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为现实世界的作战行动提供强大的隐身能力
从联合攻击战斗机（JSF）项目的一开始，一个明确的目标就是生产一种能够从远征的陆地基地以及航空母舰和大型两栖舰上作战的偷袭飞机。来自太阳的热量和紫外线、雨水和湿度、灰尘和盐水喷雾将是JSF在其职业生涯中所面临的问题，它所使用的隐身系统和涂层必须被设计和开发以在这些恶劣的环境中运行和生存。这些几乎不是第一代F-117A "夜鹰 "在服役期间所需要的近乎原始的储存和维护条件，这些飞机的运行和维护花费了纳税人的一小笔钱。由于计划制造数千架生产型F-35 "闪电"，创造一个具有与F-117A（但运营和维护成本与F-16和F/A-18相似的低可观察性（L/O）品质的隐身系统是一个关键目标。）JSF设计者的第一个问题是这种新的攻击战斗机的外形设计，因为90%以上的雷达截面（RCS）是外形的直接结果。这也将允许更多的机身由铝等材料建造，铝比复合材料更容易加工，也更便宜。为此，洛克希德-马丁公司在加州帕姆代尔和德克萨斯州沃斯堡的臭鼬工厂的设计师们又回到了他们的F-22A "猛禽 "空中优势战斗机的经过验证的形状。然而，必须做出一些妥协，这将使F-35的隐身性不如B-2A或F-22A猛禽。首先是要求在F-35的机头下安装电光瞄准系统（EOTS），很像F-117A的系统。JSF AAQ-40 EOTS以洛克希德-马丁公司的 "狙击手 "吊舱为基础，安装在机头下方的隐身整流罩中，该整流罩由多面透明玻璃组成，很像 "夜鹰 "的座舱。然而，在RCS方面，设计师对EOTS这样的 "突起 "所能做的是有限的，而且EOTS在F-35上是RCS的一个 "热点"。推动JSF隐身性的另一个问题是成本，或者更具体地说，需要使用传统的发动机排气，而不是在F-22A的F119动力装置上看到的更昂贵的二维 "喷口"。在JSF的F-135发动机上没有任何大的发动机排气处理，这意味着飞机后部的热信号增加。然而，设计者和开发者已经做了他们所能做的，以减少两者的RCS和红外信号。减少RCS的最后10%是财政和人力成本开始螺旋式上升的地方。除了一个好的（L/O）形状外，使飞机真正隐身的关键是对细节的关注。每条面板线、舱门都必须像高级手表的背面一样严丝合缝，并且能够在JSF可能的20多年的使用寿命中保持这种严丝合缝。在可能的情况下，雷达吸收结构和材料（分别为RAS和RAM）被纳入F-35的设计中，特别是沿机翼和机身背脊线。而且，像洛克希德-马丁公司早期的隐形设计（A-12黑鸟、F-117A、F-22A等）一样，有一些你期望从传奇的臭鼬工厂看到的设计技巧。例如，雷达罩允许F-35的APG-81主动电子扫描阵列（AESA）的外场雷达波穿透，但对敌人的雷达波是不透的。隐身技术的另一个细节处理是使用RAM涂层、腻子和胶带。这些都是专门配制的，可以在上述恶劣的环境条件下生存和运行，不需要定期更换或修补。在机身上很少需要维修人员打开的舱盖，通常在应用油漆涂料之前，用RAM胶带和/或腻子封住通道板和舱门的缝隙。这种最终的表面处理比早期的隐身设计，如F-117A和B-2A Block 10要强得多，后者必须避免雨水和阳光直射，以避免其低可察觉性的退化。现在终于有一架隐身的第五代作战飞机，可以在恶劣的远征条件下运行，这已成为美国军队的常态。当然，这种耐用性是有代价的。就指标而言，空军将F-35描述为具有金属高尔夫球的RCS，而F-22A是大理石，B-2A Block 30是大黄蜂。但结合隐身飞机操作的骨干--围绕雷达和防御地点的适当路线规划--F-35的各种型号很可能会像先驱者F-117A在其服役期间一样成功和难以对付。一架未上漆的F-35C让人对飞机上使用的大量隐身材料和涂料有一些了解。
