“閃電”之心談?wù)凢發(fā)動(dòng)機(jī)

成了羅爾斯?羅伊斯公司的升力系統(tǒng)，使該機(jī)能實(shí)現(xiàn)短距起飛垂直降落(STOVL)。那么這種發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)上有什么獨(dú)到之處呢FF兩種發(fā)動(dòng)機(jī)共享一個(gè)“高度通用核心”。相同的零件。性之外兩種發(fā)動(dòng)機(jī)存在一些重要區(qū)別。由于單發(fā)的F-35需要F135產(chǎn)生高達(dá)43000磅(19504千克/)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(jí)別，而不是具體數(shù)據(jù))，而F119的全加力推力是35000磅(15876千克/)。所以F135需要比F119更大的氣流流量，為此加大了進(jìn)氣口直徑(1168毫米)和風(fēng)扇直徑(1270毫米)，發(fā)動(dòng)機(jī)總體直徑也更大了(1295毫米)。體葉片轉(zhuǎn)子(IBR，或簡(jiǎn)稱為“葉盤(pán)”，由實(shí)心鈦合金盤(pán)體和鈦葉片焊接而成)。第一級(jí)葉盤(pán)的中空葉片通過(guò)線性摩擦焊工藝焊接在盤(pán)提上，然后再加工成規(guī)定直徑。第二級(jí)葉盤(pán)采用實(shí)心葉片，使用相同技術(shù)焊接而成。線性摩擦焊是利用兩個(gè)工件以一定的頻率和振幅往復(fù)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量進(jìn)行焊接的方法，接合面受熱熔化后在壓力下使的數(shù)據(jù)，普惠官方的數(shù)據(jù)僅)，與燃油混合，燃燒成熾熱燃?xì)?，再進(jìn)入渦輪級(jí)，從而產(chǎn)生最大28000磅(12700千克/)的干推力(非加力)。F135有一個(gè)六級(jí)高壓壓氣機(jī)(HPC)單元，每級(jí)同樣都采用了整體葉盤(pán)。前幾級(jí)葉盤(pán)采用鈦合金制造，由于氣流經(jīng)過(guò)每一級(jí)的壓縮后都會(huì)變得更熱，所以后面一級(jí)或多級(jí)葉盤(pán)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(shí)，被高壓壓縮機(jī)壓縮FF過(guò)改進(jìn)能承受更高溫度，以適應(yīng)F-35的高推力要求。總體而言，這兩種發(fā)動(dòng)機(jī)的核心機(jī)，也就是高壓壓氣機(jī)+燃燒室+高壓渦輪的F119和F135都采用了單級(jí)高壓渦輪(HPT)，不過(guò)F135的低壓渦輪(LPT)是兩級(jí)，而不是F119的一級(jí)。之所以這么改動(dòng)，F(xiàn)-35B發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪所在的低壓轉(zhuǎn)子不僅被用于驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇級(jí)，也被用于驅(qū)動(dòng)一根傳動(dòng)軸，這樣才能使座艙之后發(fā)動(dòng)機(jī)之前的FB飛垂直降落要求，所以需要一級(jí)額外的低壓渦輪來(lái)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸，于是為了保持通用性，F(xiàn)135-PW-100/-400保留這個(gè)第二級(jí)低壓渦FPW無(wú)需為短距起飛垂直降落任務(wù)作出犧牲，所以可維護(hù)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(jìn)行了改進(jìn)，這層涂料能夠保護(hù)鎳基超級(jí)合金制成的渦輪葉片和定子葉片不會(huì)被燃燒室噴出的1649度熾熱燃?xì)馊诨?。F135和F119上，用于冷卻高低壓壓氣機(jī)的空氣都引自旁通氣流和高壓壓縮機(jī)引氣，在渦輪葉片和渦輪段殼體中布置有復(fù)雜的細(xì)小空氣通道管網(wǎng)，這點(diǎn)與商用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)類似。