抄襲還是原創？F-35B三軸承旋轉噴管的前世今生

譯者 Armstrong

每架F-35B「閃電II」短距起飛/垂直降落(STOVL)戰鬥機都裝著一個非常關鍵的部件，這就是三軸承旋轉噴管(3BSD)。3BSD位於飛機尾部，作用是普惠F135發動機的推力矢量從平飛時的向後變為垂直起降時的向下。這種矢量噴管可以平滑下彎95度而無需改變發動機運行狀態，並且還能在F-35B懸停以及懸停與平飛間過渡時進行偏航控制。

3BSD的起源

在20世紀60年代的冷戰高峰，鑒於北約空軍基地易遭蘇聯先發制人的空中打擊，所以西方開始對垂直起降(VTOL)戰術飛機產生了興趣。這種飛機平時躲在硬化機堡中，在基地遭受突襲後仍然可以從損壞的跑道上起降。

這種飛機平時躲在硬化機堡中，在基地遭受突襲後仍然可以從損壞的跑道上起降。圖為北美公司的設計

美、英、德、法4國製造並測試了多種VTOL戰鬥機，但最後只有英國的「茶隼」成功服役，成為「鷂」式。鐵幕另一邊也只有蘇聯的雅克-38實際服役，該機使用了與「鷂」相似的發動機和矢量噴管布局。

同時美國海軍也在研究海洋控制戰鬥機概念，這種VTOL戰鬥機可在小甲板的海洋控制艦上起降，無需部署在傳統航母上。美國海軍要求海洋控制戰鬥機能滿載垂直起飛，並且還能作為常規艦載戰鬥機部署到航母上，所以必要配備帶加力燃燒室的發動機。

而雙操作模式又導致了更大更重的機身，對垂直升力的要求已超出主發動機的極限，最流行的解決方案是在前機身內增加小型升力發動機，在重心之前產生垂直向下的推力，這種設計被稱為升力+升力/巡航發動機。艾里遜、羅羅及其他發動機製造商專門為此研製了多種小型渦噴升力發動機，飛機製造商們也製造了多種有著不同升力+升力/巡航發動機布局的VTOL原型機和驗證機。

在60年代中期，幾乎所有的美國發動機製造商都研究了安裝在VTOL戰鬥機主發動機上的3BSD噴管。美國專利局收到來自普惠、通用電氣、甚至是波音軍用飛機分部提交的3BSD專利申請，其設計各具特色。

到60年代後期，普惠設計並測試了第一種3BSD噴管，一張1967年的設計圖紙顯示了該噴管的設計細節。普惠把第一個3BSD噴管在JT8D發動機上進行了測試，測試內容包括發動機在噴管彎曲90度狀態時全加力運行。為避免試驗台下方地面過熱，JT8D被倒置讓噴管向上彎曲。當然普惠最後也進行了向下噴氣測試以評估因近地效應增加的壓力對噴管性能的影響。

三軸承旋轉噴管(3BSD)的尾噴管分成三段，接面都呈一定角度，通過三個密封圓形軸承連接起來。外部電機通過驅動旋轉段上的齒輪來讓尾噴管向下彎曲，在這個過程中前段和後段保持不動，只是中段旋轉180度。最前端的軸承負責偏航控制，可以在垂直起降模式中對噴管進行橫向偏擺

1972年6月，通用動力康維爾分部為回應美國海軍頒布的海洋控制戰鬥機設計需求書，提交了Model 200方案。Model 200將安裝一台配備了普惠3BSD噴管的PW401加力發動機及兩台艾里遜XJ99升力發動機，XJ99串列垂直安裝在座艙後的機身中，產生的垂直升力足以平衡3BSD噴管向下噴氣的推力。為了解決飛機加力垂直起飛時的地面高溫問題，海洋控制艦的甲板上有一塊金屬格柵垂直起降區，可讓熾熱噴流穿過。

1972年6月，通用動力康維爾分部為回應美國海軍頒布的海洋控制戰鬥機設計需求書，提交了Model 200方案。Model 200將安裝一台配備了普惠3BSD噴管的PW401加力發動機及兩台艾里遜XJ99升力發動機，XJ99串列垂直安裝在座艙後的機身中，產生的垂直升力足以平衡3BSD噴管向下噴氣的推力

