F-35B闪电II型三轴承旋转喷嘴
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By Kevin Renshaw 发表于2014年8月12日 微软EDGE翻译
F-35B短距离起飞/垂直着陆STOVL的关键部件是闪电II的变体，是三轴承旋转管道喷嘴或3BSD。喷嘴安装在飞机后部，允许Pratt & Whitney F135发动机的推力从直向后部矢量化，用于常规飞行，直下用于STOVL操作。3BSD可以无缝地通过95度的运动，而不会改变发动机的运行。喷嘴还在悬停期间和过渡到悬停期间提供偏航控制。
起源
对垂直起降或VTOL战斗机设计的兴趣始于20世纪60年代冷战高峰期，当时北约基地被认为容易受到先发制人的攻击。这种飞机被固定在加固的掩体中，仍然可以从跑道受损的基地起飞和降落。
美国，英国，德国和法国都建造并测试了多种VTOL战斗机设计。然而，只有英国红隼/鹞家族投入使用。与此同时，只有使用与“鹞”类似的发动机和喷嘴布置的Yak-38在俄罗斯方面服役。
美国海军在20世纪60年代的研究评估了海上控制VTOL飞机，该飞机设计用于在甲板比传统航空母舰甲板更小的舰艇上操作。这些拟议的战斗机将满载垂直起飞。海军的作战概念还要求这些飞机作为传统的舰载战斗机运行，这需要加力燃烧发动机。
这种双重操作方法导致了更大，更重的飞机设计，需要比主发动机或发动机所能提供的更多的垂直推力。最受欢迎的解决方案是在驾驶舱后部添加小型升力发动机，以提供飞机重心的垂直推力。这些设计被称为Lift Plus Lift/Cruise。艾里逊，罗尔斯·罗伊斯和其他发动机制造商专门为此类应用开发了紧凑型涡轮喷气发动机。在几架VTOL原型机和实验飞机上建造和飞行了发动机数量和位置的各种组合。
在 20 世纪 60 年代中期，几乎所有的发动机公司都研究了三轴承旋转喷嘴设计。美国专利局收到了普惠，通用电气甚至堪萨斯州威奇托波音军用飞机公司对3BSD的许多变体的申请。
到20世纪60年代末，普惠公司开始设计和测试一种用于康维尔200型海上控制战斗机的三轴承旋转喷嘴。1967年的设计图纸显示了详细的设计布局。第一个喷嘴是在20世纪60年代中期在Pratt & Whitney JT8D上制造和测试的。测试包括在全加力燃烧器中操作喷嘴，喷嘴偏转90度。试验台的位置是向上排气，以避免加热试验台下的地面，尽管随后的测试将喷嘴向下定位在地面，以评估地面接近背压对喷嘴性能的影响。
康维尔200型飞机于1972年6月提出，以回应美国海军为海上控制舰设计战斗机/攻击机的要求。垂直起降飞机将使用PW401发动机，带有加力燃烧3BSD加上位于驾驶舱后面的两个Allison XJ99升力发动机，以增加重心向前的垂直升力，以平衡后喷嘴推力。为了应对后燃烧后喷嘴和升降机发动机的高温和高压相结合产生的地面环境，船舶将配备带有金属格栅的特殊垂直着陆区，以允许热气流通过。
同样的设计要求导致了罗克韦尔XFV-12喷射器增强升力设计的开发。洛氏硬度设计被选中进行原型设计，但被证明无法产生足够的推力用于垂直飞行。一些人推断，海军选择弹射器设计时知道它会失败，从而消除了小型海上控制舰对具有常规弹射器和陷阱设备的大型尼米兹级航母构成的潜在威胁。无论如何，三轴承旋转喷嘴设计被降级到加利福尼亚州圣地亚哥康维尔的文件柜中。
DARPA ASTOVL及以后
研究一直持续到1970年代和1980年代，研究STOVL战斗机以取代Harrier。这些研究通常增加了鹞式飞机在其原始设计中没有的超音速性能和多任务航空电子设备和雷达。
