技术派｜F35B传动系统有多强？一根主轴载驱逐舰级别功率

shaokuang

核心提示：F35B垂直/短距起降型战机作为整个F35项目中难度最大的机型，其最严峻的问题莫过于如何获取足够的动力，这在很大程度上决定了这个项目的发展进度。而F135-PW-600利用涡轮带动的风扇、简易却先进的传动系统以及矢量喷口装置，为F35B提供了一前一后两股巨大的升力，解决了动力难题。今天笔者就给大家介绍该型发动机及其升力风扇的传动系统，以及在民用领域的发展。
选择风扇爬升方案
在F35B问世之前，美英仅有一款英国研制的“鹞”式战机具备垂直起降功能。“鹞”式独特的起降方式源于其装备的罗尔斯·罗伊斯(RR)研制的“飞马”发动机，在前后一共有四个矢量喷管，喷出灼热气流推动飞机升高。英国人就是依靠这款飞机，远征南大西洋打赢了马岛战争。但是这种爬升方式也有很大的弊端，灼热的气流不仅会灼伤甲板，也会严重减少矢量喷管的寿命，机械效率也不高。
出于海军陆战队的换装需要，美国国防部把垂直起降型列入了F35项目的重点。洛马公司为了争取这个项目，很早之前就购买了前苏联垂直起降战机雅克-141的设计资料，并决定采用类似的技术路线。但由于军方对这款通用型战斗机的要求不断增加，飞机重量也随之水涨船高，因而对升力的要求超过了雅克-141很多，迫使研发团队不得不进行全新的尝试，最终实现了工程学上的奇迹。

F35B在空中悬停，风扇上的顶盖已经打开。
推力强悍的发动机
F35B型使用的发动机为F135-PW-600（普拉特·惠特尼公司生产），由以下几个部分组成：主体发动机部分、左右各一个调姿喷管（喷气来自发动机）、传动轴、离合器、以及升力风扇。
相对于A型（空军）和C型（海军）使用的引擎，F135-PW-600推力略有减小，但其最大的特征是：在悬停时，发动机在非加力状态下产生的升力(176kN)极高，甚至接近加力推力(191.3kN)。之所以能做到这一点，有赖于发动机的全权数控系统(FADEC)发掘出了发动机的最大潜能。
而作为垂直起降战机的关键，升力风扇由英国的RR公司负责——F35B在悬停状态时，发动机自身可以产生最大71.1kN的升力，再带动风扇产生最大90kN的升力；两侧的喷管产生最大16.7kN的升力，并依靠飞控系统完成垂直起飞的控制工作，使最大起飞重量27吨的飞机完成爬升。

F135-PW-600结构，左侧为升力风扇，右侧为发动机主结构，另外两侧还有调姿喷管。
轻便却强劲的齿轮传动系统
然而，强劲的动力只是一个必要条件，并不充分。F35B最引人注目的技术难点在于，怎样以尽可能轻的传动装置传输尽可能多的动能。考虑到重心、传动系统质量以及效率的原因，RR公司在飞机的重心前方设置了升力风扇，其动力由发动机的低压涡轮产生，并利用长轴以及离合器带动风扇。根据计算，仅仅依靠一根长长的主轴、截面积为脸盆般大小的离合器、个位数的齿轮以及全新的材料组成的传动系统，就把相当于驱逐舰级别的功率（28000马力左右）传送到了风扇部分！也正是由于这项创举，联合研制团队获得了美国工业协会大奖。
更具技术含量的是发动机上的离合器。F35B的发动机在启动后，低压涡轮就不断带动上图中的主轴旋转（此时并未与风扇系统接触）。等到需要驱动风扇的时候，离合器就使得主轴与风扇接合，这样发动机便能以最高的效率将动力传送到升力风扇。由于离合器与升力风扇的速度差极大，在接合瞬间会产生极高的温度，这对材料提出了极高的要求。
因此，该团队使用了用于飞机起落架的碳耐磨材料，考虑到F35B传动系统的使用频率和寿命，又在其表面做了硬化处理，形成了一种全新的材料。RR公司以这种材料减少了离合器中的齿轮数量，成功激活了F35B的垂直起降系统，使其更轻、更有力，还提升了效率、降低了油耗。
平心而论，齿轮构成的传动系统并无特别之处，但是倘若使用普通的材料、或是离合控制系统不佳，那么传动瞬间摩擦产生的高温就会把直接接触的齿轮融化，或是在持续运转后就会因为材料疲劳而不敷使用，这对材料的耐热、耐疲劳性要求极高。设计团队选用此套技术方案挑战极大，但依靠雄厚的材料积累以及控制系统，他们成功了。

