閃電”之心——談談F發(fā)動機

1、F-35 “閃電II ”戰(zhàn)斗機使用的F135發(fā)動機是有史以來戰(zhàn)斗機上安裝過的推力最大的噴氣式發(fā)動機。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)，使該機能實現短距起飛垂直降落（ STOVL。那么這種發(fā)動機在設計 上有什么獨到之處呢？F135發(fā)動機解剖圖F135推進系統(tǒng)F135的直徑和空氣流量都比 F-22 “猛禽”戰(zhàn)斗機使用的 F119發(fā)動機大。F135和F119都是軸流式發(fā)動機，也就是說氣流沿直線穿過發(fā)動機核心，這兩種發(fā)動機共享一個 “高度通用核心”。從前往后看，這兩種雙轉子發(fā)動機的壓縮機系統(tǒng)大體相同，當然這種相同主要指F135和F119共享發(fā)動機架構，而不是使用了相同的零

2、件。當然除這些相似性之外兩種發(fā)動機存在一些重要區(qū)別。 由于單發(fā)的F-35需要F135產生高達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，而不是具體數據），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，為此加大了進氣口直徑（1168 毫米）和風扇直徑（1270毫米），發(fā)動機總體直徑也更大了（1295毫米）。與F119相同，F135也采用三級風扇（在軍用渦扇發(fā)動機上，風扇是指整個低壓壓縮機組件）。每級風扇都包括一 個單片式整體葉片轉子（IBR，或簡稱為“葉盤

3、”，由實心鈦合金盤體和鈦葉片焊接而成）。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運動而產生的熱量進行焊接的方法，接 合面受熱熔化后在壓力下使工件結為整體。經過加速的氣流在第三級風扇后被一分為二，57%進入風扇涵道成為旁通氣流，剩余 43%進入核心繼續(xù)壓縮（AirInternational 的數據，普惠官方的數據僅0.57 ），與燃油混合，燃燒成熾熱燃氣，再進入渦輪級，從而產生最大28000 磅（12700千克/124.55kN ）的干推力（非加力）。F135有一個六級高

4、壓壓氣機（HPC單元，每級同樣都采用了整體葉盤。前幾級葉盤采用鈦合金制造，由于氣流經 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，被高壓壓縮機壓縮進入燃燒室的氣流壓力是剛進入風扇時的28倍，在F-35B懸停飛行時，這個比值上升到了29F135的單環(huán)形燃燒室具有可拆卸襯墊和一組燃油噴嘴，全部容納在一個擴散機匣內。F135的燃燒室和F119十分相似，不過經過改進能承受更高溫度，以適應F-35的高推力要求。總體而言，這兩種發(fā)動機的核心機，也就是高壓壓氣機+燃燒室+高壓渦輪的尺寸基本相同，F135的最大干推力大于F119,所以運行溫度也

5、必然更高。F119和F135都采用了單級高壓渦輪（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)動機低壓渦輪所在的低壓轉子不僅被用于驅動風扇級，也被用于驅動一根傳動軸，這樣才能使座艙之后發(fā)動機之前的羅爾斯？羅伊斯升力風扇產生垂直升力。這個升力風扇是羅爾斯？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系呢？這是因為從項目一幵始，F135發(fā)動機就被要求實現“三型兼容”，也就是說F-35A所用的發(fā)動機要能與 F-35B/C的保持盡可能多的

6、通用度。當然，這三種發(fā)動機直接仍存在一些具體據 另農 所以獲得了各自的編號：F-35A 的是 F135-PW-100, F-35C 是 F135-PW-400, F-35B 是 F135-PW-600。其中，F135-PW-600 被設計來滿足F-35B嚴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動傳動軸，于是為了保持通用 性，F135-PW-100/-400保留這個第二級低壓渦輪。當然，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作出犧牲，所以可維

