为波音公司的X-32开发动力系统。罗尔斯-罗伊斯公司负责升力系统和壳体线管的设计，开发，制造和测试。普惠公司则负责发动机本身（包括低压壳体，加力推力装置，2维收放喷嘴，喷气导流管，发动机软硬件控制系

10、统，发动机外围设备跟附件等等）的设计，开发，制造和测试。普惠公司还负责所有部件包括罗尔斯-罗伊斯公司生产的部件的质量检测和整个发动机系统的集成装配。波音公司负责所有机身上动力系统部件的设计，制造和测试，同时还负责对普惠公司和罗尔斯-罗伊斯公司生产的发动机系统跟整个机体的集成和测试，形成最终的完整的飞机动力系统。波音的X-32A飞机用于对舰载型和常规起降型JSF的验证，而X-32B飞机用于验证STOVL型JSF的性能。波音的带有升力喷嘴的发动机结构用于X-32的发动机X-32B动力系统的主要垂直推力来自于SE614发动机位于the turbine exhaust case与加力燃烧室之间的两个升

11、力喷嘴，这两个升力喷嘴处于整架战机的重心处。战机整个升力系统由这两个升力喷嘴和内部的蝶形管阀和一对walled offtake case组成。喷嘴可以在垂直方向向前10°到向后45°一共55°的范围内做旋转，这点非常类似于“鹞”式战机。当升力喷嘴开始工作的时候，巡航尾喷嘴将处于完全封闭状态。当升力喷嘴不在使用状态时，将位于STOVL的舱门后面处于45°的位置。当战机在贴近地面的空中盘旋飞行时，发动机进口将由于热空气的作用被封闭，改由位于风扇下面的。在STOVL型JSF在盘旋时，机身前后倾斜和航向的控制通过位于机尾的各个分离的辅助喷嘴来完成，而战机的翻滚控

12、制则通过位于翼尖的类似喷嘴来实现。这些辅助喷嘴都是通过风扇线管获得需要的气流的。在普通的巡航飞行时，升力系统和辅助控制系统是并不需要的，这时候升力系统上的蝶形阀是关闭的，空气直接通过巡航尾喷嘴喷出，升力喷嘴和辅助控制系统的也会被相关的舱门掩盖起来以减少飞行阻力和降低可探测信号的强度。位于2维巡航尾喷嘴的前面是两个滚动喷嘴的供气线管，在线管的顶端就是滚动喷嘴，用于在半盘旋或则盘旋飞行状态下机身滚动的控制。在2维巡航尾喷嘴的下面是一个机体前后倾斜和航向控制喷嘴。巡航尾喷嘴是依据F119发动机的尾喷嘴设计的2维喷嘴，其收放结构能有效的控制尾喷嘴的口径，在战机处于盘旋状态的时候能够关闭整个喷嘴。除此之

13、外，尾喷嘴还能在巡航飞行时能够进行±20°的方向改变。X-32B上的所有跟短距起飞/垂直降落相关的额外硬件重达600磅，这些在X-32A上面是没有的。1997年8月，波音公司完成了他们STOVL动力系统的主要喷嘴的测试。第一个测试项目在波音公司位于西雅图的喷嘴测试设施中进行，主要检测罗尔斯-罗伊斯公司负责的升力系统。大小比例为17%的模型被用于评估在飞机处于普通巡航状态，盘旋状态和由一种状态到另一种状态转变时实际升力系统和外壳上的线管系统性能和可操作性。各种可能的JSF喷嘴压力比，质流和升力模块位置也是测试的内容。在位于阿诺德工程发展中心（AEDC）的风洞测试中，波音公司对

14、高速飞行状态下进气道/发动机前部压缩系统的性能进行了长达3个星期的测试，整个测试使用13%大小的模型，在JSF所有可能的飞行速度和飞行状态下进行。1999年11月4日，第一个用于飞行测试的发动机装配完成。2000年3月6日，波音公司从普惠公司得到了其第一个用于飞行测试的发动机。2000年2月28日，波音公司宣布X-32B机的首次试飞被推延。这次推延是由于在对动力系统跟飞行控制系统进行集成的过程中遇到了技术性的难题。航天航空专业雇员协会（the Society of Professional Engineering Employees in Aerospace）近40天的罢工也可能影响了JSF项

