導讀
垂直起降飛行器集固定翼和旋翼飛機的優勢于一體，既能顯著降低飛機對起降條件的要求，又具備較強的飛行作戰能力，可在小平臺使用(中小型航母、兩棲攻擊艦、運輸艦及海洋島礁等)，同時可發揮較大威力。作為目前世界上最先進的可實現短距起飛/垂直降落(STOVL)的戰斗機，F-35B在實現垂直起降方面集成了眾多先進的技術。2018年美國航空航天學會發布了由洛克希德·馬丁公司多名設計師研究員撰寫的F-35技術概要，其中簡要介紹了F-35B垂直起降升力系統的關鍵技術。
50多年來，戰斗機設計師在實現垂直起降(VTOL)的基本靈活性的同時，大力追求傳統噴氣式飛機的速度和航程。幾十年來，設計師們創新和踐行了許多短距起飛/垂直降落(STOVL)的設計概念，但在靈活性和飛機性能之間的妥協，限制了飛機的安全性和戰斗性能。而F-35B的垂直起降系統成功實現了突破，重新定義了常規推力和垂直推進升力之間的結合，以及實現了性能、效率和安全性方面的大幅提高。這一結果源自于由發動機軸驅動的升力風扇，F-35B的升力風扇與直接升力系統設計相比，是一個顯著的提高。軸驅動的升力風扇提供了高水平的推力增強設計，低溫、低壓的地面環境，足夠的控制能力以及高效的機身設計。由于主發動機主要針對常規飛行進行了優化，因此推進系統的性能不會因其垂直提升能力而受到影響。此外升力風扇還提供了一個額外的好處:升力風扇排出的低溫排氣可以保護主發動機入口和飛機前部部分避免重新吸入熱氣并受損。
垂直升力的革命性階躍增加
除了獲得強大的升力外，STOVL飛機還必須在每個軸線上有足夠的控制能力，才能實現起飛，過渡，平飛，垂直降落等過程的平穩過渡。F-35B通過幾個關鍵部件實現了這一點
升力風扇離合器和傳動軸:有選擇地將動力從發動機轉移到升力風扇
變面積葉片箱形噴嘴(Variable area vane box nozzle，VAVBN):控制升力風扇出口面積和俯仰推力矢量
滾轉噴嘴:通過機翼下噴嘴引導發動機排氣方向，進行滾轉控制
3軸矢量噴管(3BSM):通過矢量發動機噴管進行俯仰和橫向偏航控制
F-35常規起降型和F-35B STOVL型升力系統的比較升力風扇系統是F-35B垂直起降型的首要特點,它經歷了洛克希德·馬丁公司、普惠公司和羅·羅公司多年的技術發展并逐漸成熟。最初的工作開始于20世紀80年代后期美國國防高級研究計劃局(DARPA)贊助的STOVL聯合攻擊戰斗機(JSF)計劃。洛克希德·馬丁公司、通用動力公司、波音圣路易斯公司(當時是麥克唐納·道格拉斯公司)和波音公司都設計了實現垂直起降的不同技術概念。這些研究促成了一場STOVL競賽，洛克希德·馬丁公司憑借軸驅動升力風扇推進概念最終獲勝。這項工作最終發展到JSF概念演示階段，技術成果就是X-35B的飛行演示。羅·羅公司的升力風扇是一種新穎的二級對轉概念，它帶有一個帶葉片的圓盤、兩組固定葉片和一組可變進口導向葉片(VIGVs)。對轉設計的氣動方案可采用常規結構，即轉子-靜子級的結構;也可去掉兩排轉子間的靜子，形成對轉結構。可變進口導向葉片提供了垂直起降所需的從怠速到最大的推力變化。變速箱為升力風扇的轉子分配了29000馬力的推力。負載能力和包絡特性是提供業界首創的30：1推重比的關鍵，之前的標準(在早期飛機上)是不超過15：1，F-35B的性能翻了一番。
