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F-35闪电II是一款由美国洛克希德·马丁公司设计生产的单座单发多用途战斗机,主要用于前线支援、目标轰炸和防空截击等多种任务。2011年7月14日,首架F-35A正式交付美国空军服役。


▲F-35战斗机



01

F-35属于具有隐身设计的第五代战斗机,作战半径超过1,000千米,具备有限的类超音速巡航能力。美国空军、海军和海军陆战队总共将装备2,443架,取代F-16系列、A-10攻击机、F/A-18系列等。


▲F-35C航母甲板起飞


F-35外型酷似F-22猛禽战斗机的单引擎缩小版,而且它的确从中吸取了一些元素。F-35B“三轴旋管喷嘴”架构的设计灵感来源于康维尔Model 200机型方案。


F-35战斗机在推力损失仅有2%-3%的情况下,将尾喷管3-5微米中波波段的红外辐射强度减弱了80%-90%,同时使红外辐射波瓣的宽度变窄,减小了红外制导空空导弹的可攻击区,导致来袭导弹的脱靶率增大。


F-35战斗机配置有”分散式孔径系统”,环绕飞机前后上下装设了6个红外线感应装置,即时提供驾驶员接近己方的飞行体数据。F-35驾驶员配戴的嵌入显示幕的头盔,可以从分散式孔径系统中搜集到全方位的目标数据。


▲分散式孔径系统为飞行员提供全向昼/夜视景


早期的F-35B设计重量比项目预期的重量超出3000磅,导致飞机的推重比下降,使该机型在航程、速度、机动性等各项指标均不合格。洛克希德·马丁公司为了解决“过重”而导致推重比下降的问题,缩薄了机身蒙皮,缩小了武器仓与垂尾,内部管线配置,重新设计了机翼构造与航电系统等,终于缩减了2205磅的重量。


F-35的头盔显示器系统(HMDS)是光电系统和飞行员头部位置跟踪装置的组合,它将为飞行员显示关键的飞行状态数据、任务信息、威胁和安全状态信息,同时为飞行员引导机载武器和传感器(如雷达和EOTS)指向所关注的区域;或发出视觉提示,告诉飞行员应该关注的区域。


▲F-35战机的头盔显示器系


普惠公司研制的F135发动机为F-35战斗机提供动力,F-35可以在没有使用加力燃烧室的情况下,以1.2马赫的速度飞行150英里。F135是第二款(雷达)隐形加力喷气发动机。F-35战机的最高速度超过1.6马赫,最大起飞重量为60,000磅(27,000千克)。


F-35B配备了由罗尔斯罗伊斯开发的升降系统。该升降系统由升降风扇、驱动轴、两个滚柱和“三轴承旋转模块”(3BSM)组成。3BSM是推力矢量喷嘴,允许主发动机排气在飞机尾部向下偏转。升力风扇靠近飞机前部,使用两个反向旋转的叶片提供平衡推力。


▲普惠F135发动机配备罗罗升降系统


F-35战斗机发展出3种主要的衍生版本,包括采用传统跑道起降的F-35A,短距离起飞/垂直起降机种F-35B,与作为航母舰载机的F-35C。只有F-35B才算是垂直起降型,但相对于传统的战斗机,即使是A型和C型的起降距离都算短距离起降。


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02

F35战斗机能垂直起降的是F35B型,为了实现垂直起降,采用了发动机喷管向下偏转的模式,再加上升力风扇和调姿喷管来提供足够的升力。


▲F-35B空中悬停


F-35B进行垂直起降的过程相对比较缓慢,这可以被看作是一个进行缓慢动态变化的“悬停”过程,如果F-35B做不到空中短暂的悬停,也就不可能实现垂直起降。



▲F-35B(推力向量)垂直起降动力解剖图


F-35B战斗机一共有四个喷口。机身中轴线上的两个喷口提供主要升力(约91%),机翼下方的两个喷口提供较小推力,用于平衡以及姿态调整。尾喷口喷出的是高温燃气,其他三个喷口喷出的都是冷空气。



F-35B发动机的主喷口向下偏折了90度,提供了竖直方向的推力,其喷出的是经过发动机涡轮的高温燃气。这个尾喷口偏折技术来源于前苏联的雅克141战机。


▲F-35B尾喷口偏折



▲F-35B悬停时尾喷管蠕动过程


F-35B两侧机翼下方的小喷口,是从发动机的低压压气机引气向下喷出。它们提供大约9%的升力,用于平衡和姿态调整,并不是主要的升力来源。


▲F-35B悬停垂直降落


F-35B座舱后部有个竖直圆筒形的物体叫升力风扇。升力风扇自身不能产生动力,它需要一根长长的传动轴连接到主发动机上,由主发动机的低压涡轮带动。


▲F-35B机背的升力风扇和辅助进气口


平飞时,升力风扇与主发动机脱开不工作,主发动机仅用来提供平飞时的向后推力。当垂直起降时,升力风扇上方和下方的盖板打开,离合器将升力风扇与传动轴连接起来,主发动机的低压涡轮功率直接传递到升力风扇上,驱动升力风扇旋转,从风扇上方的进气口吸取空气并喷向下方,提供升力。


▲F-35B复杂的动力系统


直径1.27米的升力风扇是由风扇、涵道、D形喷管、联轴器、作动装置以及伺服系统组成,升力风扇有着超过40度的前后偏转角。在发动机正常工作的状态下,可以将机体上方的空气垂直向下喷出,喷气流量高达230kg/s,从而提供高达90000牛的升力,再加上发动机口下喷,使得悬停时的总推力达到175300牛。

升力风扇底部有一个VAVB喷管,能对升力风扇产生的升力进行矢量调节,这个组件被整合进飞机结构中,能承受结构载荷,这样做的目的是节省重量,要知道实现短距起飞垂直降落的一个关键因素就是:发动机产生的垂直升力要大于飞机重量。



F-35B在不到3秒的时间里,就能把尾喷管15700磅的水平推力矢量偏转成垂直向下,使总升力达到39000磅,F-35B的垂直升力几乎相当于欧洲台风战机的全加力推力。这惊人的推力矢量能力是普惠公司专为F-35B的推进系统开发的。


▲红外摄影机拍摄F-35B悬停状态


F35支持垂直起降这其中涉及了很多的技术,我国的战斗机也不差,只是在发动机方面还略有逊色,很期待国产战斗机的优异表现。


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