2010年1月7日,洛马公司的F-35B“闪电”II在飞行中首次启用了STOVL(短距起飞/垂直降落)推进系统,首席试飞员格兰姆汤姆林森驾机起飞,爬升到5000英尺(约1524米)的高度,在飞行速度288千米/小时时打开升力风扇,然后缓慢减速到207千米/小时,再加速到 288千米/小时,转回到常规飞行模式。在飞行中,升力风扇运行了14分钟,试飞共进行48分钟。


1月7日,F-35B首次启用升力风扇


F-35B是世界上唯一的量产型垂直/短距起落战斗机,对美国海军陆战队和一些拥有小航母的海军特别重要


空中优势对于美国军事战略具有无与伦比的重要意义。进入20世纪90年代后,美国空军的F-16A/B已经开始大批退役,A-10的替代也早就上了议事日程;美国海军的F-18A/B也是一样。更紧迫的是由英国鹞式战斗机发展而来的海军陆战队的AV-8B,空军的F-22已经落实了,海军的F-18E也落实了,但海军陆战队的AV-8B面临后继无人的窘况。面对三军都需要F-16/F-18/AV-8这一级的下一代战斗机,美国国会指令三军联合研制,这就是“联合打击战斗机”(Joing Strike Fighter,简称JSF)的起源。JSF要求能够作为F-22和F-18E的低档搭配,并且具有垂直/短距起落能力,以接替AV-8B。为此,JSF 具有空军用的陆基型、海军用的舰载型和海军陆战队用的垂直起落型,共用基本机体设计和基本发动机。JSF要求具有和F-16、F-18相当的机动性,还要具有更好的载弹量和航程,最重要的是,JSF具有隐身能力。但JSF难度最大的地方是在于在严格控制成本和风险的前提下,要求具有垂直起落能力。没有这个要求的话,JSF本来会容易得多。



从二战到冷战到现在,制空权对美国军事思想一直具有特别重要的意义

作为轻型战斗机的F-35根本不轻小,比实际上已经是中型的F-16还大一圈


麦道、波音和洛克希德马丁公司分别递交了自己的设计,麦道方案早早落选,波音方案获得命名为X-32,洛克希德方案则被命名为X-35。经过激烈竞争,洛克希德的X-35入选,成为标准的下一代美国轻型战斗机,并得到军方编号为F-35。常规起落的F-35A为空军型,已经于2006年12月15日首飞;垂直起落的F-35B于2008年6月11日首飞;舰载型F-35C在2009年7月28日首次公诸于世,预订首飞为2009年底,但现在看来推迟了。普拉特惠特尼公司的F119发动机已经用于F-22,被军方指定为JSF的基本发动机;通用电气公司的F120作为备选发动机,得到低速发展。美国航空发动机的研发能力确实强劲,普拉特惠特尼从F119基本发动机出发,一方面大大增加推力以满足垂直起落的要求,另一方面左右开弓,同时满足JSF所有方案的不同垂直起落方案,这个功力非同小可。


美国空军常规起落的F-35A早已首飞


在俄罗斯的雅克-38和英国的鹞式战斗机之后,F-35B是第三架实战化的垂直起落战斗机。自从飞机成为战场上制胜的重要武器以来,各国空军无不为受困于固定的跑道而忧心忡忡,追求像鸟儿一样能一跃而腾飞于空中是人们孜孜以求的目标。但这是多么艰难的一跃啊。


直升机能够实现垂直起落,但直升机具有太多的固有缺陷,不可能取代固定翼飞机。但是固定翼飞机的机翼只有在前进中才能产生升力,这就决定其对跑道助跑的依赖。固定翼飞机要实现垂直起落,只有在起落阶段摆脱对机翼升力的依赖,用发动机产生直接升力。于是,在普通的战斗机机体上,在重心附近增加专用的升力发动机就成为很自然的一个思路。


专用的升力发动机因为工作条件范围小、工作时间短,所以体积小、重量轻、推力大,坏处是占用机体体积和在平飞中成为死重,严重影响战斗机的载弹和航程。法国达索公司、意大利菲亚特公司、美国洛克希德公司、苏联米格和苏霍伊设计局都研制过将升力发动机安装在普通战斗机上的垂直起落战斗机,但只有苏联的雅可福列夫设计局才将采用升力发动机的垂直起落战斗机实用化。