反向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子、陶瓷基復(fù)合材料和加力燃燒室過(guò)多談?wù)揊135發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要特點(diǎn)——反向旋轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)也繼承自F119。轉(zhuǎn)子的反向旋轉(zhuǎn)在某些情況下能夠理順從高壓壓氣機(jī)流向低壓壓氣機(jī)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(jí)風(fēng)扇、壓縮機(jī)或渦輪間理順氣流，使氣流以最優(yōu)狀態(tài)進(jìn)入下一級(jí))。普惠可能已經(jīng)在F135上實(shí)現(xiàn)了減少零件數(shù)量和降低重量，但該公司拒F135使用了陶瓷基復(fù)合材料(CMC)，主要用在F135-PW-600噴管的外側(cè)部分。F135-PW-600風(fēng)扇機(jī)匣部分(尤其底部)采用有機(jī)基材復(fù)合材料(OMC)制造，F(xiàn)135-PW-100/-400的風(fēng)扇機(jī)匣則由鈦合金制成。F-35在進(jìn)氣道某些區(qū)域也采用了有機(jī)基材復(fù)合材F135的加力燃燒室或加力系統(tǒng)也很有特色。盡管普惠公司并未透露細(xì)節(jié)，但已知F135采用了多區(qū)燃油噴射(可能是三區(qū))技術(shù)來(lái)把燃油噴向加力燃燒室點(diǎn)火器后方。燃油噴嘴可以單區(qū)噴射燃油，所以可以調(diào)節(jié)加力燃燒室的加力幅度，不再是要么全有要么全無(wú)的工作方式。在飛行員的控制下，多區(qū)燃油噴射技術(shù)可以提供一個(gè)平穩(wěn)的濕推力變化過(guò)程。與F119發(fā)動(dòng)機(jī)相同，F(xiàn)135的加力燃燒室也采用了隱身設(shè)計(jì)，這兩種發(fā)動(dòng)機(jī)把多區(qū)燃油噴嘴隱藏在彎曲的靜態(tài)導(dǎo)向葉片中，從而取消了傳統(tǒng)的噴油桿和火焰穩(wěn)定器(當(dāng)你從其他渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的尾噴管向里望去時(shí)，就能清楚看到這兩個(gè)設(shè)備)。羅爾斯?羅伊斯升力系統(tǒng)在懸停時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)能產(chǎn)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(chǎn)生28000磅(12700千克/)干推力和43000磅(19504千克/)的全加力推力。F-35B的F135發(fā)動(dòng)機(jī)依賴兩個(gè)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)如此高的垂直升力。首先是全權(quán)限數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元(FADEC)，這是一套由BAE其次是羅爾斯?羅伊斯的升力系統(tǒng)，與F135發(fā)動(dòng)機(jī)一道組成了短距起飛垂直降落推進(jìn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由4大主要組件組成。第一個(gè)組件是升力風(fēng)扇FB氣流向下噴出，以此產(chǎn)生垂直升力。升力風(fēng)扇的進(jìn)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款雪氣口后方的機(jī)身結(jié)構(gòu)上。F-35B懸停、短距起飛、或處于平飛和懸停間的過(guò)渡飛行時(shí)，蓋板向后打開(kāi)。升力風(fēng)扇由兩級(jí)反向旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇組成，一級(jí)疊加在另一級(jí)上方，每級(jí)都是整體葉盤(pán)結(jié)構(gòu)。上級(jí)風(fēng)扇有24片空心鈦葉片，下級(jí)兩級(jí)風(fēng)扇各由一套錐形齒輪系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)(該系統(tǒng)通過(guò)一組圓錐形齒輪，能使驅(qū)動(dòng)軸的扭矩旋轉(zhuǎn)90度傳遞給風(fēng)扇)。