美国和英国合作研究了下一代垂直起降和STOVL飞机的推进升降系统。美国国防部高级研究计划局（DARPA）在1980年代后期开始了STOVL攻击战斗机研究。洛克希德，通用动力，麦克唐纳道格拉斯和波音公司都开发了概念。这些研究导致了洛克希德公司赢得的高级STOVL竞赛。1993年，洛克希德公司收购了通用动力公司沃斯堡公司（General Dynamics Fort Worth），当时该公司是唯一一家参与飞机制造和设计的GD部门。
DARPA计划后来演变成三军联合先进打击技术，或JAST努力，演变成联合攻击战斗机概念，然后是X-35B原型机，最后是今天的F-35B。
DARPA计划包括大型动力模型（LSPM）的建造和风洞测试，用于测量洛克希德公司开发的轴驱动升降系统的空气动力学和推进相互作用。
LSPM上主喷嘴的原始设计是二维单膨胀斜坡喷嘴，称为SERN。在这种设计中，一个喷嘴襟翼比另一个长。喷嘴通过将上部襟翼偏转至少九十度来矢量化主推力。为了控制悬停时的喷嘴出口区域，下部襟翼被设计为滑动面板，可以根据需要缩回以调整发动机上的背压 - 这是使轴驱动的升降风扇涡轮机工作所需的关键控制。罗尔斯·罗伊斯（Rolls-Royce）受雇建造LSPM喷嘴，以在Pratt & Whitney F100发动机后面运行，并设计X-35原型喷嘴。
随着洛克希德公司开始在DARPA计划下对喷嘴进行小规模的风洞测试，以及罗尔斯·罗伊斯公司开始制造LSPM硬件，设计的缺点变得更加明显。
然而，试图用上翻盖扭转流动并使流动围绕尖锐的下唇转动会产生较差的推力系数。实际上，发动机流量进入壁（偏转位置的上部襟翼）并通过下唇分离。喷嘴的重量也在增加。平坦的侧面和大的上部襟翼并不能构成一个好的压力容器。需要更厚的材料和大量的外部加固来保持喷嘴形状并允许襟翼密封。在发动机全推力下移动六英尺长的上部襟翼需要一个非常大而重的执行器。
LSPM在NASA-Ames风洞和悬停试验台上的测试证明了轴驱动的升降风扇系统可以运行。然而，X-35B的喷嘴需要更好的解决方案。
与此同时，洛克希德公司正在将前通用动力团队的一部分整合到ASTOVL工作中。来自沃思堡的工程师可以访问康维尔的档案，这些档案在圣地亚哥行动结束时被转移到沃思堡。
这些档案中包括200型文件，特别是喷嘴的描述。1994年10月，Pratt & Whitney资助洛克希德沃斯堡团队对ASTOVL配置的3BSD进行研究。这项工作评估了喷嘴在垂直升力位置的离地间隙，计算了喷嘴的尾部车身阻力，并预测了已安装推进系统的整体性能。
该研究的结果表明，3BSD设计明显比SERN喷嘴轻。此外，该设计在所有模式下也表现出卓越的推进性能。3BSD随后被包含在ASTOVL Configuration 141中 - 这是演变成X-35的原始鸭式三角形设计。
3BSD经过扩展，以匹配为X-35设计的PW611发动机。通过采用3BSD代替方形SERN而节省的重量估计超过1，800磅。此外，重量减轻发生在飞机的远端，从而有助于X-35设计的整体平衡。此外，3BSD提供了SERN没有的内置偏航能力。最初的ASTOVL设计将在提升风扇中加入偏航叶片，并具有一些额外的重量。它们在提升风扇底部的位置会在命令偏航时产生不必要的滚动力矩。
3BSD 通过第一个旋转轴承提供偏航控制。由此产生的偏航推力通过发动机的中心线施加 - 非常接近整个飞机垂直重心。在这个位置，推力不会导致增加滚动力矩。轴对称喷嘴在水平飞行和垂直升力模式下都提供了更好的推力系数。3BSD将喷嘴的垂直推力位置相对于SERN向前移动得更远，从而在前部提升风扇和后部喷嘴之间实现更好的悬停平衡。
然后，3BSD与最近在美国空军F-16战斗机上飞行的低可观测性或LO轴对称喷嘴设计相结合。Pratt工程师还挖掘了他们的档案，发现了20世纪60年代3BSD开发的大部分原始设计和测试数据。他们还找到了在轴承上移动管道衬垫冷却空气的设计。
