
熟悉F-35系列隱身戰機的童鞋們知道,F-35B是三個型號中唯一一種具備短距垂直起降能力的。該機短垂系統的核心是位於其機尾的“三軸承旋轉噴管”(簡稱3BSD),網上曾流傳這一技術是美國從俄羅斯的雅克-141戰機借鑑而來,實際上美研發這一技術比(蘇)俄早了20年,本文就此解讀。

3BSD噴管的作用是將F135渦扇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。這種噴管的優點是能在不改變發動機運行狀態的情況下,平滑下折95度,還能在懸停及過渡飛行(懸停與平飛間過渡)狀態時進行偏航控制。圖中展示了F-35B的3BSD從平飛轉為懸停模式的連續鏡頭。

3BSD噴管技術的起源可追溯到20世紀60年代中期,正值美蘇冷戰高峰,當時北約陣營希望研發一種具備短垂起降(VTOL)能力的新型戰機,以備在前線機場跑道遭蘇軍空襲癱瘓後仍能起飛作戰。圖為洛克希德當時提出的在F-104基礎上改進的CL-704短垂戰機想象圖。

為滿足這一需求,當時美國國內的各大發動機廠商都在研發為新型VTOL戰機配備3BSD噴管。其中由普拉特·惠特尼(簡稱普惠)研發並測試出了世界上第一台3BSD噴管,圖為1967年該公司提出的噴管設計細節圖。
如圖所示,3BSD噴管分為三部分,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。
同時期美海軍也在考慮為“制海艦”(一種只搭載短垂戰機和直升機的低成本小型航母,造價僅為尼米茲級核航母的八分之一)研發一種新型短垂戰機,這種戰機不僅能滿載彈藥垂直起降,而且還能作為常規艦載戰機部署到大型航母上,因此必須配備帶加力燃燒室的發動機。圖為通用動力康維爾分部提出的Model 200短垂戰機方案設想圖,注意獨特的升力發動機布置方式,可看作是後來雅克-141和F-35B的鼻祖。
在這個於1972年6月提出的方案中,Model 200的機尾上安裝了一台加裝了普惠3BSD噴管的PW401加力渦噴發動機,另外在座艙後側的機身中以串列方式垂直安裝2台升力發動機,產生的升力足以平衡3BSD噴管向下的噴氣推力。紅圈標出的為升力發動機部分。

該方案經過模型風洞測試和台架測試後,證實具有很高的技術可行性,圖為Model 200進行模型台架測試資料圖。
遺憾的是,康維爾Model 200最終落敗並胎死腹中,美海軍後來選擇了技術成熟度不高的羅克韋爾XFV-12短垂起降試驗機,該機採用了引射式增升技術(用折流屏將發動機噴流導向主翼面以提供升力)實現垂直起降。結果XFV-12證明了僅憑發動機的氣流引射是無法產生足夠升力的,甚至無法自行實現垂直起飛,最終該項目於1981年被取消。
6年後的1987年,蘇聯第一種兼具具備短垂起降和超音速飛行能力的雅克-141成功首飛。從這張仰拍圖可直觀看出,雅克-141採用了與當年美國康維爾Model 200相同的發動機布置方式(2台升力發動機在前,一台配備3BSD噴管的主發動機在後),而且也借鑑了惠普的3BSD噴管技術。而此時距離惠普公司測試3BSD噴管,已經過去了20年時間。
1993年,美國防部啟動了代號“聯合先進攻擊技術”(JAST)的計劃,該計劃實際就是日後F-35“聯合攻擊戰鬥機”(JSF)的前身。在JAST項目初期,洛馬公司人員曾隨美政府官員參觀了俄羅斯雅克夫列夫設計局。巧合的是當時正值蘇聯解體不久,雅克設計局正在尋找資金維持雅克-141項目。洛克希德公司用少量資金就換取到了雅克-141的性能數據和部分設計數據。但實際在這次訪問前,洛克希德就已完成了X-35B的3BSN隱身噴管設計工作。