导读
垂直起降飞行器集固定翼和旋翼飞机的优势于一体，既能显著降低飞机对起降条件的要求，又具备较强的飞行作战能力，可在小平台使用(中小型航母、两栖攻击舰、运输舰及海洋岛礁等)，同时可发挥较大威力。作为目前世界上最先进的可实现短距起飞/垂直降落(STOVL)的战斗机，F-35B在实现垂直起降方面集成了众多先进的技术。2018年美国航空航天学会发布了由洛克希德·马丁公司多名设计师研究员撰写的F-35技术概要，其中简要介绍了F-35B垂直起降升力系统的关键技术。
50多年来，战斗机设计师在实现垂直起降(VTOL)的基本灵活性的同时，大力追求传统喷气式飞机的速度和航程。几十年来，设计师们创新和践行了许多短距起飞/垂直降落(STOVL)的设计概念，但在灵活性和飞机性能之间的妥协，限制了飞机的安全性和战斗性能。而F-35B的垂直起降系统成功实现了突破，重新定义了常规推力和垂直推进升力之间的结合，以及实现了性能、效率和安全性方面的大幅提高。这一结果源自于由发动机轴驱动的升力风扇，F-35B的升力风扇与直接升力系统设计相比，是一个显著的提高。轴驱动的升力风扇提供了高水平的推力增强设计，低温、低压的地面环境，足够的控制能力以及高效的机身设计。由于主发动机主要针对常规飞行进行了优化，因此推进系统的性能不会因其垂直提升能力而受到影响。此外升力风扇还提供了一个额外的好处:升力风扇排出的低温排气可以保护主发动机入口和飞机前部部分避免重新吸入热气并受损。
垂直升力的革命性阶跃增加
除了获得强大的升力外，STOVL飞机还必须在每个轴线上有足够的控制能力，才能实现起飞，过渡，平飞，垂直降落等过程的平稳过渡。F-35B通过几个关键部件实现了这一点
升力风扇离合器和传动轴:有选择地将动力从发动机转移到升力风扇
变面积叶片箱形喷嘴(Variable area vane box nozzle，VAVBN):控制升力风扇出口面积和俯仰推力矢量
滚转喷嘴:通过机翼下喷嘴引导发动机排气方向，进行滚转控制
3轴矢量喷管(3BSM):通过矢量发动机喷管进行俯仰和横向偏航控制
F-35常规起降型和F-35B STOVL型升力系统的比较升力风扇系统是F-35B垂直起降型的首要特点,它经历了洛克希德·马丁公司、普惠公司和罗·罗公司多年的技术发展并逐渐成熟。最初的工作开始于20世纪80年代后期美国国防高级研究计划局(DARPA)赞助的STOVL联合攻击战斗机(JSF)计划。洛克希德·马丁公司、通用动力公司、波音圣路易斯公司(当时是麦克唐纳·道格拉斯公司)和波音公司都设计了实现垂直起降的不同技术概念。这些研究促成了一场STOVL竞赛，洛克希德·马丁公司凭借轴驱动升力风扇推进概念最终获胜。这项工作最终发展到JSF概念演示阶段，技术成果就是X-35B的飞行演示。罗·罗公司的升力风扇是一种新颖的二级对转概念，它带有一个带叶片的圆盘、两组固定叶片和一组可变进口导向叶片(VIGVs)。对转设计的气动方案可采用常规结构，即转子-静子级的结构;也可去掉两排转子间的静子，形成对转结构。可变进口导向叶片提供了垂直起降所需的从怠速到最大的推力变化。变速箱为升力风扇的转子分配了29000马力的推力。负载能力和包络特性是提供业界首创的30：1推重比的关键，之前的标准(在早期飞机上)是不超过15：1，F-35B的性能翻了一番。