7、護性也得到改善。F135熱段冷卻空氣通道布局和冷卻氣流與F119不同，此外，渦輪葉片表面的隔熱涂層材料也進行了改進，這層涂料能夠保護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度熾熱燃氣融化。F135和F119上,用于冷卻高低壓壓氣機的空氣都引自旁通氣流和高壓壓縮機引氣，在渦輪葉片和渦輪段殼體中布置有復雜的細小空氣通道管網，這點與商用渦扇發(fā)動機類似。F-35A 使用的 F135-PW-100安裝在F-35B上的F135-PW-600發(fā)動機STOVL模式下的 F-35B反向旋轉轉子、陶瓷基復合材料和加力燃燒室普惠公司不愿意過多談論 F135發(fā)動機的一個重要特點一一反向旋轉雙轉子

8、結構，這個結構也繼承自F119。轉子的反向旋轉在某些情況下能夠理順從高壓壓氣機流向低壓壓氣機的核心氣流，可能允許普惠省掉一排或多排定子（定子 的作用是在多級風扇、壓縮機或渦輪間理順氣流，使氣流以最優(yōu)狀態(tài)進入下一級）。普惠可能已經在F135上實現了減少零件數量和降低重量，但該公司拒絕證實這點。F135使用了陶瓷基復合材料（CMC，主要用在F135-PW-600噴管的外側部分。F135-PW-600風扇機匣部分（尤其 底部）采用有機基材復合材料（OMC制造，F135-PW-100/-400的風扇機匣則由鈦合金制成。 F-35在進氣道某些區(qū)域 也采用了有機基材復合材料。F135的加力燃燒室或加力系統(tǒng)

9、也很有特色。盡管普惠公司并未透露細節(jié)，但已知F135采用了多區(qū)燃油噴射（可能是三區(qū)）技術來把燃油噴向加力燃燒室點火器后方。燃油噴嘴可以單區(qū)噴射燃油，所以可以調節(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)燃油噴射技術可以提供一個平穩(wěn)的濕推力變化過 程。與F119發(fā)動機相同，F135的加力燃燒室也采用了隱身設計，這兩種發(fā)動機把多區(qū)燃油噴嘴隱藏在彎曲的靜態(tài)導向 葉片中，從而取消了傳統(tǒng)的噴油桿和火焰穩(wěn)定器（當你從其他渦扇發(fā)動機的尾噴管向里望去時，就能清楚看到這兩個 設備）。F135的風扇機匣羅爾斯？羅伊斯升力系統(tǒng)F-35項目的最顯著的特點之一就是在F-35B懸停時

10、，它的推進系統(tǒng)在非加力狀態(tài)下產生的升力非常接近其全加力推力。F-35B在懸停時，發(fā)動機能產生 39400磅（17872千克/176kN）的非加力垂直升力，而在常規(guī)飛行中，則能產生 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)動機依賴兩個系統(tǒng)來實現如此高的垂直升力。首先是全權限數字發(fā)動機控制單元（FADEC，這是一套由BAE系統(tǒng)公司制造的安裝在發(fā)動機上的計算機，不過軟件是普惠定制的。在懸停時，FADEC能壓榨出發(fā)動機的所有潛力，使干推力從 28000磅增加到39400磅。其次是羅爾斯？羅伊斯的升

11、力系統(tǒng)，與 F135發(fā)動機一道組成了短距起飛垂直降落推進系統(tǒng)，該系統(tǒng)由4大主要組件組成。F-35B升力系統(tǒng)示意圖F-35B懸停狀態(tài)流場分析第一個組件是升力風扇升力風扇垂直安裝在 F-35B座艙后方，直徑1270毫米，高度也是1270毫米。升力風扇從機背頂部的進氣口吸入 冷空氣并加速氣流向下噴出，以此產生垂直升力。升力風扇的進氣口被洛克希德？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)動機蓋”，鉸接于進氣口后方的機身結構上。F-35B懸停、短距起飛、或處于平飛和懸停間的過渡飛行時，蓋板向后打幵。升力風扇由兩級反向旋轉的風扇組成，一級疊加在另一級上方，每級都是整體葉盤結構。上

