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F-35B的先辈们

 友里 2023-04-05 发布于江苏

先进短距起飞/垂直降落飞机(ASTOVL)

一机三型不是JSF时代才提出的,早在它的爷爷:1983年发起的ASTOVL项目(先进短距起飞/垂直降落飞机)的时期就有了。

美国国防高级研究计划局(DARPA)在1983年启动了ASTOVL项目,此举是为了设计替代AV-8的超音速短距/垂直起降战斗机,和AV-8有着浓厚的英国血统相似,这个项目也有英国人参与。这是JSF和F-35的起点,也解释了为什么英国对F-35贡献颇多。

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项目开始时AV-8B还没服役

DARPA选择了4种概念进行初步研究,并于1985年进行了初步评估,实用性未达标。这些方案修改2次后,分为轴驱动升力风扇(SDLF)和气体耦合升力风扇(GCLF)2种类型的垂直起降方案。随着F-119发动机的进展顺利,预期推力得到提升,ASTOVL有了前景。



1987年,进一步研究表明现有技术难以设计出性能达标的短距起飞/垂直降落(STOVL)战斗机。尽管如此,DARPA还是秘密拜访洛克希德的臭鼬工厂,希望后者能提供一架第一阶段样机;洛克希德表示有一些成熟的方案可选,故DARPA表面上继续研究ASTOVL第二阶段,实则掩护洛克希德秘密研究真正的ASTOVL。在JSF的很久之前,洛克希德已占先机。



1988年,努恩-奎尔希望美国能与盟国一起研究ASTOVL,DARPA着手实施,这成为了日后JSF多国合作的开端。



DARPA和海军着手建立一个长远的发展计划。1988年2月,海军签署了发展“短距起飞/垂直降落攻击机”的文件。最初的工作重点是为海军陆战队研发STOVL战斗机。随着研究深入,海军发现了一个惊喜,将STOVL战斗机的升力风扇和动力传输部分替换成油箱,就能得到性能匹敌F-16的常规起降战斗机(多年后的F-35确实和预计的差不多),这就是F-35通用化设计的起源,并非国会为了节省开支才硬塞四等人的飞机给海军。因为采用升力风扇的STOVL战斗机结构更类似传统战斗机,而鹞式战斗机这类全部采用矢量喷口来实现垂直起降的特殊结构则难以实现通用化。



1991年,英国和美国签署的ASTOVL合作协议初版到期,但英国仍继续参与,机身和发动机也继续研究。



ASTOVL持续到1994年,该项目证明了隐身/超音速/短距起飞/垂直降落这些条件可以在同一架飞机上满足。

ASTOVL的方案:

超级鹞式,机身采用了隐身设计,而导弹还是外挂的。机腹的4个矢量喷口有明显的鹞式特征

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未完成的鹞式后继者:英国非隐身版“超级鹞式”—P.1154,采用带加力燃烧室的发动机,具备超音速飞行能力

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BAE的方案,无尾布局,背部进气。尾部没有喷口,垂直起飞/短距降落应该是靠中间凸起的矢量喷管?

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麦克唐纳.道格拉斯的方案,鸭式布局,发动机是YF-120。它采用了气体耦合升力风扇(GCLF),即从发动机通过导管引气流驱动升力风扇。升力风扇下部是燃气排气口,机背上的升力风扇口盖后方开有辅助进气口。因此,它的升力风扇既有冷空气排出又有来自发动机的热燃气排出。它的尾喷管是固定的,垂直起降时需要通过发动机和尾喷口之间的2个矢量喷口偏转以配合升力风扇,矢量喷口后方有隔板,垂直起降时放下,屏蔽尾喷口。相比F-35尾部单矢量喷口的设计,该方案死重更大。

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下面是ASTOVL的真正研究者—洛克希德的方案

方案1:BAE和洛克希德联合设计,鸭式布局,发动机位于重心,两侧各有一个矢量喷口,类似X-32。机身使用了复合材料,洛克希德为它制作了缩比模型。

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X-32

该方案的性能数据:
重量:19.1吨
速度:M1.5
动力:罗尔斯.罗伊斯推力矢量发动机(HFVT)
武器:空对空导弹,空对面导弹

方案2:鸭式布局

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方案3:无平尾,外形有点像单发版YF-22

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方案4:无平尾,在驾驶舱后方有采用垂直轴驱动的升力风扇,可能是矩形喷口

