F35B垂直起降戰機性能全面演示

F-35B是一款多功能隱形戰鬥機 它結合了F-16的靈活能力 鑰匙戰機的垂直起降能力和B-2的隱身能力 它能夠攻擊空中和地面目標 並汲取了洛克希德此前的隱形飛機經驗 包括F-22猛禽和F-117夜鷹 同時配備了最先進的傳感器和計算機系統 能夠幾乎及時地與聊機共享信息 而不會犧牲隱形性能 將信息直接呈現在駕駛員頭盔面罩上的抬頭顯示器上 爲飛行員提供前所未有的情境意識 使一群F-35戰機能夠像風群一樣協同戰鬥 也許最令人驚歎的是 F-35B可以通過按下按鈕從水平飛行轉爲垂直飛行 利用方向推力和隱藏在飛機機身內部的巨大垂直渦輪發動機 使其能夠像直升機一樣 在相對較小的美國海軍陸戰隊兩棲攻擊艦上降落 這是F-35B的瘋狂工程設計 將所有這些能力集成到一個機身中 是一項極其艱鉅的任務 設計隱形性要求對飛機外部進行精心塑造 決定了關鍵特徵的設計 必然需要進行不可避免的權衡 關於隱形性有很多誤解 目標並不是使飛機完全隱形 它仍然可以被探測到 而是要儘可能延遲敵方的探測時間 對於轟炸機而言 這縮小了敵方雷達站的探測範圍 潛在地打開了雷達防禦的漏洞 使飛機可以悄然穿越而不被察覺 對於戰鬥機而言 這提供了至關重要的優勢 在敵方探測到你之前發現敵人 爲了獲得這些優勢 F35B需要使雷達接收器 難以判斷回波信號是背景噪聲還是敵機 爲此它需要儘量減小回波信號的強度 雷達波可以通過多種機制反射 最顯著且最明顯的方式是通過光譜反射 也就是常規反射 就像鏡子一樣 其中反射角等於入射角 要避免大的平面表面可以直接反射回雷達接收器 要儘量避免形成兩個面稱90度角的角反射器 尾翼由垂直和水平安定面組成 是形成角反射器的完美表面 可以使雷達波同時從兩個面反射回來 朝着原來的方向返回 避免這種情況的最佳方法是完全去除尾翼 就像B2那樣 但這會嚴重影響機動性 相反F35可以用V型尾翼取代水平和垂直安定面 正如F117也應上所見 V型尾翼既可以作爲方向舵 又可以作爲升降舵 可以通過調整控制面積位置來產生水平合力 提供偏航控制作爲垂直方向的舵面 或者將它們向同一方向偏轉 提供俯仰控制 就像水平升降舵一樣 這種配置有實用於獨特外觀的飛機 如銳步SF50 它可以在機身頂部安裝單個微小的噴氣發動機 其排氣直接通過尾翼排出 這種V型私人噴氣式飛機如此小小輕便 以至於在緊急情況下可以展開降落傘自救 像F35和F22這樣的戰鬥機需要更優越的操縱能力 這取決於控制面積的大小 升降舵越大 俯仰控制就越大 如果控制面同時進行雙重操縱 即同時需要轉向舵和升降舵作用 它會減少操縱能力 因此這兩種飛機都配備了大型的升降舵 其間距和角度都有所偏移 以防直角反射 通過比較F117和F35 可以看到設計中的更多權衡 在追求隱形和戰鬥需求的過程中 這兩架飛機都採用了上表面安裝引擎進氣口的設計 這樣可以防止地面雷達在進氣口內部 來回反彈並返回接收器 有助於減少紅外熱特徵 然而 在預期進行高引腳機動的生死關頭 這不是一個理想的設計 在執行這樣的機動時 進氣口將接收到較低壓力的空氣 這將降低性能 位於飛機下方的進氣口 如F16會導致過多的雷達回波 因此選擇了位於機身兩側的雙進氣口 這些進氣口還具有一些巧妙的氣動特性 這個看似無關緊要的突起扮演着重要的角色 體現了航空工程的精髓 每一個看似微不足道的設計特徵 都有其用途 將發動機進氣口安裝在機身上 會帶來一些問題 而懸掛式發動機則可以避免這些問題 當空氣沿着機身流動時 會形成一個稱爲邊界層的 緩慢移動的湍流空氣層 如果允許這些空氣進入發動機 