1971年首飞的雅克-38在前机身安装两台辅助的升力发动机,在后机身安装一台作为主要推进装置的升力-巡航发动机。两台升力发动机降低了单发失效对安全的威胁,但升力发动机安装在机体内是有其问题的。首先,炽热的喷气离发动机进气口很近,容易造成喷气回吸问题,极大地影响了发动机的有效工作,也给机体带来严重的烧蚀问题。第二,高速喷气在机体下延地面向两侧流动,而机体上方除升力发动机进气口附近外,空气相对静止,这就相当于将机翼反过来的情况,造成使机体向地面吸附的效果,大大减弱垂直起落中的实际可用升力。


雅克-38是苏联时代的舰载垂直/短距起落战斗机


雅克-38的航程和飞行性能都差强人意,只能作为侦察机,用作舰队防空或者海上攻击很勉强



雅克-38的炽热喷流可以对甲板造成很大的损坏


雅克-38在使用中对飞行员的操控要求十分苛刻,一个不小心,就会出事故。雅克为此专门设计自动弹射救生系统,在垂直起落阶段,一旦机体倾斜超过一定程度就自动弹射,速度和高度达到一定程度以上才自动解除。从某种意义上说,雅克-38是为了和“基辅”级航空母舰配套而匆匆投入使用的。作为作战飞机,雅克 -38并不成功,只有600公斤的载弹量、100公里的作战半径和有限的机载电子设备,在实战中,很难作为同时代的F-14、F-18的对手。雅克-38 的可靠性也十分糟糕,第一个中队的6架雅克-36随“基辅”号出航时,出发伊始就有一半不能升空,等到一个月后返航时,只剩一架还能升空了。


为了尽可能增加航程和载弹量,苏联海军飞行员采用短滑跑起落,但早期的雅克-38没有考虑滑跑起飞,前机轮不能控制转向。雅可福列夫设计局根据使用经验,设计了改进型的雅克-38M,不光前机轮可以转向,而且在机背升力发动机进气口两侧增加了纵向的挡板,可以缓解一点喷气回吸的问题。


为了减小下射喷流对甲板的损坏和增加起飞重量/航程,雅克-38常采用短滑跑起飞


苏联曾经想过将雅克-38用于前线近距对地支援,并在阿富汗试验性地部署了几架雅克-38。但垂直起落时造成的巨大尘土大大增加了发动机的磨损,也严重恶化了飞行员视界,危害飞行安全。其载弹、航程太低,对地勤的要求太高,远远不如武装直升机实用,这个想法很快就放弃了,雅克-38再也没有作为陆地起落的战斗机部署过。苏联解体后,军费剧减,鸡肋的雅克-38在92年就推出现役,配套的“基辅”级航空母舰也很快推出现役,其中的“基辅”号和“明斯克”号成了中国人的海上主题公园。


在雅克-38的基础上,雅可夫列夫设计局进一步设计了超音速的雅克-41(也称雅克141)。雅克-41在设计上比雅克-38要成熟很多,据说作为战斗机其基本性能不亚于米格-29,那比雅克-38是一个非常大的进步。雅克-38的发动机喷口是Y形的,在中机身向两侧分叉。这是为了保证升力-巡航发动机的喷口在机体重心附近。雅克-41反其道而行之,除了辅助的升力发动机依然靠前布置外,作为主要推进装置的升力-巡航发动机采用单一的转向喷口,但尾翼安装在喷口两侧的尾撑上。


雅克-41是雅克-38的后继,可以达到超音速,但因为苏联解体而流产了



雅克-201是结合隐身修形的雅克-41大改


雅克-41进行了成功的试飞,但生不逢时,正好赶上苏联解体,军购急剧缩水。雅可福列夫设计局用自己的经费还勉强支撑了几年,希望能吸引外国合作伙伴,但没有结果。海湾战争和ATF竟标(最后导致F-22)后,雅可福列夫设计局看到隐身对新一代作战飞机的影响,将雅克-41按隐身要求修形成雅克43,后来还进一步改进成雅克-201,最后还是无果而终。然而,洛克希德看中了雅克-41的设计经验。尽管不能说X-35抄袭雅克-41,但X-35的设计受到雅克-41的影响是没有问题的,尤其是其升力-巡航发动机的安排,这是和雅可夫列夫交流的结果,洛克希德也供认不讳。


英国研制垂直起落战斗机甚至早于苏联,在1960年就首飞成功鹞式战斗机的前身霍克P1127。P1127和鹞式不用专门的辅助升力发动机,而是用单一的升力-巡航发动机,依靠转向喷口实现垂直起落。鹞式战斗机的历史是另外一个话题,但应该指出的是,单一的升力-巡航发动机尽管节约了专用升力发动机的体积和重量,但自身的复杂性和重量大大增加,而且在布局上必须安装在机身重心,四个喷口像八仙桌的四个腿一样提供平衡的升力。鹞式的前喷口是从发动机压气机不经燃烧室直接引出,后喷口喷射的才是高温燃气。由于控制力矩短,鹞式在垂直起落状态下的载弹很有讲究,要是不平衡就容易出事故。为了确保“四腿”的推力平衡,只能采用单发,限制了进一步的发展。


