“閃電II”戰鬥機——F135噴氣式發動機

“閃電II”戰鬥機使用的F135發動機是有史以來戰鬥機上安裝過的推力最大的噴氣式發動機。其中，用於F-35B的型號還集成了羅爾斯·羅伊斯公司的升力系統，使該機能實現短距起飛垂直降落（STOVL）。那麼這種發動機在設計上有什麼獨到之處呢？

F135發動機解剖圖

F135推進系統

F135的直徑和空氣流量都比F-22“猛禽”戰鬥機使用的F119發動機大。

F135和F119都是軸流式發動機，也就是說氣流沿直線穿過發動機核心，這兩種發動機共享一個“高度通用核心”。

從前往後看，這兩種雙轉子發動機的壓縮機系統大體相同，當然這種相同主要指F135和F119共享發動機架構，而不是使用了相同的零件。

當然除這些相似性之外兩種發動機存在一些重要區別。由於單發的F-35需要F135產生高達43000磅（19504千克/191.27kN）的“溼”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，而不是具體資料），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），發動機總體直徑也更大了（1295毫米）。

與F119相同，F135也採用三級風扇（在軍用渦扇發動機上，風扇是指整個低壓壓縮機元件）。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”，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，然後再加工成規定直徑。第二級葉盤採用實心葉片，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，接合面受熱熔化後在壓力下使工件結為整體。

經過加速的氣流在第三級風扇後被一分為二，57%進入風扇涵道成為旁通氣流，剩餘43%進入核心繼續壓縮（Air International的資料，普惠官方的資料僅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）的幹推力（非加力）。

F135有一個六級高壓壓氣機（HPC）單元，每級同樣都採用了整體葉盤。前幾級葉盤採用鈦合金製造，由於氣流經過每一級的壓縮後都會變得更熱，所以後面一級或多級葉盤改用鎳基合金製造，以承受更高的溫度。F-35做常規飛行時，被高壓壓縮機壓縮排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29倍。

F135的單環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的最大幹推力大於F119，所以執行溫度也必然更高。

F119和F135都採用了單級高壓渦輪（HPT），不過F135的低壓渦輪（LPT）是兩級，而不是F119的一級。之所以這麼改動，原因在於F-35B短距起飛垂直降落型。

F-35B發動機低壓渦輪所在的低壓轉子不僅被用於驅動風扇級，也被用於驅動一根傳動軸，這樣才能使座艙之後發動機之前的羅爾斯·羅伊斯升力風扇產生垂直升力。這個升力風扇是羅爾斯·羅伊斯升力系統的三大元件之一，正式這套升力系統使F-35B具有了懸停能力。

那麼，這和F135的兩級低壓渦輪有什麼關係呢？這是因為從專案一開始，F135發動機就被要求實現“三型相容”，也就是說F-35A所用的發動機要能與F-35B/C的保持儘可能多的通用度。當然，這三種發動機直接仍存在一些具體據別，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，於是為了保持通用性，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餘量，能應對F-35的潛在重量增長。由於F135-PW-100/-400無需為短距起飛垂直降落任務作出犧牲，所以可維護性也得到改善。

F135熱段冷卻空氣通道佈局和冷卻氣流與F119不同，此外，渦輪葉片表面的隔熱塗層材料也進行了改進，這層塗料能夠保護鎳基超級合金製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，用於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佈置有複雜的細小空氣通道管網，這點與商用渦扇發動機類似。

F-35A使用的F135-PW-100

STOVL模式下的F-35B

反向旋轉轉子、陶瓷基複合材料和加力燃燒室

普惠公司不願意過多談論F135發動機的一個重要特點——反向旋轉雙轉子結構，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，使氣流以最優狀態進入下一級）。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使用了陶瓷基複合材料（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）採用有機基材複合材料（OMC）製造，F135-PW-100/-400的風扇機匣則由鈦合金製成。F-35在進氣道某些區域也採用了有機基材複合材料。