不僅會降低性能 還可能損壞發動機 隨着渦輪旋轉 它將通過一側的緩慢邊界空氣 然後通過另一側的快速自由流空氣 這意味着每次旋轉時 渦輪葉片所受的力都會發生變化 導致循環彎曲 從而導致疲勞破壞 像F-16這樣的飛機 配備了邊界層分流裝置 將進氣口與機身分離 之間留有一個小縫隙 但這種設計增加了雷達截面和阻力 F-16的後期改型測試了 DSI無分流超音速進氣口 本質上是一個大突起 它創建了一個壓縮區域 將邊界層空氣推開 同時散射入射雷達 測試飛行證明它可以滿足性能要求 並引入了F-35 最終產品減少了30%的浪費 並降低了生產和維護成本 往下看 可以看到其他隱形設計的線索 鋒利的邊緣是隱形的敵人 因爲鋒利的邊緣會導致 雷達波向各個方向散射 甚至可以沿着表面長度傳播形成行波 然後再達到尾緣時散射 可以通過一些巧妙的技術 來降低迴波信號的強度 信號強度取決於邊緣的長度 因此第一種技術是通過尺狀結構 來減小邊緣長度 你可以在B-2的尾緣上 清楚地看到這種技術的實施 然而F-35上使用這種技術的地方 並不那麼明顯 直到你開始注意到 隱藏在飛機周圍的所有防紋倉口 飛機上不可避免的表面縫隙 擁有鋸齒狀的邊緣 這個倉口打開後 會顯露出一個伸縮梯 讓飛行員可以爬進和爬出飛機 再往下打開 就顯露出氣烙架 而這些是內部武器倉 力不可少地隱藏了雷達反射導彈 使其免受視線監視 而這些較小的倉口 則是放射狀的彈藥發射門 煙母彈是對熱導導彈非常有效的誘餌 但對於雷達制導導彈卻無濟於事 鑑於雷達制導導彈的普及 和技術的不斷發展 新的誘餌系統得以研發 當需要時 這個面板會釋放出這項新技術 防紋門打開 發射器開始緩緩展開 保持在飛機後方的安全距離 它有三個層面的對抗措施 以保護F35免受攻擊 首先 它通過發射干擾信號 主動干擾導彈在鎖定目標時的功能 通過光纖線將干擾信號 從計載計算機傳送給發射器 如果雷達設法鎖定目標 它開始試圖打破鎖定 破壞導彈追蹤目標的算法 最後 如果一切都無法挽救 導彈正朝着飛機飛來 發射器開始模擬飛機的雷達特徵 將導彈引向自己作爲誘餌 這些鋸齒狀的艙口 隱藏了F35的關鍵部件 但在這些位置 還可以採取更多措施 來減少邊緣散射 您可能注意到這些邊緣周圍的顏色 與飛機的其餘部分不同 這是因爲這些邊緣上 塗有一種特殊的雷達散射膠帶 就像行波遇到邊緣不連續時會散射一樣 當航波通過電導率變化時也會散射 F35利用這一點 將波散射到更遠的距離 這種膠帶具有電導率梯度 逐漸降低其電導率 使雷達波在每個間隔處散射 逐漸降低表面波的強度 然後再到達邊緣 在沒有膠帶的情況下 如果波到達邊緣 將會產生一個大的回波 飛機本身的表面 也由一種專門的雷達吸收材料組成 2010年 洛克希德·馬丁公司申請了一項專利 用於製造一種碳納米管注入的複合材料 可以吸收從0.1MHz到60GHz的雷達波 這是一個非常廣泛的頻率範圍 特別覆蓋了俄羅斯的地對空導彈 如先進的S-400系統所使用的頻率 隱形設計受到行波對旅行的影響 可以在其他地方看到 想象一下 一個圓柱體似乎是散射雷達信號的理想方式 可以將信號強度降低 並使其向各個方向散開 然而 如果雷達波以切線方向入射到圓柱體上 並且波長至少是圓柱體周長的十分之一 波將實際上繞過圓柱體的外部 這很可能是爲什麼F-35戰機的特點 是在圓錐頭部打破了圓形的外形 而F-16則具有幾乎完美圓形的頭部 F-35戰機採用了一個棱角分明的邊緣 形成了一個極限 飛機上最大的艙門奇怪的沒有鋸齒狀 這是有原因的 這個艙門隱藏着強大的生力風扇 