机械工程的一个基本原则是，任何车辆都必须有一个出色的动力装置来发挥其全部潜力。也许NA-73战斗机是这方面的最终例子，它最初由北美航空（NAA）在1940年为英国皇家空军（RAF）制造，以帮助取代在不列颠战役中损失的喷火式和飓风式战斗机。NA-73只用了102天就完成了设计，它是一个神奇的设计，能够在中低空为皇家空军中队进行对地攻击提供难以置信的性能。但是第二次世界大战的空战是与德国空军的BM09G和FW-190这样的飞机进行的，它们经常在高空埋伏。NA-73的问题是其艾里逊V-1701发动机，它缺乏一个两级增压器。有一段时间，NA-73看起来会在二战中成为 "菜鸟"，直到有人尝试安装更好的发动机的想法。NAA为其中一架NA-73安装了劳斯莱斯的 "灰背隼"增压发动机，该发动机为喷火战斗机提供动力。其结果可能是有史以来最伟大的作战飞机，以及可以说是在第二次世界大战中拯救了美国战略轰炸的战斗机：P-51野马。当联合攻击战斗机（JSF）项目的经理们在20世纪90年代开始发放开发合同时，他们这样做时知道，第一个必须正常工作的主要子系统是发动机。如果没有世界一流的动力装置，计划中的三个型号的JSF实际上将永远无法起飞。此外，生产的JSF发动机将需要提供一系列以前从未要求的单台发动机的能力，并且必须提供历史上任何喷气发动机的最大功率重量比。JSF发动机的故事真正开始于20世纪30年代末，当时像英国的弗兰克-惠特尔这样有远见的设计师开始设想第一代喷气飞机的雏形。在第二次世界大战之前，作为飞机动力的活塞式发动机和螺旋桨显然已经开始达到理论上的性能极限，而且全世界的空军领导人已经要求飞机具有更大的航程和速度。答案当然是喷气式发动机，它在发动机前部吸入空气，与燃料混合，燃烧混合物，然后以巨大的速度和力量或推力将大大增加的气体质量从发动机的后部排出。20世纪40年代和50年代的那些早期喷气式发动机对那个时代的飞机设计师来说是神奇的创造，最高速度从每小时约800公里跃升到2250公里，只用了十多年时间。但那些第一代和第二代涡轮喷气发动机也有其恶习，特别是在战斗中。进化的第二代涡轮喷气发动机，如为F-4 "鬼怪 "和洛克希德F-104 "星际战士"提供动力的经典的普拉特-惠特尼（P&W）J-79喷气发动机，尾气很重；甚至在没有打开加力燃烧的情况下也是如此。此外，它们的燃料消耗被证明是计划作战行动的一个主要因素，限制了航程和目标的交战时间，即使像在越南有强大的空中加油机支持。这些缺点使发动机设计师们不得不回到绘图板上，设计出新一代的战斗机发动机。"涡扇"发动机。涡扇发动机在原理上类似于涡轮喷气机，但有一个更高的空气燃料比，通常有一个更大的中央核心风扇部分。此外，涡扇发动机比涡轮喷气机使用更多的空气，通过所谓的 "旁路 "转移大部分空气，允许更完整的燃烧和更高的燃烧温度在动力装置的后面。这意味着涡轮喷气机在燃烧燃料方面的效率更高，因此不会冒出那么多烟。这就是为什么航空公司在20世纪60年代末立即选择涡轮风扇为第一代商用巨型喷气式客机提供动力，以及为什么战斗机设计师希望将其用于战术飞机设计。对于设计师来说，将涡扇发动机变成合适的战斗机发动机是一个更困难的问题，但到了60年代末，美国发动机制造商已经能够为第三代战斗机设计师提供第一代带加力燃烧室大涵道比发动机，如TF30和F100，如F-14雄猫、F-15鹰和F-16战隼。这并不是说这些第一代涡扇发动机没有问题。相反，从动力和效率的角度来看，使涡扇发动机可取的品质也使它们难以操作和维护。涡轮风扇的一个特殊问题是，当它们在亚音速飞行和大约1.4马赫之间过渡时，往往会失速或 "熄火"，这在近距离转弯的格斗中可能是灾难性的。最终，发动机制造商的改进克服了这些问题，并导致了像全权限数字发动机控制（FADEC）系统的安装，这使得涡扇发动机在20世纪80年代和90年代成为战斗机发动机的首选。这些第二代涡扇发动机，如F100-PW-229和F110-GE-129，可以在所有可能的飞行条件下提供近13600公斤的加力推力，而没有失速或其他故障的重大风险。此外，它们将为下一代战斗机的涡轮风扇发动机提供基础，当时需要一种新的能力：隐形。F-35B的STOVL系统，由一个轴驱动的升力风扇、节流轴承旋转喷嘴和滚柱共同提供超过18145公斤的悬停推力，这是一项重大成就。