F135的加力燃燒室或加力系統也很有特色。儘管普惠公司並未透露細節，但已知F135採用了多區燃油噴射（可能是三區）技術來把燃油噴向加力燃燒室點火器後方。燃油噴嘴可以單區噴射燃油，所以可以調節加力燃燒室的加力幅度，不再是要麼全有要麼全無的工作方式。在飛行員的控制下，多區燃油噴射技術可以提供一個平穩的溼推力變化過程。與F119發動機相同，F135的加力燃燒室也採用了隱身設計，這兩種發動機把多區燃油噴嘴隱藏在彎曲的靜態導向葉片中，從而取消了傳統的噴油杆和火焰穩定器（當你從其他渦扇發動機的尾噴管向裡望去時，就能清楚看到這兩個裝置）。

F135的風扇機匣

羅爾斯·羅伊斯升力系統

F-35專案的最顯著的特點之一就是在F-35B懸停時，它的推進系統在非加力狀態下產生的升力非常接近其全加力推力。F-35B在懸停時，發動機能產生39400磅（17872千克/176kN）的非加力垂直升力，而在常規飛行中，則能產生28000磅（12700千克/124.55kN）幹推力和43000磅（19504千克/191.27kN）的全加力推力。

F-35B的F135發動機依賴兩個系統來實現如此高的垂直升力。首先是全許可權數字發動機控制單元（FADEC），這是一套由BAE系統公司製造的安裝在發動機上的計算機，不過軟體是普惠定製的。在懸停時，FADEC能壓榨出發動機的所有潛力，使幹推力從28000磅增加到39400磅。

其次是羅爾斯·羅伊斯的升力系統，與F135發動機一道組成了短距起飛垂直降落推進系統，該系統由4大主要元件組成。

F-35B升力系統示意圖

第一個元件是升力風扇

升力風扇垂直安裝在F-35B座艙後方，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並加速氣流向下噴出，以此產生垂直升力。升力風扇的進氣口被洛克希德·馬丁公司製造的一塊大型蓋板蓋住，這塊蓋板諢名“1957款雪佛蘭發動機蓋”，鉸接於進氣口後方的機身結構上。F-35B懸停、短距起飛、或處於平飛和懸停間的過渡飛行時，蓋板向後開啟。

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驅動（該系統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）。

兩套錐齒輪系統都被容納在一個共用齒輪箱中，由那根沿F-35B縱軸線佈置的驅動軸驅動。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動機連線起來。在發動機那頭，驅動軸連線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，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於渦槳發動機，把大部分動力用於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動機）。

F-35B的發動機啟動後，驅動軸就在始終旋轉，所以需要一個離合器來接通或斷開升力風扇。只有在需要使用升力風扇時，離合器才與驅動軸接合並鎖定。

由於離合器會因摩擦產生高溫，所以離合器片採用了與大型商用飛機起落架碳剎車片相同的耐磨材料來製造。

由於懸停需要非常大的推力，發動機要吞入更多的空氣，所以洛克希德·馬丁在升力風扇後方增加了一對輔助進氣門（AAID），用來向F135發動機提供額外空氣。

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，發現輔助進氣門受到環境影響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

升力風扇蓋板開啟時的流場分析

升力風扇鈦合金葉盤

升力風扇進氣口的計算機模型

升力風扇的導向葉片

組裝中的升力風扇

第二個元件是可調截面積葉片盒（VAVB）

這個元件位於升力風扇下方，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。葉片可向後偏轉達42度，向前偏轉5度，以此調節氣流方向。

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。於是VAVB可實現噴管的向量與截面積兼顧控制。VAVB同樣受到FADEC的控制。

VAVB噴管能對升力風扇產生的升力進行向量調節，這個元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：發動機產生的垂直升力大於飛機重量。

VAVB的切削鋁製矩形框架上面開好了與機身結構連線的安裝點，由於是一個結構件，所以要預先交付給諾斯羅普·格魯門公司以便安裝在該公司製造的機身中段上。

VAVB噴管的鈦合金葉片

VAVB噴管對升力風扇氣流起到了調節作用

VAVB噴管流場分析

VAVB噴管作為一個結構件要預先安裝在機身中段

第三個元件是三軸承旋轉模組（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組（3BSM）噴管中向下噴出的熾熱燃氣。這種有趣的噴管由三節連線在一起的管道組成，每節管道都是鈦合金的，每節都通過環形軸承與其他噴管連線。當F-35B要懸停時，FADEC會命令3BSM噴管向下偏轉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向量變化，都是非常艱鉅的挑戰。