齿轮箱是升力风扇的重要组成部分，采用反向旋转的输出轴，用以简化几何形状，降低齿轮和轴承负荷。升力风扇轴承和变速箱的润滑是由升力风扇润滑系统提供的，它独立于主发动机润滑系统。罗·罗公司的升力风扇被设计为在主发动机的整个速度范围内均可运行。从概念开发到生产的关键挑战之一是升力风扇的航空机械转子模式，而这也导致了在特定的升力风扇转速下X-35B的操作限制。进口流场中的空间压力畸变激发了升力风扇涡轮机械的共振模式，成为一个高周疲劳或气动力学问题。这一点在F-35B中得到了解决，它重新设计了上部升降扇门的配置，以减少气流的角度和变形。通过重新设计升力风扇转子(空心叶片，叶盘)来减弱模态响应，也解决了这个问题。传动轴/离合器的功能是通过硬件和软件共同实现的。开创性的传动轴、离合器和变速箱设计允许开发轻型、高转速(8000转/分)的传动系统。独特的闭环离合器系统提供了精确的控制，从而实现了对升力风扇的平稳、可靠的动力传输。这种创新的离合器设计，利用了飞机制动技术，产生了干式离合器片排列。这实现了在快速参与执行的同时，还提供了超过计划要求的耐用性。离合器安装在升力风扇上，输入端通过主传动轴和联轴器直接连接到主发动机低压转子轴上。离合器由一组干式盘片组成。当由飞机液压驱动共同驱动时，离合器组件通过传动轴将主发动机低压转子连接到升力风扇。离合器轴承的润滑是由升力风扇的润滑系统提供的。传动轴联轴器可以弯曲以弥补主发动机和离合器之间的偏差。升力风扇离合器允许升力风扇与主发动机的接合和分离。它通过两个装置实现这一点，每个装置都提供一个从输入到输出的扭矩路径。在接合过程中，通过对五块碳-碳板的组合施加压力，实现低功率下风扇转子的速度同步和加速，这些都是干式操作。高功率传输需要锁定花键的后续接合。啮合花键锁需要使离合器输入和输出轴的速度在极短时间内同步。分度机构确保了避免出现由于配对花键的端对端接触而导致的接合失败。在分离过程中，离合器片组将花键卸下，使其能够缩回。X-35研制过程中遇到的一个关键挑战是如何在最短的过渡时间内获得平稳的离合器接合。早期的离合器控制设计在离合器片接触时遇到了颤振现象。通过创新的闭环控制模式，离合器夹紧力和纵向位置反馈的结合解决了颤振问题，实现了平稳和精确的接合。这一设计在F-35项目中不断成熟，旨在以最短的时间(操作灵活性)完成转换，并获得全寿命离合器(最小化维护间隔)。F-35离合器可以在9秒内完成从接收指令到接合的一个接合循环。通过改进离合器片材料，该系统将可承受超过1500次接合。在F-35的开发阶段之前，X-35的升力风扇矢量喷管是通过一个三罩伸缩喷管式实现的。虽然在引导升力风扇推力矢量方面非常精确，但它很重，需要很大的体积，而且很难集成到飞机的特征中。这促使人们追求一种更紧凑的设计，通过一系列平行的叶片，可以隐藏在机身下部的舱门后面。F-35VAVBN的开发利用了罗·罗公司早期的升力发动机的概念中叶片箱喷嘴方面的设计思路。
27%比例的F-35B STOVL VAVBN模型测试(带VAVBN特写)设计人员研究了许多喷嘴设计变量，包括导管几何形状、数量、间距和活动叶片的轮廓。影响喷嘴与升力风扇集成的其他设计参数包括变速箱外形、六个支柱的位置以及叶片致动器机构的尺寸和位置。设计人员还进行了研究来评估性能、叶片驱动和机体一体化之间的权衡。从这些可以明显看出，具有六个相对厚度较低的高度弯曲叶片的叶片盒构型表现最好。除了支持流道压力、叶片空气动力学和驱动载荷外，喷嘴箱还旨在提高机体结构刚度。喷嘴叶片箱安装在机身上，叶片箱侧壁用作飞机结构龙骨构件。VAVBN为升力风扇推力矢量提供方向控制，并为VIGVs提供额外的效应器进行调节。调节指的是用于控制升力风扇推力的升力风扇进口导向叶片的指令位置。三个VAVBN叶片由双串联线性液压致动器驱动。驱动力通过连杆传递给其他三个叶片。使用这种系统，喷管推力可以以每秒40°的速度指向41.75°到104°的圆弧范围(飞机纵轴线方向上)。三个VAVBN执行器的独立控制提供了独立于矢量角的改变喷嘴喉部面积的能力。VIGV和VAVBN面积变化都用于控制升力风扇性能，管理升力风扇失速余量，并尽量减少推力-推力分离耦合效应。推力分配定义为主发动机推力与升力风扇推力之比，通常用于表示应用于飞机的推进系统俯仰力矩。