12、級風扇有24片空心鈦葉片，下級則是28片實心葉片。兩級風扇各由一套錐形齒輪系統(tǒng)驅動（該系統(tǒng)通過一組圓錐形齒輪，能使驅動軸的扭矩旋轉90度傳遞給風扇）。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縱軸線布置的驅動軸驅動。在F-35B進氣道的分叉處，包覆在整流罩內的驅動軸穿過進氣道把升力風扇和發(fā)動機連接起來。在發(fā)動機那頭，驅動軸連接在第一級風扇 的風扇轂上，由低壓轉子驅動。當F-35B懸停時，這根驅動軸把 28000軸馬力的功率傳遞給升力風扇的離合器和錐形齒輪系統(tǒng)，使升力風扇產生近20000磅（9072千克/89kN）的垂直升力（F-35B在懸停時，F135與驅動軸的工作模式就類似

13、于渦槳發(fā)動機，把大部 分動力用于驅動升力風扇而不是從尾噴管噴出做工。從這點上看，F135可以說是世界上最強大的渦槳發(fā)動機）。F-35B的發(fā)動機啟動后，驅動軸就在始終旋轉，所以需要一個離合器來接通或斷幵升力風扇。只有在需要使用升力 風扇時，離合器才與驅動軸接合并鎖定。由于離合器會因摩擦產生高溫，所以離合器片采用了與大型商用飛機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)動機要吞入更多的空氣，所以洛克希德？馬丁在升力風扇后方增加了一對輔助進氣門（AAID），用來向F135發(fā)動機提供額外空氣。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)現輔助進氣門受到環(huán)境影響

14、出現了過度磨損和疲勞，此外暴露了密封性不足，門鎖使用壽命不足的缺點。這些問題導致低速率初始生產（LRIP）的F-35B在改裝輔助進氣門前被限制進入一些短距起飛垂直降落模式。目前，所有LRIP1-LRIP5批次的F-35B都在進行新輔助進氣門的改裝。升力風扇由兩級反向旋轉的風扇組成升力風扇蓋板打幵時的流場分析升力風扇鈦合金葉盤升力風扇進氣口的計算機模型升力風扇的齒輪箱升力風扇的導向葉片組裝中的升力風扇升力風扇全貌第二個組件是可調截面積葉片盒（VAVB這個組件位于升力風扇下方，實際上就是被升力風扇的冷空氣噴管。羅爾斯？羅伊斯公司生產的 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

15、轉達42度，向前偏轉5度，以此調節(jié)氣流方向。這6片葉片能在一定程度上實現獨立控制，這6片中空鈦合金葉片中，1、2、3號葉片為一組，由一個線性致動器驅動；4、5號葉片是第二組，由第二個線性致動器驅動；6號葉片由一個獨立旋轉致動器驅動。于是VAVB可實現噴管的矢量與截面積兼顧控制。 VAVB同樣受到FADEC勺控制。VAVB噴管能對升力風扇產生的升力進行矢量調節(jié)，這個組件被整合進飛機結構中，能承受結構載荷，這樣做的目 的是節(jié)省重量，要知道實現短距起飛垂直降落的一個關鍵因素就是：發(fā)動機產生的垂直升力大于飛機重量。VAVB的切削鋁制矩形框架上面幵好了與機身結構連接的安裝點，由于是一個結構件，所以要預先

16、交付給諾斯羅普？格魯門公司以便安裝在該公司制造的機身中段上。VAVB賁管的鈦合金葉片VAVB賁管對升力風扇氣流起到了調節(jié)作用VAVB賁管流場分析VAVB賁管作為一個結構件要預先安裝在機身中段第三個組件是三軸承旋轉模塊（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尾部三軸承旋轉模塊（ 3BSM噴管 中向下噴出的熾熱燃氣。這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 F-35B要懸停時，FADEC會命令3BSM賁管向下偏轉95度，通過向下噴氣來產生垂直升力。對F-35B的升力風扇設計