3BSM噴管在2.5秒內就能完成95度偏轉（從水平偏轉到垂直狀態），噴管在懸停模式中還能左右偏轉12.5度進行橫向控制。

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秒的時間裡，就能把尾噴管15700磅的水平推力向量偏轉成垂直向下，使總升力達到39000磅（17690千克）。

F-35B的垂直升力幾乎相當於歐洲“颱風”戰鬥機的全加力推力，這驚人的推力向量能力全靠F-35B龐大而複雜的FADEC軟體來實現，該軟體是普惠公司轉為F-35B的推進系統開發的。

3BSM噴管分為1、2、3號三段管道，1號管道安裝與發動機上，2號管道在中間，最後一段是3號管道。每段管道上都有一個環形軸承，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2、3號管道連線起來，使它們能夠反向同速旋轉。3BSM噴管的這兩個環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）後作為液壓流體來驅動致動器的伺服閥。

3BSM噴管下偏狀態

結構複雜的3BSM噴管

組裝中的3BSM噴管

第四個元件是滾轉噴管

滾轉噴管通過各自的管道與發動機相連。這根管道有著複雜外形，與發動機連線的一頭為圓形截面，然後過渡到噴管一端的複雜截面。這些鈦合金管道使用了超塑成形、擴散連線和鐳射焊接製造工藝。

滾轉噴管位於兩側翼根下方，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向量，使飛行員在懸停時能控制F-35B在滾轉軸上的姿態。

在洛克希德·馬丁的X-35驗證機上，連線發動機外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裡斯托爾的3BSM噴管和滾轉噴管的組裝線和測試裝置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、齒輪箱和風扇模組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，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噴管，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。

3BSM噴管的殼體在英國布裡斯托爾工廠加工並安裝上環形軸承，然後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噴管會被運到康涅狄格州東哈特福德，在普惠生產線上與發動機對接。完全組裝的F135發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

羅爾斯·羅伊斯公司在設計這個升力系統時也遇到了不小的挑戰。以升力系統專案主任賈萊特·瓊斯為首的一個團隊專注於改進升力風扇的級間導向葉片和3BSM噴管的軸承。

在最初試飛中，升力風扇級間導向葉片在特定模式下會出現振動，給飛機帶來了操作限制。最初抑制振動的解決方案在寒冷天氣中效果很差，因為阻尼材料會在零下15度的低溫中變硬，給F-35帶來低溫操作限制。所以設計團隊重新設計了葉片，徹底消除了振動。由於無需使用阻尼材料，所以也就沒有了相應的溫度限制。

3BSM噴管的測試發現從軸承中洩漏的冷卻氣流會衝擊飛機結構，讓飛機的鋁合金結構件一直吹熱風絕不是個好主意。團隊在進行了臺架試驗後確定軸承無需氣流冷卻。於是他們重新設計軸承去掉了氣冷功能，於是也成功消除了熱空氣衝擊結構的風險。

上述改進所涉及的級間導向葉片改裝都在印第安納波利斯工廠進行，這是因為要對升力風扇進行拆解。所有3BSSM噴管的改裝都是在布裡斯托爾完成的。

不過羅爾斯·羅伊斯公司的團隊在設計升力系統中遭遇的最大挑戰是齒輪箱。

由於齒輪承受的負荷遠高於預計，所以他們必須用對齒輪進行有限元應力模擬分析，沒有使用業界標準的齒輪設計方法。必須對計算機模型進行大量驗證，才能獲得滿足短距起飛垂直降落要求的足夠輕量的齒輪，而同時還能達到結構完整性要求。

雖然兩級反向旋轉齒輪箱所使用的弧齒錐齒輪是相當簡單的設計，但為了滿足齒輪在尺寸和重量上的限制，以及實現能支撐全壽命週期的強度，團隊在設計中進行的大量強度分析，並對設計工具和方法進行了重大改進。

為確保升力系統設計在服役壽命中的耐用度，羅爾斯·羅伊斯公司已經對升力系統的硬體持續測試超過15000小時。從這一點看，已經可以證明整個系統的耐用性和可靠性。