“鹞”式战斗机是最成功的垂直/短距起落战斗机,但年岁大了,急需替代


鹞式的命运比雅克-38好一点,在1982年的英阿马岛战争中大出风头之后,搭载鹞式战斗机的小型航母曾一时大行其道,连美国海军也为之心动,但最后只有美国海军陆战队使用由鹞式发展而来的AV-8B。有意思的是,在两次伊拉克战争中,AV-8B并没有随海军陆战队前出上陆就近部署,而是依然以两栖攻击舰为基地,作为一般的舰载飞机使用。


F-22是美国空军的主力战斗机,需要有一个低档战斗机搭配,这就是JSF了


JSF作为F-22和F-18E的低档搭配,本来在技术的挑战远远低于成本控制上的挑战,但垂直起落的要求使整个JSF计划极大地复杂化了。空军不愿意为了不需要的垂直起落要求而损失机动性、简单性和成本,海军不愿意在对航母起落至关重要的低速性能上作牺牲,海军陆战队则非垂直起落不可。


麦道、波音和洛克希德-马丁分别提交了方案。麦道的方案采用和雅克-38相似的升力发动机加升力-巡航发动机的布局,在气动布局上为无垂尾的V形尾方案,机翼后缘呈M形,可以说是空军的“先进技术战斗机”ATF竞争中落选的YF-23的缩小版。采用单独的升力发动机有利于降低动力系统的研制风险,其喷口可以转向,不仅可以产生直接的升力,也可以向后偏转,产生推力,在主发动机故障或战损时,升力发动机可以使飞机安全返航,加强战场上的生存力。麦道方案的机翼设计很有新意,机翼和尾翼之间的“边条”既强化翼身融合体,又在大迎角时起到升力体的作用,是神来之笔。但垂直起落设计了无新意,死重大,成本高。最大的问题还是在V形尾。V形尾重量轻,隐身好,阻力小,但V形尾一动,在滚转和偏航上就有交联,对飞行控制系统的要求很高,对机动性的影响也大。美国空军尽管强调隐身,但对机动性丝毫也不放松,YF-23就是栽在这上面。麦道虽然最后临时加装了鸭翼以改进机动性,但是为时已晚,麦道方案在还没有进入最后的对比试飞前就被淘汰了。JSF落选对麦道是致命的,这个曾经研制F-4、F-15,主要承包F-18、AV-8的公司,就这样降下了帷幕。


尽管波音在二战之前就再也没有得到过美国战斗机的订单,但波音对所有战斗机竞争从不放过,屡败屡战。正因为没有历史,波音也就没有包袱,设计方案就敢于另类。波音JSF方案采用一反美国常规的双垂尾大三角翼方案,这是康维尔F-106后第一架美国的无尾三角翼战斗机。波音JSF采用和“鹞”式相似的一体式升力-巡航发动机,不同的是从压气机引流压缩空气的前转向喷管被取消了,后向的主喷管一直延伸到机尾,在垂直起落时,使用偏转装置,从机身重心附近就“提前”喷射出来,这样对后机身气动设计比较容易。这样可以充分利用高温燃气产生最大升力,避免最大起飞重量受限的困窘。巡航状态时,偏转装置将喷流导向尾喷管,产生推力,尾喷管具有推力转向能力,用于改善机动性。


波音JSF采用无尾三角翼


其血盆大口的进气口是最大的特征


由于发动机要尽量前置,以使喷口坐落在机体重心处,进气道只能又大又短,这血盆大口一般的超大进气道给隐身带来很大的问题。波音用“雷达屏障”来解决,就是在进气道中用涂覆雷达吸波材料的导流片使进气气流像在迷宫里一样扭转后才进入风扇正面,而这迷宫可以有效地阻止电磁波长驱直入,或者形成有效反射。经过多次折射、反射的电磁波被反复吸收能量,最后反射回入射方向时能量已经大大降低,达到降低雷达特征的效果。F-18E的进气道也是采用了类似的技术,才达到准隐身效果的。不过F-18E的进气道导流片是固定的,X-32的导流片是可调的,可以根据飞行状态和隐身的要求调解角度,将进气气流理顺,优化风扇的效率。导流片的缺点是结构重量和进气压力损失,发动机推力要适当增大以补偿进气压力损失。