RR公司展示F135-PW-600核心传动系统，正是这个部分带动并控制了风扇的转速。
军用转民用，抢占商业市场
由于PW和RR在齿轮传动的控制和材料上得到了长足的进步（而另一家巨头GE实际上被排除在了项目之外），且齿轮传动有着效率高、较安静的优点，在民用航空上也大有可为，于是两家公司决定将合作研发的军事技术成果转向民用。
PW公司开展了齿轮传动式风扇(GTF)发动机项目，希望依靠新式的齿轮传动设计满足更好的经济性，攻占由GE公司占据的民用航空发动机市场。齿轮传动发动机家族的一个型号已经在2015年成功装机试验，更提出了反向倾斜安装齿轮发动机的概念，大有开辟全新类型发动机的趋势。

PW公司的新式GTF发动机中的1000G型号。
在吃了几十年三转子航发的老本后，RR也迈出了新的步伐。RR公司测试了新的Advance核心机，它保留了传统的三转子构型，但已经将总压比提升到了60，油耗降低至原本型号的80%。不过RR打算在以新核心机为基础研制的发动机上增加可变距齿轮组，形成一种介于两转子和三转子之间的结构，进一步增强性能，总压比预计可提升至70。

RR公司新Advance核心机，未来将加装齿轮变距系统以代替部分零件。
大道至简
任何一家顶级的航空企业都有自己的看家本领，而F135的风扇传动系统作为一个要求极高的难点，其解决方案并非是什么复杂的“花活”，反而就是最简单的齿轮系统。但是，这简单至极的结构却正是以材料方面的扎实积累与研究为基础的。
这种方式看似投入大，周期长，风险高。然而在解决了这个难点后，欧美公司却能马上以这种技术为核心把自己的民用发动机做得更好，从而抢占利润丰厚的民用航发市场，然后再以利润“反哺”先进技术，进行下一步研发。这种方式的确值得我们学习。

转http://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_1502660

tractor

2266998 发表于 2016-9-14 17:07
米国材料吗，哈哈，谢尔曼大修寿命5000，当年，苏联、德国都是望尘莫及的，人家材料就是稳定，可靠性你追都 ...

看到这篇转发文章，看到8爷评论。觉得这些才是大国重器，而不是造了多险要的高桥，生产出多大的压力机。

野马

这个材料强度……能大概算出来吗！

chen0224

阿利·伯克”级宙斯盾导弹驱逐舰

排水量：8422吨(I型)，9033吨(II型)，9217吨(IIA型，满载)

主尺度：长153.8米，宽20.4米，吃水6.3米(IIA型长155.3米)

动力：4台通用电器公司的LM2500燃气轮机，105000马力，双轴，可调螺旋桨航速：32节

续航力：4400海里/20节

这么牛叉的主轴，谁知道轴的直径。

stephen

脸盆大小的离合器，传递28000马力！确实厉害

2266998

米国材料吗，哈哈，谢尔曼大修寿命5000，当年，苏联、德国都是望尘莫及的，人家材料就是稳定，可靠性你追都追不上，阿哈哈，

10万吨航母，试航时候，连续4小时跑高速，大转角，

法国佬看到了，内心不服，开他自己40000吨也这么耍，15分钟，呜呼了，拖船给拖回去了，哈哈，

英国人为什么有底气，还觉得它是‘世界老二’，就是这方面有底气，