15、目的进展。洛克希德马丁公司的STOVL动力系统带有升力风扇的发动机结构图洛克希德马丁公司的3轴旋转喷嘴在0°，40°，105°状态下洛克希德马丁公司动力系统洛克希德马丁公司所发展的STOVL的升力系统使用一个垂直方向的升力风扇。跟波音公司的动力系统一样，洛克希德马丁公司的X-35的动力系统也是由普惠公司和罗尔斯-罗伊斯公司合作开发的，三方面对于整个动力系统的分工也跟波音公司的类似。普惠SE611发动机上的一个二级低压涡轮提供动力以驱动一个新的比F119发动机原有的风扇大的风扇，同时还驱动STOVL的升力风扇。升力风扇提供高达18500磅的升力，通过使用可变进气引导

16、叶片来调节气流和输出的推力。升力风扇有一个当STOVL型JSF作盘旋飞行时使用的离合器，和一个使得推力发生偏转的“D”形喷嘴。升力风扇位于驾驶舱的后面，一个带有升降可开闭舱门的小舱室内。当在常速下飞行时，升力风扇差不多可以支持X-35一半重量。另外一个X-35 STOVL型独有的装置是可以为主发动机提供空气的辅助进气道，这个位于机身的上方，升力风扇的后面，这个的主要作用是在飞机盘旋时提供气流。发动机通过一个三轴旋转喷嘴（3BSN）提供从水平到垂直方向的推力。两个滚动喷嘴通过获得发动机风扇的气体来进行滚动控制。飞机的航向控制是通过旋转喷嘴进行的。机身前后倾斜控制是通过升力风扇/发动机推力分量来控

17、制。当转变到短距起飞模式，升力风扇进气跟排气舱门打开，进气道引导叶片被关闭将气流减到最小，离合器开始作用，通过齿轮使得升力风扇旋转加速，。一旦升力风扇全速运转的时候，一个机械锁定装置作用确保离合器不会脱离。进气道导向叶片这时候打开，使得进入的气体经过风扇进行加速，D形喷嘴向下旋转，使得产生向上的推力，同时主发动机也产生推力，这就使得飞机具有了向上和向前的推力。当飞机转成正常飞行模式时，进气引导叶片再次的关闭以减小进入升力风扇的气流，离合器分离，喷嘴收回，进气和排气舱门关闭。当转变到着落模式，飞机减速，升力风扇进气道和排气喷嘴的舱门打开。升力风扇像上面描述的一样产生升力，但D形喷嘴则旋转到完全垂

18、直状态。离合器被设计成能够在3到7秒内作出反应。随着可变几何外形的叶片关闭，发动机的速度将减小到8085左右，功率也随着离合器的开始作用降低到大概4000马力。在离合器完成作用动作后，发动机大概以8500转每秒提供28000马力的功率。离合器盘在开始作用时吸收能量然后在下一次离合器作用之前通过冷气流来消散吸收的能量。通过对SE611发动机做了简单的改变就能够把一个用于常规起降/舰载型的发动机运用到STOVL型上。发动机的控制和相关软件系统是诧异比较大的方面。对于STOVL型JSF，通过风扇设置了气流旁路导流系统来控制飞机的翻滚，另外发动机的低压转子上被添加了一根传动轴，还有普通发动机上对称的尾

19、喷嘴被改成了一个3轴旋转喷嘴。3轴旋转喷嘴是由罗尔斯罗伊斯公司开发的，这是根据前苏联的雅克141原型机(最后一次飞行是在1992年的范登堡航空展上)上使用的排气系统设计的。美国海军也曾经在二十世纪六十年代有个还发旋转喷嘴的项目，后来该项目在七十年代还被使用到Convair公司（洛克希德马丁公司的前身之一）的一个超音速STOVL飞机项目中去。翻转控制线管分布在SE611发动机的两侧，这也是由罗尔斯罗伊斯公司负责设计制造的。这些线管一直延伸到飞机翼尖部分，使用风扇输出的气流提供推力，通过线管末端的开闭来控制翻转动作。轴驱动升力风扇（Shaft Driven Lift Fan，SDLF）的概念是由洛克希德马丁公司首先提出的，通过他们大比例动力模型在19951996年间得到了成功验证。对于洛克希德马丁公司来说，他们选择轴驱动升力风扇作为动力系统是基于以下三个原因：1）STOVL升力风扇的动力可以通过减小普惠公司的普通发动机的动力来获得，因此能够使得改进后的发动机具有跟原型发动机差不多大小的尺寸。2）通过升力风扇获得的额外推力要