17、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)。12.5度進3BSM賁管在2.5秒內就能完成95度偏轉（從水平偏轉到垂直狀態(tài)），噴管在懸停模式中還能左右偏轉行橫向控制在懸停中，除了升力風扇產生的近20000磅升力外，F-35B兩側翼根中的滾轉噴管（Roll Post ）也能通過向下噴出旁通空氣產生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 矢量偏轉成垂直向下，使總升力達到39000磅（17690千克）。F-35B的垂直升力幾乎相當于歐洲“臺風”戰(zhàn)斗機的全加力推力，這驚人的推力

18、矢量能力全靠 FADEC軟件來實現，該軟件是普惠公司轉為F-35B的推進系統(tǒng)幵發(fā)的。3BSM賁管分為1、2、3號三段管道，1號管道安裝與發(fā)動機上，2號管道在中間，最后一段是 上都有一個環(huán)形軸承，能夠彼此獨立旋轉。1、2號管道各安裝一個單獨的致動器，一個傳動齒輪箱把15700磅的水平推力F-35B龐大而復雜的3號管道。每段管道2、3號管道連接隊專注于改進升力風扇的級間導向葉片和3BSM賁管的軸承。起來，使它們能夠反向同速旋轉。3BSM賁管的這兩個環(huán)形軸承致動器都是燃油液壓驅動的，部分燃油被加壓到3500psi（24.1兆帕）后作為液壓流體來驅動致動器的伺服閥3BSM賁管下偏狀態(tài)結構復雜的3BSM

19、賁管組裝中的3BSM賁管第四個組件是滾轉噴管滾轉噴管通過各自的管道與發(fā)動機相連。這根管道有著復雜外形，與發(fā)動機連接的一頭為圓形截面，然后過渡到 噴管一端的復雜截面。這些鈦合金管道使用了超塑成形、擴散連接和激光焊接制造工藝。滾轉噴管位于兩側翼根下方，噴管截面積可調，在F-35B懸停時提供滾轉控制。為了實現這點，噴管管道從發(fā)動機引出旁通空氣再通過噴管向下噴出。每個滾轉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。噴管在旋轉制動器的控制下可調截面積，能改變推力的大小和矢量，使飛行員在懸停時能控制F-35B在滾轉軸上的姿態(tài)。在洛克希德？馬丁的X-35驗證機上，連接發(fā)動機外

20、殼和滾轉噴管的管道中有一個閥門，正常飛行時閥門會關閉切斷旁通氣流。但生產型 F-35B取消了這個閥門，旁通氣流持續(xù)進入管道，所以只能用噴管蓋板來控制滾轉噴管通斷了。滾轉噴管位于兩側翼根下方，噴管截面積可調滾轉噴管的安裝位置滾轉噴管的管道生產羅爾斯？羅伊斯公司已經把英國布里斯托爾的3BS M噴管和滾轉噴管的組裝線和測試設備搬到了美國印第安納波利斯工廠，主要是為了省錢，目前新工廠已經投產。F-35B的升力風扇都是在印第安納波利斯組裝和測試的，升力風扇流水線的分為三個主要階段，其中的離合器、齒輪箱和風扇模塊有各自的獨立組裝線。該工廠目前每月生產一套完整的 升力風扇系統(tǒng)，在F-35B生產高峰時，產量能翻三倍。印第安納波利斯工廠還負責組裝3BSM賁管，上面的致動器來自英國穆格工廠，此外還生產滾轉噴管和VAVB噴管3BS M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，然后被運至印第安納波利斯進行組裝，內容包括 安裝致動器和外部管線。組裝完畢的3BSM賁管會被運到康涅狄格州東哈特福德，在普惠生產線上與發(fā)動機對接。完全組裝的F135發(fā)動機再被運至洛克希德？馬丁的沃斯堡工廠安裝在 F-35B上。設計挑戰(zhàn)?瓊斯為首的一個團羅爾斯？羅伊斯公司在設計這個升力系統(tǒng)時也遇