F-35B升力系统在每个机翼上都使用滚转喷嘴，在垂直起降操作中提供滚转控制。滚转喷嘴通过使用两个铰链式襟翼改变喷嘴面积来控制推力。与传统STOVL飞机上的反作用控制系统不同，F-35B通过改变发动机排气方向产生大约10%的垂直推力。左舷和右舷滚转控制系统的零件通用且可互换，提高了维护灵活性。喷嘴挡板的驱动由双电机、液压、旋转致动器提供。在垂直起降过程中，机翼下侧的外部液压驱动飞机舱门打开，为滚转推力提供出口孔。
向F-35B过渡的一个关键挑战是在挂载不对称和燃料不平衡的情况下提供足够的滚转控制能力和速率。滚转喷嘴位于尽可能外侧的内部机翼结构上，以使力矩最大化。流向滚转喷嘴的主发动机排气尽可能增加，同时需要保持足够的流量来降低排气温度。全权限数字发动机控制系统的结构改变是为了最大限度地减少从滚转力矩指令到滚转喷嘴执行器响应的时间延迟。STOVL战斗机的主喷管的最初设计是一个二维单膨胀斜面喷管。喷管通过使上斜面偏转至少90°来引导主推力。为了控制悬停中的喷管出口面积，下腹板被设计成一个滑动板，可以根据需要缩回，以调整发动机的背压。随着洛克希德·马丁公司开始建造和测试喷管，二维喷管设计的缺点变得更加明显。在高负荷下将气流转向90°并控制喷管出口面积，这样的设计要求导致结构超重。这导致了对更轻设计的追求，其根源在于20世纪70年代初来自拟议中的Convair Model 200 V/STOL概念的喷管设计。普惠公司曾开发了一种三轴承旋转喷管，并成为Convair Model 200设计的一部分，但该设计没有进一步发展。在普惠公司和洛克希德-马丁公司的联合研究之后，3BSM概念被整合到X-35B设计中，并被证明是更轻的。它还提供了一种非常有效的方法，以最小的损失转动后推力柱。
F-35B的3BSM由一个STOVL LOAN 和一个三轴承旋转机构组成。该机构可以使排气气流在俯仰轴上偏转95°，俯仰角的变化影响偏航轴方向的控制，相应的在偏航轴上偏转±12.25°。在最大后推力分配时，3BSM可以承受高达23900磅的推力。3BSM的前部(1号)轴承由双燃油致动器电机通过变速箱和传动系提供动力。中间(2号)轴承同样由双燃油致动器电机和变速箱/传动系统提供动力。一个传输齿轮箱用一个高效、紧凑的环形齿轮组将中间和尾部(3号)轴承连接起来。1号、2号和3号轴承上的双致动器电机分别设计有故障降级能力(全扭矩、半速率)，这是该设计与X-35B的关键区别之一。在X-35B中，2号和3号轴承在第一次故障后被制动，无法继续引导后推力柱。这无法满足在第一次故障后能够进行舰上垂直着陆的操作要求。在F-35B上，燃油发动机的双冗余使F-35B具有这种容错能力。F-35B的垂直起降升力系统包括升力风扇、传动轴、变速箱、姿态控制喷嘴和发动机矢量喷管等，充分吸收借鉴了“鹞”式和雅克141等战斗机的设计经验，是目前垂直起降战斗机技术的集中体现，但也仍存在性能方面的缺陷。我国不能盲目跟随，应充分分析其技术发展的方法和策略，总结其经验，依照我国国情和战略发展需求，深入研究，敢于创新，不断提升国防工业水平。