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方案5:名为幽灵战鹰,鸭式布局,采用轴驱动的升力风扇,升力风扇后面的机背开有辅助进气口,尾喷口是矢量的,类似F-35的垂直升力布局。此方案还有舰载机折叠翼

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方案6:名为RIVET,这个方案很有趣,它采用背部进气,通过U形进气道连接中部的发动机,为此发动机的安装方向反转;发动机位于重心,两侧各有一个矢量喷口

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方案7和8:90年代初设计的SFIH和SDLF,SFIH是三翼面布局,拥有4个矢量喷口;SDLF则是常规布局,采用轴驱动的升力风扇,尾喷管提供矢量机构,类似F-35的垂直升力布局。

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左上、中为SFIH的垂直升力布局,有4个喷管,前部的2个喷管延伸至发动机前方,貌似不能旋转;发动机中间的2个喷管是矢量的。这种排气设计比鹞式喷管集中在中部的排气设计应该更容易平衡。左下为SDLF的垂直升力布局,使用轴驱动的升力风扇;右边2个是RIVET的垂直升力布局。

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STOVL攻击战斗机(SSF)

上世纪80年代末,洛克希德臭鼬工厂与NASA进行了一项保密项目:研究隐身超音速STOVL战斗机的可行性。NASA提供了风洞、人员和超级计算机等资源,洛克希德则在隐身技术上颇有造诣。研究证明SSF在技术上可行,臭鼬工厂的管理层确信SSF可以同时满足海空军的要求。臭鼬工厂提议海空军成立一个项目组来进行SSF项目,海军方面要求SSF具备超音速巡航能力,之后海空军同意并签署了谅解备忘录。

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从SSF到JSF的演化


1992年,海军研究咨询委员会(NRAC)成立专项小组来预测SSF的未来技术潜力,以及在2010-2020年服役的可行性。同时,他们还将对比STOVL战斗机和常规起降(CTOL)战斗机的性能,评估STOVL战斗机能否有效与第三世界国家的CTOL战斗机抗衡。(该评估没有以中俄为目标)



评估小组认为,未来20年第三世界国家的经济将得到发展,可能自研或进口空对空和地对空武器(有对空需求),如进口法国的响尾蛇NG点防空导弹系统等。SSF必须能面对这些威胁,需具备高机动性、(雷达、红外)低可探测性。他们审查了SSF执行七项任务的能力:航母甲板升空拦截、常规升空拦截、打击、空中战斗巡逻/防空(CAP/AD)、侦察(RECCE)、近距空中支援(CA)和压制敌人防空力量(SEAD)。为此,他们认为SSF需控制空重在10.9吨以下。



专家相信,90年代-2010年间,技术进步和一个严格有序的计划可以达成设计目标。其中的重中之重是先进发动机,为其配套了综合高性能涡轮发动机技术(IPHTET)计划。新发动机不仅要推力大,还要重量轻,具备高推比;同时寿命达2000小时。 同时,SSF项目本身需研究减重技术、高强度机身、吸波材料、能全天候作战的航电、高态势感知能力、完全集成的飞/推控制系统。


SSF需严格控制重量,航电设备装机重量不超过907千克。根据AV-8B的使用经验,超重会造成严重后果,如影响短距起飞时的任务执行能力。预计重量不超标的情况下,单机飞离成本不超过2700万美元。



专家小组评估了美国海军陆战队(USMC)、海军和空军对SSF的作战需求,结论是该项目将给海军陆战队带来重大作战优势,速度、出勤率和执行七项任务的能力相比AV-8B大幅提升,足以对第三世界国家形成巨大优势。而对海军而已,STOVL战斗机对载舰要求的灵活性可以极大增强舰载机的出勤率,解放大型航母上CTOL战斗机的投射能力。预计21世纪初就能改变大型航母的使用方针。

2001年,SSF面临一个重大决策点,确定是否制造工程验证机。因为从ASTOVL项目开始,美国在STOVL技术上已积累了大量经验,所以预计不会出现大问题。顺利的话2010年USMC将用它替换AV-8S;如果SSF被取消,则技术回馈给新CTOL战斗机项目。



1993财年将开展SSF技术示范项目,1995财年研发航电,2010年生产原型机。90年代初,USMC就急需新飞机替代F-18C/D和AV-8B。考虑到SSF难以在2015年前服役,USMC决定采购超级大黄蜂并增购AV-8B以延长其服役期。

