F-35B是苏联雅克-41“还魂”?

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导读:F-35闪电II式(英语:F-35 Lightning II)是一款由美国洛克希德·马丁公司设计及生产的单座单发动机多用途战机,也是F-22的低阶辅助机种。开发厂商洛克希德·马丁以X-35实验机竞标联合战斗攻击机计划(JSF)并获选成为续存设计,进而开发出F-35。此机种主要用于近接支援、目标轰炸、防空截击等多种任务,并因此发展出3种主要的衍生版本,包括采用传统跑道起降的F-35A,短距离起降/垂直起降机种F-35B,与作为航空母舰舰载机的F-35C。 目前F-35第五代战斗机的AB


F-35B是苏联雅克-41“还魂”?

F-35闪电II式(英语:F-35 Lightning II)是一款由美国洛克希德·马丁公司设计及生产的单座单发动机多用途战机,也是F-22的低阶辅助机种。开发厂商洛克希德·马丁以X-35实验机竞标联合战斗攻击机计划(JSF)并获选成为续存设计,进而开发出F-35。此机种主要用于近接支援、目标轰炸、防空截击等多种任务,并因此发展出3种主要的衍生版本,包括采用传统跑道起降的F-35A,短距离起降/垂直起降机种F-35B,与作为航空母舰舰载机的F-35C。


F-35B是苏联雅克-41“还魂”?

目前F-35第五代战斗机的ABC三大型号都已经加入美国军队开始服役,而其中最为引人关注的是F-35B短距/垂直起降的型号。从第一款垂直起降战斗机英国“鹞”式诞生以来,各国对于垂直起降战斗机的研究开发就一直在进行着,关于垂直起降战斗机应用价值的争论也一直没有停过。

F-35B战斗机的诞生,似乎使得这种争论有了些许平息。作为一款具备隐身和超音速能力的第五代垂直起降战斗机,F-35B自研发之日起就被寄托众望。尽管一路坎坷,但F-35B终于在美国海军陆战队首先服役,这也让英国、日本、中国台湾等国际和地区投来了期待的目光。

尽管老旧的AV-8B“鹞”式仍大量在美军以及其他国家军队中服役。但昔日的老将已不能和近日崛起的新星同日而语,F-35B毫无疑问是当今世界最强的垂直起降战斗机。而F-35B能有今天的辉煌,主要得益于升力风扇+发动机喷管下偏+调姿喷管的垂直起降动力方案的匠心独运,作为其核心的F-135发动机,更是立下汗马功劳。


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由美国普拉特·惠特尼公司研制的F-135型发动机,最大推力超过18吨(4万磅)。 F-135发动机是在F-119(F-22战斗机使用)的基础上发展研制而成。由于海军陆战队与英国皇家海军预计采用的F-35B必须能够垂直起降,因此F-135也可以加上向下弯折的矢量推力喷嘴。但是这个喷嘴只有在垂直起降的场合使用,可以大大地缩短起飞/降落距离。其他F-35则不使用这项设计。

它是装备在F-22A战斗机上的F119-PW一100发动机的改进型号。其最大推力达191.3千牛。超过了F119-PW一100的最大推力(156千牛,约15.8吨)多达20%;F135的最大军用推力达到128千牛,而F119-PW一100的最大军用推力仅为104千牛。因此,F135是有史以来最为强劲的战斗机发动机。


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F135使用了F119的核心机,配合高效的6级高压压气机,1级高压涡轮和高效的风扇(由一个2级的低压涡轮驱动)。F135采用了BAE系统公司的全权数字式发动机控制系统(FADEC),为了提高发动机的可靠性和可保障性,F135大量采用外场可替换部件(LRC),其零部件数量比F119减少了大约40%。按照计划.F135一PW一100将作为F-35A空军型的动力系统;F135一PW一400将作为F-35C海军型的动力;而F135一PW一600将作为F-35B海军陆战队型的动力。