从洛克希德-马丁公司的F-117A "夜鹰 "开始，具有隐身特性的涡扇发动机成为全世界飞机设计师的一个真正问题。虽然 "夜鹰 "的发动机是由美国海军（USN）/美国海军陆战队（USMC）的F/A-18 "大黄蜂 "攻击战斗机计划中的F404-F1D2S改进而来，但第三代战斗涡轮风扇的明显可取性，可以为第五代隐形作战飞机提供动力，使其创造成为必然。第一个这样的努力是先进战术战斗机（ATF）计划，它最终导致了洛克希德-马丁公司的F-22A "猛禽 "战斗机。ATF是一个真正的 "先飞后买 "的竞争，实际的 "头对头 "竞争不仅包括飞行原型机，也包括发动机。在ATF的竞争中，发动机的 "对飞 "最后落在了普惠公司的F119和通用电气（GE）的F120上。这两款发动机都是按照一系列雄心勃勃和具有挑战性的标准设计的，包括：- 隐身--这两种发动机都被要求尽量减少ATF原型机的雷达和红外信号。这是通过在ATF原型机上使用特殊设计的发动机管道，以及二维的排气喷口来实现的。- 动力--ATF原型机都是在普惠公司和通用电气公司在早期的129-/229系列涡轮风扇发动机上所做的工作的基础上发展起来的，由此产生的动力装置在加力时能提供了大约15875公斤的推力。然而，更令人印象深刻的是，ATF原型机的发动机有能力提供足够的信任，使ATF战斗机原型机能够在没有加力的情况下以高达1.72马赫的速度进行超音速巡航。-敏捷性--自1979年以来，第二代涡轮风扇发动机在战斗中表现出色，ATF项目致力于生产一种具有甚至让最新的第四代战斗机设计都感到羞愧的战斗机。两种ATF发动机的设计都提供了比第二代涡轮风扇大大改进的动力和油门响应，并具有明显更好的燃油效率。这些新的第三代战斗涡轮风扇使战斗机的机动性达到了一个新的水平，简直被称为 "超人的机动性"，很容易使ATF成为天空中最好的近距离作战的战斗机。两种原型发动机的设计都达到了ATF的规格要求，获胜的设计，即普惠公司的F119，今天正在F-22A机群中服役。但是，甚至在第一个猛禽中队上线之前，发动机制造商就在期待着第三代战斗涡扇发动机的采购，其规模和数量将使ATF项目相形见绌：联合攻击战斗机的发动机。1986年，洛克希德公司的工程师们开始研究为美国海军陆战队创造一种新的隐身短距起飞/垂直降落（STOVL）攻击战斗机的可能性，以取代海军陆战队的 "鹞 "式战斗机。洛克希德公司意识到他们需要一种新的发动机，不仅能够为新飞机提供超音速的动力，而且能够在悬停状态下提供动力，因此转向普惠公司设计一种发动机来驱动其概念飞机。这项研究和开发工作成为国防高级研究计划局（DARRA）联合先进打击技术（JAST）计划的一部分，该计划最终演变成了JSE。从JAST/JSF项目一开始，工程师和设计师就知道他们的新战斗机发动机从第一天起就需要成为一个经典。一个简单的事实是，人们对新发动机的期望比历史上任何飞机发动机都要高，而这些多种功能和性能期望需要在美国空军（USAF）第一台生产型F-35A "闪电 "II在佛罗里达州埃格林空军基地（AFB）的跑道上投入使用前十年完成。这些包括。-隐身--JSF发动机将为最先进的第五代战斗轰炸机提供动力，其隐身配置只有B-2A轰炸机和F-22A猛禽战斗机能够超越。JSF飞机/发动机设计者通过在 "猛禽 "战斗机的基本技术基础上做到了这一点，洛克希德公司设计的 "猛禽 "战斗机在飞行时没有可变的进气道或主动气流修改装置。今天的F-35是通过一个设计优雅的固定进气口设计来实现的，它可以从任何速度和攻角获取空气，从失速到2马赫，并以一种允许FADEC系统接受气流的配置将其输送到第一级风扇。-动力 JSF发动机需要提供比历史上任何其他战斗机发动机更多的原始动力，包括军用动力和加力燃烧室。