洛克希德SSF/CALF,鸭式布局,加莱特进气道,升力风扇后方疑似有辅助进气口

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在NASA艾姆斯研究中心测试升力风扇

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在NASA艾姆斯研究中心进行风洞测试

通用负担得起的轻型战斗机(CALF)

1993年,DARPA和海军在ASTOVL项目的基础上研究符合美国海军陆战队、英国海军要求的替换鹞式的STOVL战斗机;同时在其基础上研发美国空军常规起降的改型。该项目有时也被称为联合攻击战斗机(JAF),但CALF和JAF的发展方向不同。



该项目是由洛克希德提议,而DARPA希望有多个承包商竞标。最初只邀请了洛克希德和麦道,后来波音向DARPA表示只要让他们也参加竞标,他们就提供资金援助。



项目分三阶段,需要研制2架飞行演示机和一架STOVL概念验证机,要严格控制成本。第一阶段是早期研究阶段,第二阶段是为期三年的关键技术验证阶段,第三阶段是详细设计、制造和飞行。



1993年3月,DARPA签订了2项合同:洛克希德获得了一份3290万美元的合同—实用化轴驱动升力风扇,麦克唐纳·道格拉斯公司获得了2770万美元的合同—实用化气体耦合升力风扇。



1994年3月,国会拨款600万美元用于研究STOVL概念,波音赢得竞标。后国会和波音分别为该项目出资1000万和1600万美元,项目总金额达到3200万美元。



承包商需要从进行小规模组件测试到大规模动力模型测试,动力模型测试包括推进系统测试,要研究地面效应、如稳定性和控制问题,热废气重新吸入造成的推力损失等,同时要评估实现项目的成本,尽可能低成本的实现指标。DARPA还要求控制空重不得大于10.9吨,理由是F-119发动机的垂直降落推力限制和减重节约成本。验证机包括STOVL和常规起降版,将采用生产线制造以验证生产成本。

使用DSI进气道的洛克希德CALF,也是鸭式布局,有点像X-35

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麦道的CALF,鸭式布局,机头像YF-23

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波音的早期方案

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波音后来的方案,和之后的X-32比较像;无尾布局,翼梢小翼有方向舵

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联合攻击战斗机(JAF)

请注意JAF不是JSF,是Joint Attack Fighter

1993年,国防部全面防务审查报告(BUR)认为现有5种战术飞机开发项目数量过多:F-22、F/A-18E/F、A/F-X、ASTOVL和MRF。成本过高,无法各自单独开发。国防部研究了美国战区空军的需求,希望制定一个负担得起的新计划。在此背景下,海空军共同提交了联合攻击战斗机(JAF)方案。


这个项目是将高端和低端战术飞机的功能结合到同一个机体上(不是单纯的廉价飞机),同时拥有舰载型、陆基型和STOVL型,可超音速飞行。有以下特点:4000-4500万美元的单机飞离成本、805公里航程、起飞总重(TOGW)为15.88-18.14吨、可多用途的模块化设计、2009年实现初始作战能力(IOC)。



国防科学委员会特别小组提出,JAF项目没有清晰的定义,难以进入具体研发工作。该项目希望用有轻微差异的机体实现各种不同军种的需求,对通用部件要求高。BUR分析了该项目在与防空导弹阵地的作战和对空作战中的能力,结果未公开。BUR还要评估防区外打击武器对其的影响、SEAD能力、与轰炸机和舰载战斧巡航导弹(TLAM)之间的平衡点等。



海空军共用一个机体实现各自任务需求似乎很难,海军要求更高端的能力,对特定需求适应性高;而空军希望多用途且成本低,最好是单发。对此,国防科学委员会飞机评估特别工作组(DSB)建议采用两种机身,通用的发动机或核心机、航电架构和常规武器,制造流程尽可能多共通点。目标是70%成本为共同成本,降低各平台总体全寿命成本。建议A/F-X和MRF的长期开发也采用这种思维。

联合先进打击技术(JAST)

1993年2月23日,国防部全面防务审查报告(BUR)对军事力量和现代化计划进行了规划,提供后冷战时期的国防规划制定战略,旨在实现让美国军力能够同时打赢两场重大地区冲突(MRCs)。1993年9月,BUR的主要战术航空成果公布,继续F-22和F/A-18E/F项目,取消MRF和A/F-X项目,减少F-16和F/A-18C/D采购,启动JAST(联合先进打击技术)项目,把ASTOVL、CALF和JAF都合并进去了。JAST将专注于航空电子、动力、地面支援、弹药、训练和任务规划等领域的通用技术和部件。该项目将制造几架验证机来探索未来作战飞机的技术,然后从技术验证机中发展出原型机,最终发展出替代A-6、F-14、F-16和F-111的飞机。