波音JSF得到最后对比试飞的资格,代号为X-32。X-32的F119除了独特的两段式喷管外,还在垂直起落阶段用姿态控制喷嘴实现其余的升力和控制平衡。X-32的F119还有一个特色:从发动机风扇引出高压空气,在前机体下方向下喷射,形成一道气帘,阻止炽热喷气回流到进气口。发动机上所有和垂直起落有关的额外系统总重约300公斤。


X-32肥厚、宽大的机翼为机内燃油提供了极大的容积,机翼翼载小,机动性相当好。宽大的机体可以容纳较大的机内武器舱,有利于隐身和降低气动阻力、增加航程。X-32的问题在于过于围绕垂直起落性能而设计,常规起落的性能损失较大。由于无尾三角翼的固有特性,起飞和着陆时不能通过放下襟翼来达到增升何缩短滑跑距离,海军对此尤其敏感,因此对无尾三角翼布局极力反对。波音试图亡羊补牢,在最后时刻将X-32改成有尾布局,但为时已晚。


洛克希德JSF基本就是F-22的缩小版。洛克希德JSF在早期曾经设想过用鸭式布局,但不久就放弃了,回到驾轻就熟的常规布局,采用与F-22相似的菱形翼和外倾的双垂尾,此外并无惊人之笔。在气动设计上,洛克希德JSF的最大特点是“无边界层分离板超音速进气道”(Diverterless Supersonic Intake,简称DSI),用一个精心设计的鼓包而不是常见的边界层分离板来泄放机体和进气道结合部的呆滞气流,既改善了隐身,又提高了进气效率。


洛克希德X-35连模样都像缩小版的F-22



X-35的DSI是一个设计创新


如前所述,JSF的关键技术挑战在于垂直起落,而不是隐身。洛克希德为了少走弯路,早早和雅克夫列夫合作,吸取前者在垂直起落战斗机研制上的经验,最后方案和雅克-41有相似之处也就不奇怪了。不过洛克希德没有采用专用的升力发动机,而是从主发动机引出动力,驱动前置的升力风扇,这样可以既具备升力发动机布置相对灵活、重心控制相对有效的特点,又减少升力发动机死重的缺点。另外,升力风扇的排气就是压缩空气,没有对机体烧蚀和喷气回吸的问题。洛克希德 JSF在升力风扇的驱动方式上有过一段犹豫,最后采用了技术上比较成熟的轴驱动,配以号称世界上最强大的离合器。在巡航状态时,离合器将驱动轴和升力风扇脱开,升力风扇的进、排气门关闭。在垂直起落状态时,离合器将驱动轴和升力风扇连接,升力风扇的进、排气门打开。


洛克希德最初是想用喷气驱动的升力风扇的,也就是说,将低压压气机后的压缩空气引出一股,用管道折向前面,驱动升力风扇。驱动方式可以向轴心的涡轮吹气以驱动风扇,或者向升力风扇的翼尖吹气,像驱动水轮一样。喷气驱动的好处是省却了沉重、复杂、维修麻烦的驱动轴和离合器,可靠性好,但喷气驱动需要在机体内布置可以通过很大流量的高压空气管路,占用空间太大。高压空气掉头180度后,动能损失也很大,最后还是放弃了。


F-35B采用升力风扇和主发动机推力转向相结合,产生垂直升力


洛克希德JSF也进入了对比试飞,代号为X-35,并最终赢得JSF的合同,代号改称F-35。洛克希德由此成为21世纪美国唯一研制新战斗机的公司,波音通过麦道的关系还在制造F-18E/F,但在F-22上只有转包商的份,F-35则一点份也没有。F-35将分三个基本型:空军的F-35A型取消升力风扇,空下的体积用于更多的机内燃油和机载设备;海军陆战队的F-35B型具有垂直起落能力,机背加宽以容纳升力风扇;海军的F-35C型为航母起落增大了机翼和尾翼,以适应航母上低速、大迎角起落的要求。英国已经肯定加入F-35计划,很多国家有意用F-35作为F-16或F-18的后继,但美国对F- 35的生产采用“赢者通吃”,而不是入股分工,并对F-35的研发发言权和敏感技术的转让限制重重,可能给F-35的外销带来一定的问题。不管怎么说,如果不出意外的话,F-35将是未来二、三十年里世界上的主导战斗机之一,F-35B也是唯一的实战型垂直/短距起落战斗机,其重要性不言而喻。