它还需要在比任何新飞机发动机更广泛的飞机/飞行配置和条件下提供所有这些动力。这将包括最终额定推力超过22680公斤。-STOVL操作--美国海军陆战队、皇家空军和其他海外JSF客户独特的STOVL操作要求意味着JSF发动机实际上必须通过后喷口和机身中部独特的罗尔斯-罗伊斯升力风扇向F-35B提供动力。在这种配置中，发动机将几乎一半的动力提供给一个离合轴，然后将动力输送给风扇。该系统在悬停配置中提供了超过19000公斤的推力，其中升力风扇系统单独产生了高达9070公斤的推力。这将允许F-35B携带两枚AIM-120先进中程空对空导弹（AMRAAM）和两枚450公斤的炸弹进行起飞，并有足够的燃料用于转场。-可靠性/效率--像所有的战斗机发动机一样，JSF的动力装置被设计成尽可能的可靠性和效率的最佳平衡。从一开始，JSF的规格就要求发动机设计者在可靠性和效率方面比早期的ATF发动机竞赛所要求的有很大的提高，F-22A使用的是F119。这意味着发动机必须能够在这两个领域提供所需的数据，同时还要满足运营成本和可维护性的服务要求。- 成本--如果不能给空军和纳税人带来最大价值，任何21世纪的作战飞机都不会成功。为此，JSF发动机系列被设计成在技术允许的范围内具有燃油效率和可靠性。此外，所有型号的动力装置的通用性应确保全世界整个F-35机队的维修零件和部件的采购成本尽可能低。F-35战斗机和发动机的设计还包括尽可能简单的检修和安装/维修程序。在JAST/JSF规格中定义了所有这些挑战后，普惠公司的设计团队有了自己的工作。普惠公司的概念发动机，最初被称为 "MF100-229 plus "验证机，使用了各种现有设计的部件，包括为F-22A猛禽设计的新型F119隐身涡扇，以及F-15和F-16上使用的现有F100-220/229发动机。由通用电气/罗尔斯-罗伊斯团队开发的F136发动机也正在开发中，作为一种可选的发动机，时间尺度较晚。与F135不同，F136是一个全新的设计。必须将这两种动力装置装入为JSF设计的通用发动机舱内，洛克希德-马丁公司（X-35）和波音公司（X-32）正在生产的原型机配置中都包括了这种配置。F135发动机系列为两架JSF原型机的竞争性试飞提供动力。新的动力装置被证明是一个值得匹配的设计，并被选中成为新的洛克希德-马丁公司F-35 闪电 II的生产发动机。今天，第一批F135正在交付给美国空军位于埃格林空军基地的第33战斗机联队。喷口上独特的锯齿状具有低可观察性，减少了红外信号，并具有降低噪音的好处。
联合攻击战斗机F-35闪电II的F135短距起飞垂直降落发动机
罗尔斯-罗伊斯公司的升力风扇轴驱动装置和F135发动机的插图。
F135系列真正的第三代涡扇战斗机发动机可能会在20世纪下半叶继续服役。目前的配置是这样划分的。- F135-PW-100--这是F135的基本加力型，将用于F-35A的常规起飞和降落型。- F135-PW-600--这是F135的升力风扇型，它将为STOVL F-35B提供动力。目前，生产型F135正在从普惠公司的装配线上生产，是整个JSF项目中最无故障的子系统之一。尽管最初的JAST/JSF的要求令人印象深刻，但迄今为止，普惠公司的工程师们已经应对了向他们提出的每一个挑战，此外，F135的进一步发展今天仍在继续，以便为F-35攻击战斗机家族提供更多的优势，同时提高可靠性，降低采购和运营成本。一台基本型号的F135发动机，其成本低于更成熟的F119发动机的目标已经在望。全球的工程师和设计师们正在积极研究F135的改型，其应用范围包括为下一代无人驾驶飞行器（UAV）提供动力，以及海上/公共事业发电。在联合动力工程领域，F135已经成为高度发展的燃气轮机动力装置的一个标志，在所有的经典发动机中占有一席之地。
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