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F135发动机采用与F119发动机基本相同的核心机。为提高推力,增加了发动机的空气流量和涵道比,提高了发动机的工作温度;为了获得短距起飞和垂直着陆能力,垂直起降型增加了新颖的升力风扇、三轴承旋转喷管、滚转控制喷管。其3级风扇采用超中等展弦比、前掠叶片、线性摩擦焊的整体叶盘和失谐技术,在保持原风扇的高级压比、高效率、大喘振裕度和轻质量的同时,将风扇的截面面积增加了10%-20%。6级压气机与F119发动机的基本相同。燃烧室在F119发动机三维高紊流度、高旋流结构的浮动壁燃烧室的基础上,采用了高燃油空气比燃烧室技术,在提供小的分布因子和所要求的径向剖面的同时,满足了效率目标。高、低压涡轮采用对转结构,“超冷”高压涡轮转子叶片和导流叶片采用计算流体力学(CFD)方法设计,利用高温材料(可能为CMSX-4铸造合金)铸造,已在改进的F119发动机上得到验证,在提高耐久性的同时,能够明显提高工作温度(约为110℃)。低压涡轮增加1级,变为2级,以适应增大的风扇带来的驱动负荷。

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F135发动机推比10.5、加力推力19吨级别、军推13吨级别、质量1700千克,其19吨的加力推力目前没有任何实际装备战斗机的加力式涡扇发动机能够企及。不过值得一提的是,F135相对于F119虽然推力大幅度提高,但是实际上是在同样核心机基础上用流量、高速性能换推力。F135虽然推力超群,但是其高速性能却是下降的。

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短距/垂直起降型F135-PW-600为了满足垂直起降要求,设计了升力风扇+发动机喷管下偏+调姿喷管的垂直起降动力方案。升力风扇由涵道、风扇、D形喷管、联轴器、作动装置和伺服系统组成,由主发动机F135的2级低压涡轮驱动;升力风扇直径为1.27m,可以向前偏转13°,向后偏转30°,在垂直起降工作状态下使战斗机上方的冷气流以230kg/s的流量垂直向下喷出,产生90千牛的升力;3轴承偏转喷管垂直向下偏转(最多可偏转95度,可左右各偏转10度),产生71.1千牛的升力;该喷管可使发动机的排气从水平偏转到垂直甚至向前,可以使推力从水平方向偏转到垂直向后。


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此外,每侧翼根处的滚转控制喷管利用发动机压气机的引气,也可提供16.7kN的推力;在控制杆端的喷管差动地打开和关闭,实现滚转控制;通过偏转喷管偏航实现偏航控制;通过升力风扇和发动机推力分离器实现俯仰控制。包括主发动机在内的整个推进系统的长度为9.37m,悬停总推力为175.3千牛,短距起飞推力为169.5千牛。

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不过,F-35B的垂直起降设计是否是波音公司匠心独运的开山之作?我们还得从世界几款著名的垂直起降战斗机身上去寻找答案。图为F-35B战斗机的升力风扇。

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世界上真正投入实战的垂直起降战斗机共有3款,分别是英国的“鹞”式、前苏联的雅克-35以及最新的F-35B。图为呈现向下扭曲姿态的F-35B战斗机尾喷口

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AV-8B“鹞”式是由美国麦道公司和英国宇航公司联合研制,于1983件开始服役。AV-8B制造工作的60%由麦克唐纳·道格拉斯公司承担,其余40%由英国航宇公司承担。

在“鹞”式的机翼下方,是“飞马”发动机的尾喷,其尾喷转向角度范围是0到-90度,当转到-90度的时候,发动机的喷气就会垂直向下喷出,这样就产生垂直向上的推力,当推力与重力平衡的时候,就可以将飞机推起。这样就可以实现垂直起降。