齒輪箱是升力風扇的重要組成部分，采用反向旋轉的輸出軸，用以簡化幾何形狀，降低齒輪和軸承負荷。升力風扇軸承和變速箱的潤滑是由升力風扇潤滑系統提供的，它獨立于主發動機潤滑系統。羅·羅公司的升力風扇被設計為在主發動機的整個速度范圍內均可運行。從概念開發到生產的關鍵挑戰之一是升力風扇的航空機械轉子模式，而這也導致了在特定的升力風扇轉速下X-35B的操作限制。進口流場中的空間壓力畸變激發了升力風扇渦輪機械的共振模式，成為一個高周疲勞或氣動力學問題。這一點在F-35B中得到了解決，它重新設計了上部升降扇門的配置，以減少氣流的角度和變形。通過重新設計升力風扇轉子(空心葉片，葉盤)來減弱模態響應，也解決了這個問題。傳動軸/離合器的功能是通過硬件和軟件共同實現的。開創性的傳動軸、離合器和變速箱設計允許開發輕型、高轉速(8000轉/分)的傳動系統。獨特的閉環離合器系統提供了精確的控制，從而實現了對升力風扇的平穩、可靠的動力傳輸。這種創新的離合器設計，利用了飛機制動技術，產生了干式離合器片排列。這實現了在快速參與執行的同時，還提供了超過計劃要求的耐用性。離合器安裝在升力風扇上，輸入端通過主傳動軸和聯軸器直接連接到主發動機低壓轉子軸上。離合器由一組干式盤片組成。當由飛機液壓驅動共同驅動時，離合器組件通過傳動軸將主發動機低壓轉子連接到升力風扇。離合器軸承的潤滑是由升力風扇的潤滑系統提供的。傳動軸聯軸器可以彎曲以彌補主發動機和離合器之間的偏差。升力風扇離合器允許升力風扇與主發動機的接合和分離。它通過兩個裝置實現這一點，每個裝置都提供一個從輸入到輸出的扭矩路徑。在接合過程中，通過對五塊碳-碳板的組合施加壓力，實現低功率下風扇轉子的速度同步和加速，這些都是干式操作。高功率傳輸需要鎖定花鍵的后續接合。嚙合花鍵鎖需要使離合器輸入和輸出軸的速度在極短時間內同步。分度機構確保了避免出現由于配對花鍵的端對端接觸而導致的接合失敗。在分離過程中，離合器片組將花鍵卸下，使其能夠縮回。X-35研制過程中遇到的一個關鍵挑戰是如何在最短的過渡時間內獲得平穩的離合器接合。早期的離合器控制設計在離合器片接觸時遇到了顫振現象。通過創新的閉環控制模式，離合器夾緊力和縱向位置反饋的結合解決了顫振問題，實現了平穩和精確的接合。這一設計在F-35項目中不斷成熟，旨在以最短的時間(操作靈活性)完成轉換，并獲得全壽命離合器(最小化維護間隔)。F-35離合器可以在9秒內完成從接收指令到接合的一個接合循環。通過改進離合器片材料，該系統將可承受超過1500次接合。在F-35的開發階段之前，X-35的升力風扇矢量噴管是通過一個三罩伸縮噴管式實現的。雖然在引導升力風扇推力矢量方面非常精確，但它很重，需要很大的體積，而且很難集成到飛機的特征中。這促使人們追求一種更緊湊的設計，通過一系列平行的葉片，可以隱藏在機身下部的艙門后面。F-35VAVBN的開發利用了羅·羅公司早期的升力發動機的概念中葉片箱噴嘴方面的設計思路。
27%比例的F-35B STOVL VAVBN模型測試(帶VAVBN特寫)設計人員研究了許多噴嘴設計變量，包括導管幾何形狀、數量、間距和活動葉片的輪廓。影響噴嘴與升力風扇集成的其他設計參數包括變速箱外形、六個支柱的位置以及葉片致動器機構的尺寸和位置。設計人員還進行了研究來評估性能、葉片驅動和機體一體化之間的權衡。從這些可以明顯看出，具有六個相對厚度較低的高度彎曲葉片的葉片盒構型表現最好。除了支持流道壓力、葉片空氣動力學和驅動載荷外，噴嘴箱還旨在提高機體結構剛度。噴嘴葉片箱安裝在機身上，葉片箱側壁用作飛機結構龍骨構件。VAVBN為升力風扇推力矢量提供方向控制，并為VIGVs提供額外的效應器進行調節。調節指的是用于控制升力風扇推力的升力風扇進口導向葉片的指令位置。三個VAVBN葉片由雙串聯線性液壓致動器驅動。驅動力通過連桿傳遞給其他三個葉片。使用這種系統，噴管推力可以以每秒40°的速度指向41.75°到104°的圓弧范圍(飛機縱軸線方向上)。三個VAVBN執行器的獨立控制提供了獨立于矢量角的改變噴嘴喉部面積的能力。VIGV和VAVBN面積變化都用于控制升力風扇性能，管理升力風扇失速余量，并盡量減少推力-推力分離耦合效應。推力分配定義為主發動機推力與升力風扇推力之比，通常用于表示應用于飛機的推進系統俯仰力矩。