為了解決飛機加力垂直起飛時的地面高溫問題，海洋控制艦的甲板上有一塊金屬格柵垂直起降區，可讓熾熱噴流穿過

羅克韋爾公司提交了XFV-12引射增強方案與康維爾競爭，而且最後被美國海軍選中進入原型機製造階段，結果證明僅憑發動機的氣流引射是無法產生足夠垂直升力的。有人說美國海軍是明知引射增強方案不靠譜但仍執意選擇，只是為了消除小型海洋控制艦對大型「尼米茲」級航空母艦的潛在威脅。3BSD噴管的設計圖紙於是被鎖進了康維爾分部加州聖迭戈工廠的文件櫃中。

國防高級研究計劃局的先進STOVL戰鬥機

美國在20世紀70~80年代一直研究「鷂」的後繼機，希望能獲得一種超音速多用途STOVL戰鬥機，其超音速性能和機載雷達正是「鷂」所缺乏的。

在此期間，美英合作為下一代VTOL和STOVL戰鬥機研究了推進升力系統。80年代後期，美國國防高級研究計劃局(DARPA)也開始研究VTOL飛機，洛克希德、通用動力、麥道、波音參加了概念研究。這些研究導致DARPA正式展開先進VTOL(AVTOL)戰鬥機競標，最後洛克希德勝出。1993年洛克希德買下通用動力沃斯堡分部——當時通用動力唯一的飛機製造和設計部門。

順便說一些，AVTOL項目後來演變成三軍聯合先進技術攻擊機(JAST)，JAST隨後又變成聯合打擊戰鬥機(JSF)項目，而洛克希德的X-35B原型機也最終成為今日的F-35B。

DARPA要求洛克希德製造一架AVTOL大型動力模型(LSPM)，除進行氣動測試外還要驗證洛克希德軸傳動升力風扇系統。

DARPA要求洛克希德製造一架AVTOL大型動力模型(LSPM)，除進行氣動測試外還要驗證洛克希德軸傳動升力風扇系統。DARPA稱呼這個模型為X-32，誰知道以後成了波音JSF原型機的編號

一開始洛克希德為LSPM設計了二元單斜面膨脹尾噴管(SERN)，噴管的上擋板遠長於下擋板，上擋板可向下偏轉90度使噴流垂直向下噴射。為了調節懸停時發動機的背壓，下擋板可前後滑動，根據需要調整尾噴管的截面積，而這是驅動升力風扇的一個關鍵控制要素。羅羅公司負責研製安裝在普惠F100發動機上的SERN噴管。

一開始洛克希德為LSPM設計了二元單斜面膨脹尾噴管(SERN)，噴管的上擋板遠長於下擋板，上擋板可向下偏轉90度使噴流垂直向下噴射。為了調節懸停時發動機的背壓，下擋板可前後滑動，根據需要調整尾噴管的截面積，而這是驅動升力風扇的一個關鍵控制要素。羅羅公司負責研製安裝在普惠F100發動機上的SERN噴管

但隨著風洞試驗的進行，SERN噴管的缺點逐漸顯現。SERN噴管依靠上擋板使噴流向下偏轉，但噴流在碰壁後(上擋板的偏轉位置)向下通過下擋板邊緣時會發生氣流分離，從而導致嚴重的推力損失。此外SERN噴管的重量不輕，由於矩形噴管的側壁和大型擋板不能很好承受壓力，所以必須採用較厚的材料和大量加強結構才能保持噴管在工作時不至於變形，否則就會出現密封問題，而在發動機全推力狀態下驅動長1.8米的上擋板也需要非常龐大的操作機構。

但隨著風洞試驗的進行，SERN噴管的缺點逐漸顯現。SERN噴管依靠上擋板使噴流向下偏轉，但噴流在碰壁後(上擋板的偏轉位置)向下通過下擋板邊緣時會發生氣流分離，從而導致嚴重的推力損失。此外SERN噴管的重量不輕，由於矩形噴管的側壁和大型擋板不能很好承受壓力，所以必須採用較厚的材料和大量加強結構才能保持噴管在工作時不至於變形，從而出現密封問題，而在發動機全推力狀態下驅動長1.8米的上擋板也需要非常龐大的操作機構

為了取代SERN噴管，洛克希德研究了一系列替代方案。增強分流噴管(ADEN)用一個半圓鏟形擋板進行噴流偏轉;改進型增強分流噴管(MADEN)使用可偏轉上下擋板。最後3BSD噴管產生的垂直升力更靠近重心，而且重量最輕