整流罩內(nèi)的驅(qū)動(dòng)軸穿過(guò)進(jìn)氣道把升力風(fēng)扇和發(fā)動(dòng)機(jī)連接起來(lái)。在發(fā)動(dòng)機(jī)那頭，驅(qū)動(dòng)軸連接在第一級(jí)風(fēng)扇的風(fēng)扇轂上，由低壓轉(zhuǎn)子驅(qū)FB懸停時(shí)，這根驅(qū)動(dòng)軸把28000軸馬力的功率傳遞給升力風(fēng)扇的離合器和錐形齒輪系統(tǒng)，使升力風(fēng)扇產(chǎn)生近20000磅 扇而不是從尾噴管噴出做工。從這點(diǎn)上看，F(xiàn)135可以說(shuō)是世界上最強(qiáng)大的渦槳發(fā)動(dòng)機(jī))。合器才與驅(qū)動(dòng)軸接合并鎖定。由于離合器會(huì)因摩擦產(chǎn)生高溫，所以離合器片采用了與大型商用飛機(jī)起落架碳剎車片相同的耐磨材料來(lái)制造。由于懸停需要非常大的推力，發(fā)動(dòng)機(jī)要吞入更多的空氣，所以洛克希德?馬丁在升力風(fēng)扇后方增加了一對(duì)輔助進(jìn)氣門(mén)(AAID)，F(xiàn)-35綜合測(cè)試部隊(duì)在馬里蘭州帕塔克森特河海軍航空站的測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)輔助進(jìn)氣門(mén)受到環(huán)境影響出現(xiàn)了過(guò)度磨損和疲勞，此外暴露了密封性不足，門(mén)鎖使用壽命不足的缺點(diǎn)。這些問(wèn)題導(dǎo)致低速率初始生產(chǎn)(LRIP)的F-35B在改裝輔助進(jìn)氣門(mén)前被限制進(jìn)入升力風(fēng)扇由兩級(jí)反向旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇組成升力風(fēng)扇蓋板打開(kāi)時(shí)的流場(chǎng)分析升力風(fēng)扇鈦合金葉盤(pán)升力風(fēng)扇進(jìn)氣口的計(jì)算機(jī)模型升力風(fēng)扇的齒輪箱升力風(fēng)扇的導(dǎo)向葉片組裝中的升力風(fēng)扇升力風(fēng)扇全貌第二個(gè)組件是可調(diào)截面積葉片盒(VAVB)號(hào)葉片是第二組，由第二個(gè)線性致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)；6號(hào)葉片由一個(gè)獨(dú)立旋轉(zhuǎn)致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。于是VAVB可實(shí)現(xiàn)噴管的矢量與截面積兼顧控VAVB噴管能對(duì)升力風(fēng)扇產(chǎn)生的升力進(jìn)行矢量調(diào)節(jié)，這個(gè)組件被整合進(jìn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)中，能承受結(jié)構(gòu)載荷，這樣做的目的是節(jié)省重量，要知道實(shí)現(xiàn)短距起飛垂直降落的一個(gè)關(guān)鍵因素就是：發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的垂直升力大于飛機(jī)重量。VAVB的切削鋁制矩形框架上面開(kāi)好了與機(jī)身結(jié)構(gòu)連接的安裝點(diǎn)，由于是一個(gè)結(jié)構(gòu)件，所以要預(yù)先交付給諾斯羅普?格魯門(mén)公司以便安裝在該公司制造的機(jī)身中段上。VAVB噴管對(duì)升力風(fēng)扇氣流起到了調(diào)節(jié)作用VAVB噴管作為一個(gè)結(jié)構(gòu)件要預(yù)先安裝在機(jī)身中段第三個(gè)組件是三軸承旋轉(zhuǎn)模塊(3BSM)噴管F-35B在懸停模式中，有15700磅(7121千克/)的垂直升力來(lái)自飛機(jī)尾部三軸承旋轉(zhuǎn)模塊(3BSM)噴管中向下噴出的熾熱燃?xì)?。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(guò)環(huán)形軸承與其他噴管連接。當(dāng)F-35B要懸量變化，都是非常艱巨的挑戰(zhàn)。3BSM噴管在秒內(nèi)就能完成95度偏轉(zhuǎn)(從水平偏轉(zhuǎn)到垂直狀態(tài))，噴管在懸停模式中還能左右偏轉(zhuǎn)度進(jìn)行橫向控制。