洛克希德ASTOVL / JAST团队于1995年正式从SERN喷嘴更改为3BSD，STOVL版本具有紧凑的轴对称收敛/发散喷嘴和更长的喷嘴襟翼，以便在CTOL和CV变体上获得更好的性能。其他变化包括平面形式交易（鸭翼与尾翼），入口设计（插入记号入口与无分流器凸块入口），起落架布置和武器集成。
但是，通过将三十年前的矢量化方法与现代发动机和LO喷嘴相结合，满足STOVL重量和性能的关键因素已经到位。轴对称喷嘴提供可预测的背压控制，与轴驱动提升风扇系统完美配合。这些碎片正在落到位。
Pratt & Whitney和Rolls-Royce使用早期P&W工作中的许多设计概念图纸制造并飞行了X-35原型机的3BSD。原型机包括一个衬垫，该衬垫将旁路冷却空气引导通过旋转接头在所有偏转处，即使在加力燃烧室中也是如此（尽管加力燃烧室过去和现在都没有用于悬停在X-35B和F-35B上）。
常规起飞和降落X-35的首次飞行发生在2000年10月，STOVL X-35B于2001年6月飞行。原型和生产发动机喷嘴与Convair安装的设计非常相似。X-35的所有三种变体都带有为STOVL变体设计的短喷嘴襟翼。用于生产F-35A变体和F-35C变体的更长的LO喷嘴襟翼是后来在生产系统设计和开发工作下开发的。
俄罗斯旋转喷嘴设计
互联网上出现了大量关于苏联Yak-41（后来的Yak-141），北约报告名称Freestyle与X-35和JSF计划其余部分的关系的错误信息。Pratt & Whitney 3BSD喷嘴设计早于俄罗斯的工作。事实上，3BSD在Yak首次飞行前近二十年就用真正的发动机进行了测试。
在整个1970年代和1980年代，苏联海军希望一架超音速STOVL战斗机从其配备滑雪跳台的航母上操作。雅科夫列夫设计局何时意识到多旋转喷嘴的设计尚不清楚，但联盟号发动机公司创造了自己的变体。从公布的图片来看，Yak-41版本的喷嘴似乎是一个三轴承旋转管道，具有显着的偏移“扭结”。Yak-141还使用了两台RKBM RD-41升降发动机 - 与Convair Model 200设计几乎相同。这架飞机也被重新标记为Yak-141，以暗示生产版本，但没有后续系列的订单来自俄罗斯海军。
Yak-141于1991年在巴黎航展上飞行。当升降机发动机的热量开始从停机坪上移开沥青时，牦牛的飞行展示被暂停。在1992年的范堡罗车展上，牦牛仅限于常规起飞和着陆，悬停在跑道上方500英尺处，以避免沥青损坏的重复性能。但是，Yak-141确实值得称赞，因为它是第一架使用三轴承旋转喷嘴飞行的喷气式战斗机 - 这是在美国首次设计二十五年后。
在JAST努力的早期，洛克希德公司（由JAST项目办公室的美国政府官员陪同）与其他几家航空设备供应商（特别是Zvezda K-36弹射座椅）一起访问了雅科夫列夫设计局，以检查雅科夫列夫的技术和设计。
雅科夫列夫正在寻找资金来维持其垂直起降计划的活力，但没有收到任何生产版本的Yak-141的订单。洛克希德公司提供了少量资金，以换取Yak-141的性能数据和有限的设计数据。美国政府人员被允许检查飞机。然而，在这些访问之前，X-35上的3BSN设计已经到位。
3BSD于1960年代在美国发明，由康维尔于1970年代向美国海军提出，1980年代后期由俄罗斯人首次飞行，从1960年普拉特惠特尼设计为X-35在1990年代重新设计，并在2000年代投入生产F-35。有时，一个好主意必须等待正确的应用程序和一系列情况出现。这个故事的一个寓意是不要抛弃过去所做的好工作。只是以后可能需要它。
注:Kevin Renshaw曾担任通用动力公司的ASTOVL总工程师，后来在1994年洛克希德ASTOVL总工程师Rick Rezabek担任副工程师，当时3BSD概念被纳入X-35B设计。Renshaw继续在Skunk Works的高级系统开发部门工作，他目前正在从事DARPA ARES VTOL无人机计划的飞行演示。