LSPM在NASA的艾姆斯風洞和懸停試驗台的試驗證明了軸傳動升力風扇的可行性，不過人們認為X-35B需要更好的尾噴管解決方案。

LSPM在NASA的艾姆斯風洞和懸停試驗台的試驗證明了軸傳動升力風扇的可行性，不過人們認為X-35B需要更好的尾噴管解決方案

此時一些沃思堡的原通用動力工程師參加了ASTOVL項目，隨著聖迭戈工廠的關閉，這些工程師們有機會接觸到康維爾留下的檔案。

檔案中就有Model 200和3BSD噴管的圖紙。1994年10月普惠資助洛克希德沃思堡團隊為ASTOVL研究3BSD尾噴管，研究內容涉及垂直起降時的噴管離地間隙，安裝新噴管後的後機身阻力，安裝新噴管後推進系統的整體性能。

1972年康維爾Model 200的3BSD噴管圖紙。在康維爾設計中，方向舵動作器被機械連接在偏航控制軸承上，實現了兩者的聯動。而在X-35和F-35上，這個功能是由數字飛控系統控制旋轉電機實現的。X-35/F-35和Model 200的噴管基本結構相同，包括那根彎曲的液壓管線以適應旋轉運動

研究結果表明3BSD噴管除重量大幅輕於SERN噴管外，在所有模式下都能表現出優秀的推進性能。很快洛克希德就在ASTOVL 141構型上加入了3BSD噴管，並演變為X-35鴨式三角翼布局的原型機設計。

研究結果表明3BSD噴管處重量大幅輕於SERN噴管外，在所有模式下都能表現出優秀的推進性能。很快洛克希德就在ASTOVL 141構型上加入了3BSD噴管，並演變為X-35鴨式三角翼布局的原型機設計

普惠把3BSD噴管放大後直接匹配X-35的PW611發動機，據估計僅用3BSD噴管直接取代SERN噴管就能減重816千克。由於尾部重量的減輕，X-35總體設計的重量平衡也更容易。3BSD噴管還能提供SERN噴管所缺乏的偏航控制，因為噴管在彎曲向下時可以向兩側進行輕微偏擺。而採用SERN噴管時，只能通過升力風扇底部的百葉窗式葉片進行偏航控制，不僅增加了額外重量，而且進行偏航操縱時還帶來不必要的滾轉趨勢。

3BSD噴管用第一節旋轉軸進行偏航控制，而且偏航推力是通過發動機中心線施加，且很靠近飛機的垂直重心，所以不會產生附加的滾轉力矩。此外圓形的軸對稱噴管在平飛和垂直起降中都能產生更大的推力。3BSD噴管彎曲向下時產生垂直升力的位置也比SERN噴管靠前，這樣升力風扇和尾噴管之間就能獲得更好的升力平衡。

很快3BSD噴管又融入了低可探測性軸對稱噴管(LOAN)的隱身特性，後者在F-16上通過了驗證。普惠工程師通過挖掘自己的檔案，發現許多普惠在20世紀60年代研究3BSD噴管時的原始設計和測試數據，其中穿透軸承的冷卻空氣襯套設計讓他們眼前一亮。

普惠和羅羅公司負責為X-35原型機製造並試飛3BSD噴管，他們從普惠3BSD噴管的早期研究圖紙中借鑒了許多設計理念。例如原型噴管有一個穿過所有軸承的冷卻空氣襯套，一直延伸到加力燃燒室，儘管X-35B和F-35B在懸停無需開加力

在這張照片上可以看到X-35B噴管的外部驅動馬達和盤繞著的管線，結構和1972年的設計幾乎完全相同。不過X-35B/F-35B使用以燃油為工質的液壓系統來驅動噴管，這也就是所謂的燃油液壓技術。發動機自備液壓泵增壓燃油驅動液壓馬達，然後這些燃油還是會進入發動機消耗掉

3BSD噴管用第一節旋轉軸進行偏航控制，而且偏航推力是通過發動機中心線施加，且很靠近飛機的垂直重心，所以不會產生附加的滾轉力矩。此外圓形的軸對稱噴管在平飛和垂直起降中都能產生更大的推力。3BSD噴管彎曲向下時產生垂直升力的位置也比SERN噴管靠前，這樣升力風扇和尾噴管之間就能獲得更好的升力平衡

1995年，洛克希德ASTOVL / JAST團隊正式改用3BSD噴管，他們為STOVL型設計了較短的3BSD軸對稱收斂/擴散噴口，為常規起降(CTOL)和艦載(CV)型設計了較長的噴口，後者具有更好的性能。X-35鴨式變為常規布局，並引入無附面層隔板的蚌式進氣口，起落架和武器布置也有所改變。

通過把現代發動機技術、隱身技術和已經30年歷史的3BSD噴管相結合，洛克希德終於獲得了能滿足SVTOL戰鬥機重量和性能要求的關鍵技術。這種軸對稱噴管能提供可預測的發動機背壓控制，實現與軸傳動升力風扇系統無縫協同，這些都奠定了X-35成功的基礎。