在懸停中，除了升力風(fēng)扇產(chǎn)生的近20000磅升力外，F(xiàn)-35B兩側(cè)翼根中的滾轉(zhuǎn)噴管(RollPost)也能通過(guò)向下噴出旁通空氣達(dá)到39000磅(17690千克)。F-35B的垂直升力幾乎相當(dāng)于歐洲“臺(tái)風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)的全加力推力，這驚人的推力矢量能力全靠F-35B龐大而復(fù)雜的FADEC軟件M向同速旋轉(zhuǎn)。3BSM噴管的這兩個(gè)環(huán)形軸承致動(dòng)器都是燃油液壓驅(qū)動(dòng)的，部分燃油被加壓到3500psi(兆帕)后作為液壓流體來(lái)驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器的伺服閥。第四個(gè)組件是滾轉(zhuǎn)噴管滾轉(zhuǎn)噴管通過(guò)各自的管道與發(fā)動(dòng)機(jī)相連。這根管道有著復(fù)雜外形，與發(fā)動(dòng)機(jī)連接的一頭為圓形截面，然后過(guò)渡到噴管一端的復(fù)雜截面。這些鈦合金管道使用了超塑成形、擴(kuò)散連接和激光焊接制造工藝。滾轉(zhuǎn)噴管位于兩側(cè)翼根下方，噴管截面積可調(diào)，在F-35B懸停時(shí)提供滾轉(zhuǎn)控制。為了實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)，噴管管道從發(fā)動(dòng)機(jī)引出旁通空下噴出?？刂艶-35B在滾轉(zhuǎn)軸上的姿態(tài)。滾轉(zhuǎn)噴管位于兩側(cè)翼根下方，噴管截面積可調(diào)滾轉(zhuǎn)噴管的安裝位置滾轉(zhuǎn)噴管的管道修改前的升力風(fēng)扇級(jí)間導(dǎo)向葉片其中的離合器、齒輪箱和風(fēng)扇模塊有各自的獨(dú)立組裝線。該工廠目前每月生產(chǎn)一套完整的升力風(fēng)扇系統(tǒng)，在F-35B生產(chǎn)高峰時(shí)，產(chǎn)印第安納波利斯工廠還負(fù)責(zé)組裝3BSM噴管，上面的致動(dòng)器來(lái)自英國(guó)穆格工廠，此外還生產(chǎn)滾轉(zhuǎn)噴管和VAVB噴管。3BSM噴管的殼體在英國(guó)布里斯托爾工廠加工并安裝上環(huán)形軸承，然后被運(yùn)至印第安納波利斯進(jìn)行組裝，內(nèi)容包括安裝致動(dòng)器BSMF被設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)羅爾斯?羅伊斯公司在設(shè)計(jì)這個(gè)升力系統(tǒng)時(shí)也遇到了不小的挑戰(zhàn)。以升力系統(tǒng)項(xiàng)目主任賈萊特?瓊斯為首的一個(gè)團(tuán)隊(duì)專注于改進(jìn)在最初試飛中，升力風(fēng)扇級(jí)間導(dǎo)向葉片在特定模式下會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)，給飛機(jī)帶來(lái)了操作限制。最初抑制振動(dòng)的解決方案在寒冷天F底消除限制。3BSM噴管的測(cè)試發(fā)現(xiàn)從軸承中泄漏的冷卻氣流會(huì)沖擊飛機(jī)結(jié)構(gòu)，讓飛機(jī)的鋁合金結(jié)構(gòu)件一直吹熱風(fēng)絕不是個(gè)好主意。團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)后確定軸承無(wú)需氣流冷卻。于是他們重新設(shè)計(jì)軸承去掉了氣冷功能，于是也成功消除了熱空氣沖擊結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)。都是在布里斯托爾完成的。不過(guò)羅爾斯?羅伊斯公司的團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)升力系統(tǒng)中遭遇的最大挑戰(zhàn)是齒輪箱。由于齒輪承受的負(fù)荷遠(yuǎn)高于預(yù)計(jì)，所以他們必須用對(duì)齒輪進(jìn)行有限元應(yīng)力模擬分析，沒(méi)有使用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的齒輪設(shè)計(jì)方法。必須對(duì)計(jì)算機(jī)模型進(jìn)行大量驗(yàn)證，才能獲得滿足短距