F-35B升力系統在每個機翼上都使用滾轉噴嘴，在垂直起降操作中提供滾轉控制。滾轉噴嘴通過使用兩個鉸鏈式襟翼改變噴嘴面積來控制推力。與傳統STOVL飛機上的反作用控制系統不同，F-35B通過改變發動機排氣方向產生大約10%的垂直推力。左舷和右舷滾轉控制系統的零件通用且可互換，提高了維護靈活性。噴嘴擋板的驅動由雙電機、液壓、旋轉致動器提供。在垂直起降過程中，機翼下側的外部液壓驅動飛機艙門打開，為滾轉推力提供出口孔。
向F-35B過渡的一個關鍵挑戰是在掛載不對稱和燃料不平衡的情況下提供足夠的滾轉控制能力和速率。滾轉噴嘴位于盡可能外側的內部機翼結構上，以使力矩最大化。流向滾轉噴嘴的主發動機排氣盡可能增加，同時需要保持足夠的流量來降低排氣溫度。全權限數字發動機控制系統的結構改變是為了最大限度地減少從滾轉力矩指令到滾轉噴嘴執行器響應的時間延遲。STOVL戰斗機的主噴管的最初設計是一個二維單膨脹斜面噴管。噴管通過使上斜面偏轉至少90°來引導主推力。為了控制懸停中的噴管出口面積，下腹板被設計成一個滑動板，可以根據需要縮回，以調整發動機的背壓。隨著洛克希德·馬丁公司開始建造和測試噴管，二維噴管設計的缺點變得更加明顯。在高負荷下將氣流轉向90°并控制噴管出口面積，這樣的設計要求導致結構超重。這導致了對更輕設計的追求，其根源在于20世紀70年代初來自擬議中的Convair Model 200 V/STOL概念的噴管設計。普惠公司曾開發了一種三軸承旋轉噴管，并成為Convair Model 200設計的一部分，但該設計沒有進一步發展。在普惠公司和洛克希德-馬丁公司的聯合研究之后，3BSM概念被整合到X-35B設計中，并被證明是更輕的。它還提供了一種非常有效的方法，以最小的損失轉動后推力柱。
F-35B的3BSM由一個STOVL LOAN 和一個三軸承旋轉機構組成。該機構可以使排氣氣流在俯仰軸上偏轉95°，俯仰角的變化影響偏航軸方向的控制，相應的在偏航軸上偏轉±12.25°。在最大后推力分配時，3BSM可以承受高達23900磅的推力。3BSM的前部(1號)軸承由雙燃油致動器電機通過變速箱和傳動系提供動力。中間(2號)軸承同樣由雙燃油致動器電機和變速箱/傳動系統提供動力。一個傳輸齒輪箱用一個高效、緊湊的環形齒輪組將中間和尾部(3號)軸承連接起來。1號、2號和3號軸承上的雙致動器電機分別設計有故障降級能力(全扭矩、半速率)，這是該設計與X-35B的關鍵區別之一。在X-35B中，2號和3號軸承在第一次故障后被制動，無法繼續引導后推力柱。這無法滿足在第一次故障后能夠進行艦上垂直著陸的操作要求。在F-35B上，燃油發動機的雙冗余使F-35B具有這種容錯能力。F-35B的垂直起降升力系統包括升力風扇、傳動軸、變速箱、姿態控制噴嘴和發動機矢量噴管等，充分吸收借鑒了“鷂”式和雅克141等戰斗機的設計經驗，是目前垂直起降戰斗機技術的集中體現，但也仍存在性能方面的缺陷。我國不能盲目跟隨，應充分分析其技術發展的方法和策略，總結其經驗，依照我國國情和戰略發展需求，深入研究，敢于創新，不斷提升國防工業水平。