普惠和羅羅公司負責為X-35原型機製造並試飛3BSD噴管，他們從普惠3BSD噴管的早期研究圖紙中借鑒了許多設計理念。例如原型噴管有一個穿過所有軸承的冷卻空氣襯套，一直延伸到加力燃燒室，儘管X-35B和F-35B在懸停無需開加力。

2000年10月CTOL型X-35A首飛，2001年6月X-35B STOVL型首飛。X-35B和F-35B的尾噴管成為康維爾Model 200戰鬥機3BSD噴管的直系後裔。三種型號的X-35都使用較短的VTOL型收斂/擴散噴口，後來的F-35A/C才用上了較長低可探測尾噴口。

2001年6月X-35B STOVL型首飛，而且是一次垂直起飛

在試飛期間，X-35B完成了27次垂直降落，14次短距起飛，18次垂直起飛，美國和英國的四名飛行員飛過該機，在五個不同場合破過音障，並完成了5次空中加油

很快3BSD噴管又融入了低可探測性軸對稱噴管(LOAN)的隱身特性，後者在F-16上通過了驗證。普惠工程師通過挖掘自己的檔案，發現許多普惠在20世紀60年代研究3BSD噴管時的原始設計和測試數據，其中穿透軸承的冷卻空氣襯套設計讓他們眼前一亮

三種型號的X-35都為PW611發動機安裝了較短的VTOL型收斂/擴散噴口以節約資金加快進度，後來的F-35A/C才用上了較長低可探測尾噴口

並非來自俄羅斯

互聯網流傳著一個傳言，說X-35和JSF的3BSD尾噴管技術來自俄羅斯的雅克-41，而實際上普惠公司對3BSD噴管的研究要早於俄羅斯，在雅克-41首飛前的20年前，普惠就把3BSD噴管裝在發動機上進行了測試。

在整個70年代和80年代，蘇聯海軍一直希望能為其滑躍使起飛的航母裝備超音速STOVL戰鬥機，雅科夫列夫設計局為此研製了雅克-41。雅克-41安裝一台帶3BSD噴管的R-79升力/ 巡航發動機，不過噴管各節之間有明顯的偏移。雅克-41的前機身內還安裝兩台RKBM RD-41升力發動機，發動機系統的布局幾乎和康維爾Model 200完全相同。該機的生產型編號被定為雅克-141，但蘇聯海軍並沒有下決心訂購該機。

1991年雅克-141參加巴黎航展，該機在飛行表演時升力發動機的噴流融化了停機坪的瀝青，所以被勒令停飛。在1992年范堡羅航展的飛行表演中，雅克-141被限制進行常規起降，而且在跑道上方懸停高度不得低於150米，以避免再次破壞瀝青路面。不管怎樣。雅克-141成為第一種安裝了3BSD噴管的飛機，美國的X-35B直到25年後才首飛。

在1992年范堡羅航展的飛行表演中，雅克-141被限制進行常規起降，而且在跑道上方懸停高度不得低於150米，以避免再次破壞瀝青路面

在JAST項目初期，洛克希德的人隨同JAST項目辦公室的政府官員參觀了雅科夫列夫設計局和其他一些俄羅斯航空企業，其中包括生產K-36彈射座椅的紅星廠。他們有機會接觸了雅科夫列夫的技術和設計。

當時雅科夫列夫設計局正尋找資金來維持雅克-141項目，該機還沒獲得任何訂單。洛克希德公司用少量資金就換取了雅克-141的性能數據和部分設計數據，俄國人也允許美國政府人員研究這些資料，這就是傳言產生的源頭。其實這次訪問前X-35B就已經完成了3BSN噴管設計。

雅克-141的R-79V-300發動機

雅克-141的升力發動機和主發動機的布置，可以看到其3BSN噴管在巡航位置時並不直

總而言之，美國人在60年代發明了3BSD噴管，康維爾在70年代首先把該噴管應用在STOVL飛機上，卻是由雅克-41在80年代末首飛的。普惠公司在60年代設計出的3BSD噴管，經過90年代的X-35的淬鍊最終使用在了21世紀的F-35上，這說明一項技術在問世時可能會顯得毫無用處，但也許在未來就能開花結果。

美國人在60年代發明了3BSD噴管，康維爾在70年代首先把該噴管應用在STOVL飛機上，卻是由雅克-41在80年代末首飛的。普惠公司在60年代設計出的3BSD噴管，經過90年代的X-35的淬鍊最終使用在了21世紀的F-35上，這說明一項技術在問世時可能會顯得毫無用處，但也許在未來就能開花結果