此时,DARPA启动CALF项目,而空军和海军根据BUR的结果在1993年末启动了JAST项目。国防部长莱斯·阿斯平将JAST项目定为未来打击系统的核心,海空军的作战人员和技术人员联合组成产品团队,探索和证实成本可控的新技术和制造工艺,为海军、空军、海军陆战队和盟军的未来打击系统提高通用性,降低全寿命成本。



JAST项目办公室于1994年1月27日成立,任务包含定义战术飞机、武器、传感器的技术。波音、洛克希德、麦克唐纳.道格拉斯和普惠参与概念设计研究,但还没有具体到一款机型,也没有打算造出可飞行的验证机。后来,项目发展为替换美国和英国数款现役飞机的飞机系列。预计在2008年新型STOVL战斗机就生产出原型机了。这时USMC认为不必采购更多的超级大黄蜂和AV-8B了。

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洛克希德JAST空军型

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洛克希德JAST海军型

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洛克希德JAST海军陆战队型

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X-35的发展脉络

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洛克希德早期验证过加莱特进气道

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据说是洛克希德JAST方案2

英国皇家从JAST项目衍生出自己的未来舰载机(FCBA)项目,考察了常规起降和STOVL模式,还考虑从无敌级轻型航母上起降,后来放弃了这一想法。另外,皇家空军同样考察了两种起降模式的该机。

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洛克希德FCBA

1994年5月,项目组被授予了为期六个月的广泛的潜在打击战初步概念探索(CE)研究合同。研究结果表明,一机三型是实现三军任务需求下最经济的方案,三种变形共用一个机体,稍作修改。同年10月,CALF项目合并到JAST项目中,并成为重点;ASTOVL项目也合并进来(STOVL版是后来才合并进来的)。同时,英国国防部派一名代表参加JAST项目。美国空军型旨在补充F-22的同时取代F-16和A-10,同时英国空军也装备,为常规起降模式;海军陆战队型取代AV-8B和F/A-18C/D,同时皇家海军也装备,为STOVL模式;海军舰载型取代F/A-18E/F,同为常规起降模式。

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波音JAST

波音JAST继承并演变了CALF的设计,图为CALF,JAST将其带方向舵的翼梢小翼取消,加上了双垂尾

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波音JAST进气道唇可伸缩,增大起飞时的进气量,图为海军陆战队型的垂直起飞引擎工况测试

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X-32的发展脉络

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波音FCBA

经过大量方案论证后,JAST确定为单座单发,虽然双发有利于提高舰载型的安全性,但基于未来技术的发展,研究员认为单发和单座足以满足任务需要。1994年12月22日,JAST项目办公室获得24项概念定义和设计研究合同,收到150份提案,涉及5个领域:武器系统概念、航空电子设备、飞机结构和材料、推进概念/部件、建模,模拟和分析。

麦道、诺斯罗普和英国航空航天公司(BAE)联合设计的JAST,STOVL版本采用再热式涡扇和一个辅助升力发动机,机体后部有2个用于STOVL的辅助矢量喷口,因复杂和低效落败。

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3号方案

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海军型

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海军陆战队型

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早期风洞模型

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1号方案

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2号方案空军型

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5号方案

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FCBA

1995年春,三个承包商团队都选择了普惠F119发动机的衍生型作为动力。1995年11月,普惠得到合同,初步设计每个变形机的引擎;与此同时, 通用电气(GE)被授予合同,研究F110或YF120发动机能否成为备用发动机。同年底进行了几次国防采办委员会(DAB)级项目评审。1996年,GE选中YF120作为初步设计的原型。同年3月,最终招标书(RFP)发送给承包商,此时JAST已改名联合攻击战斗机(JSF),春季完成了CALF Pase II关键技术验证合同,此后就是JSF的故事了。

麦道、诺斯罗普和BAE设计的JAST早期概念(4号方案)继承了ASTOVL的设计,STOVL版本使用GCLF,机体后部同样有2个用于STOVL的辅助矢量喷口。

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JAST

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诺斯罗普的JAST继承了CALF的设计,它的STOVL版本原理和麦道、诺斯罗普和BAE设计的JAST相同,同样落败。

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CALF

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JAST

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