其內外氣流需要仔細考慮 生力風扇本質上是一個能產生 85千牛頓垂直推力的小型直升機 通過這樣坐在飛機上方產生一個低壓區 猛烈地將空氣以90度角吸入飛機內部 這股空氣必須經過機頭才能到達進氣口 因此機頭需要使空氣順利通過 而不會產生過多的湍流流動 這會降低生力風扇的性能 這就是爲什麼進氣門沒有鋸齒狀 因爲鋒利的邊緣會造成氣流的扭曲 這個機頭獨自經歷了幾次設計改進 以優化流經器上的氣流 展示機型F-35飛機的兩個門 是朝飛機側面打開的 但在最終的飛機上被改爲後門開啓 這有助於將空氣引導進入發動機 並提高起飛時的氣壓恢復 在短距離起飛時 F-35並不採用垂直起飛 而是使用生力風扇和後噴口的定向 推力在極短的跑道上起飛 這架飛機擁有垂直降落和短距起飛的轉換方式 這看起來像是變形金剛的飛行器 當時機成熟時 連接F-35發動機延伸驅動軸的離合器 開始將29000馬力傳輸到左風扇的追齒輪上 同時後排排氣噴管中的齒輪開始旋轉 這個噴管的機器結構被稱爲三軸程轉動噴管 它由三個相對於彼此切割的密封段組成 可以通過單獨旋轉這些角度不同的部分 來改變噴管的形狀 這三個部分一起旋轉 以平穩過度向下推力 但是通過單獨旋轉各個部分時 更容易理解它的工作原理 旋轉中央部分可以使噴管從0度旋轉到45度 這個位置用於短距離起飛 將發動機的動力分配給推力和升力 這種模式和垂直起飛一樣令人印象深刻 使得飛機能夠從較短的兩棲攻擊艦艇 如美國邁金島號 長258米起飛 輔助滑道上還添加了一個滑跳坡 進一步縮短了最小起飛距離 觀看F35在如此短的距離起飛是令人難以置信的 在這個視頻中 可以看到後噴管迅速調整推力角度 與後部升降舵同步調整飛機的俯仰 以確保安全起飛 對於垂直降落 最後一個噴管段可以旋轉 以提供完全的90度轉向 而第一個噴管段可以旋轉 以使噴管從一側移動到另一側 但在這裏 它的作用是確保當噴管轉換時 推力不會側移 就像單獨旋轉部分時看到的那樣 它們會導致F35失去控制 這個機械結構還使F35能夠在需要時 平穩地從巡航飛行轉換到垂直飛行 以及從垂直飛行轉換到巡航飛行 還有其他的控制機構 來確保這種危險的平衡行爲不會出錯 從主發動機旁路引出的空氣 被引導到位於每個機翼下方的兩個滾動噴管 以在遠離飛機壓力中心的位置提供推力 以控制滾轉 還有位於左風扇下方的導向脈門 可以調整出口面積 以調整升力風扇的性能 但也可以控制左風扇的推力 從5度向前到42度向後 通過計算機輔助控制這些控制機構 與其前任AV8B鑰匙戰鬥機相比 F35的穩定性顯著提高 這使得F35的單發能夠在兩條器柱上旋停 爲了實現這一點 F35的發動機F135 是由F22猛禽戰鬥機的F119發動機改進而來 必須具備極高的動力 F22猛禽戰鬥機是一款雙發戰鬥機 具有充足的多餘動力 來完成令人難以置信的機動動作 而F35只有一臺發動機 需要儘可能發揮所有的動力來實現垂直降落 F22的發動機可以產生156千牛頓的推力 而F35的發動機只能產生109千牛頓的推力 F35的發動機有一個更大的風扇和旁通導管 使其繞流比是F22的兩倍 爲F35提供了更高效的巡航發動機 但也提供了更高的質量流量以獲得更大的推力 然而這也帶來了一些缺點 繞過發動機核心的空氣也有一些問題 它完全避免了燃燒勢 因此錯過了在那裏產生的加速度 降低了排氣速度 從而降低了飛機的最高速度 F35的最高速度是1.6馬赫 雖然它是第一架具備垂直起飛和超音速飛行能力的飛機 但F22可以飛行2.2馬赫 F35的優化目標是在空中持續時間而不是速度 然而爲了實現垂直起飛所需的額外風扇模塊 