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虽然被陆战队寄予厚望,但“鹞”本身的设计缺陷就决定了它在战场上不会有太大的出息。喷管喷出的气体温度过高,容易损坏跑道,而强大的吸气又容易吸进小鹅卵石等杂物,对发动机造成破坏。此外“鹞”的自重不能太大,否则无法垂直起降,这就限制了它的载油量,从而进一步限制它的航程和其它负载。 它的最大外部负载只有9000磅,与此相比,F/A—18的负载为1.55万磅。为了减轻重量,“鹞”的油箱没有加装防护装甲,油箱里没有阻燃泡沫,也没有加衬能够自我密封的隔膜(这种隔膜可以堵住被子弹射穿的窟窿),这些省略降低了它的战场生存性。但鹞式战斗机最致命的软肋还是它的喷气管。出于平衡的考虑,它产生推力最强、同时也是温度最高的喷管位于机身中央,而其它飞机的最热点则在机尾附近。所以一旦被热寻的导弹击中,鹞式飞机受的伤将更加致命

这点担心已经在1991年海湾战争中得到了证实。在那场战争中,陆战队共有7架鹞式战斗机被伊军炮火命中。根据美军的战后评估,鹞式战斗机的战损率为每出击1000架次损失1.5架飞机,而陆战队的主力战斗机F/A—18则毫发无损。在去年的阿富汗战争中,鹞式战斗机由于缺少一种激光瞄准系统,因此作战时只能由其它飞机提供定位。结果在去年11、12两个月,“鹞”参战最繁忙的阶段,它们也不过出动342架次,扔下了161颗炸弹。

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此外,油耗也成为令“鹞”式战斗机头疼的问题,在垂直起飞的时候要耗掉总油料的3分之一,所以不具备远航能力。而且由于载弹量太小,鹞式战机载弹量只有2271千克(同期美国的F-14有6577千克),对比一目了然。在载弹量增加的时候,不能垂直起降了,必须要从跑道滑跑起飞,这样还不如发展常规战机。图为“鹞”式战斗机所采用的“飞马”发动机,可以看到该型发动机的4个喷口。


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位于机翼下方的“鹞”式战斗机尾喷口


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1971年首飞的雅克-38是前苏联研制的垂直起降战斗机,也是世界上第二款投入实战的垂直起降战斗机。该机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。


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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。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。


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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-38 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。

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。

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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。


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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F-35B的垂直起降系统抄袭雅克-41,但F-35B垂直起降的设计受到雅克-41 的影响是没有问题的,尤其是其升力风扇+巡航发动机的设计,这是和雅可夫列夫设计局交流的结果,洛克希德也供认不讳。


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近日,美国《航空周刊》报道称,伴随着歼-20的性能逐步稳定,WS-15发动机得到中国航空发动机工业界的认可。报道揣测,中国航空发动机实现“跳跃式发展”,特别是在隐身歼击机发动机的技术上取得突破,这有望为歼-20的量产扫清障碍。R-79-300型推力矢量涡扇发动机采用了喷管推力矢量技术,也就是俗称的喷管“拐弯”技术,通过改变尾喷管的方向来推动战斗机进行机动飞行,当然也包括垂直起降,如果中国确实获得了这种发动机的核心技术,就意味着中国已经掌握了垂直起降战斗机的最关键技术。

报道称,1992年,陷入经济困境的俄罗斯被迫终止雅克-141垂直/短距起降型战斗机项目,为雅克-141量身打造的R-79-300型发动机没有了用武之地。报道揣测,1996年,俄罗斯签署向中国转让该型发动机技术的协议,中方可能还获得了一台R-79-300发动机的样机。1998年,俄罗斯向中国追加出口了R-79-300发动机的喷嘴和相关技术。外界曾认为,中国看中的是雅克-141的垂直起降技术,“没料到其发动机技术成为中国航空发动机取得突破的关键”。


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俄罗斯《军事平等》揣测,中国在雅克-141飞机所采用的R-79-300发动机的基础上开发出国产WS-15发动机,标志着中国国产军用航空发动机实现了重大突破。该型发动机是WS系列发动中的一款,其未来的改进型号将主要用于装备隐身歼击机歼-20。

雅克-141是前苏联为替换雅克-38而研制的一种短距/垂直起降战斗机,原本计划用于装备“基辅”级航空母舰。该机共安装有三台发动机,分别是一台R-79-300型推力矢量涡扇发动机(位于机身后背)和两台位于座舱后部呈串联安装的RD-41型升力发动机。图片为R-79-300型推力矢量涡扇发动机的设计方案之一。

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