嚴重阻礙了這種理念 這個垂直起飛模塊重1.2噸 這在正常飛行中沒有任何作用 需要更多的燃料來攜帶 更糟糕的是 這個空間被用於其不同型號的內部燃油箱 使得左發動機儘可能輕便對於使F35B在戰場上 可行來說至關重要 它只重1.2噸真是令人震驚 它包含兩個相互旋轉的TieBlitz旋轉部件 這意味着葉片和盤都是一個單獨的整體 而不是傳統的通過插銷連接的葉片 這提高了效率並消除了連接處潛在的故障點 這是製造業的一項驚人成就 而第一級風扇更進一步 第一級葉片是空心的 可以安全地提供飛機的最大優勢 然而F35B真正顯示出其優勢的地方 在於其現代化的傳感器和計算機套件 所有這些都與之相連 集中在一起的頭盔顯示器被集成到飛行員的頭盔中 傳統的頭盔顯示器如F16被集成到駕駛艙的面板中 飛行員無法看到面板而掃描它們的環境 在戰鬥中 情況意識至關重要 這個頭盔盡一切可能讓飛行員保持信息 甚至給他們提供X射線視覺和夜視能力 飛機周圍一套傳感器的信息輸入到一箇中央計算機中 由一個投影儀顯示在頭盔內的一個透明的多面體箱中 飛機下方是一套傳感器 但它們並不是傳統的窗戶 這些窗戶通常由價格昂貴的寶石藍寶石製成 這是少數既堅硬又耐用 又能透明地傳播廣泛的電磁波長 從紫外線到紅外線的材料之一 然而 隱藏在F35機頭內部的雷達天線是該電子系統中最重要的部分 這是一個掃描陣列雷達 與傳統的機械雷達工作方式有很大不同 相控陣天線具有數百個微小天線 可以看到F35相控陣天線中的金屬板 金屬板上切割出槽 每個槽都是一個天線 總共有1600個 這使得相控陣天線能夠通過構造和破壞干涉來控制雷達 如果兩個天線同時發射兩個雷達波 它們的峯值和波谷對齊 會導致干涉增強 增加射頻波的振幅 然而 如果將射頻波向位設置爲180度 使波峯與波谷對齊 將導致完全乾涉 完全取消波 這就是噪音消除耳機的工作原理 它們監聽背景噪音 相控陣天線利用這種現象來控制雷達波的方向 防止雷達成爲一個巨大的信標 直接引導敵人 傳統的相控陣天線是被動的 意味着陣列中的每個天線由單個發射機和接收機驅動 這意味着它只能指向一個方向 如果它遇到兩架並排飛行的敵機並且它們分開 被動相控陣天線將無法同時跟蹤它們 然而 F35的相控陣天線是主動相控陣 意味着每個天線都是一個單獨的發射機和接收機 這意味着F35可以同時跟蹤多個目標 而沒有任何可動部件 隱藏這些天線的機頭追需要對雷達波透明 通常由玻璃纖維複合材料製成 因此這種透明性對飛機的雷達回波特徵造成了問題 因爲這樣的天線會反射信號 對於需要指向敵人以追蹤他們的機械雷達天線來說 這是一個更大的問題 相控陣可以朝向多個目標而保持在一個位置 這就是爲什麼它朝向天空反彈來自上空的雷達信號 相控陣天線還充當飛機的通信天線 這對於F35的作戰原則至關重要 F35的卓越之處在於其網絡能力 可以在其編隊之間傳遞信息 這需要在飛機和地面系統之間傳輸大量數據 需要高速數據傳輸速度 然而通信存在一個明顯的問題 即向任何監聽的對象宣告你的存在 隱形戰鬥機之間的安全通信至關重要 而主動相控陣天線有助於實現這一點 F35使用最新的數據鏈路系統MEDL 改進了從F22中學到的經驗 使F35能夠快速安全地共享 來自個體F35和地面系統的數據 然後計算機對這些信息進行排序 並在飛行員的抬頭顯示器中呈現出來 直接展示給他們 這使得駕駛員具有場景感知能力 如果有敵對目標位於飛機下方 飛行員無需與機組成員進行通信 飛機之間進行通信並將數據反饋到頭盔中 允許飛行員直接查看飛機下方的敵對目標位置