F-35的革命性结构居然是汽车上的东西?

原创 郑击波 航空知识

如果说,要问你F-35系列战斗机最让你印象深刻的地方,你会有什么样的答案?对于我来说,F-35最吸引人的地方可能就是它的垂直起降功能。

↑F-35垂直起飞前的准备↑

↑F-35的垂直起飞↑

虽然F-35不是第一款可以垂直起降的飞行器,但是确实是最吸引人的一款,尤其是起飞前宛如变形金刚一般仪式感十足的准备动作,就足够让机械控心潮澎湃。而且事实上,F-35系列战斗机中的升力风扇确实是整个系列战斗机中难度最大、风险最高,同时也是最具创新意义的关键部件。通过依靠升力风扇、尾喷口和滚转控制喷口的合作,最终可以使F-35平稳起飞。

↑F-35垂直起飞的原理↑

但是有一个问题不知道大家想过没有,升力风扇的动力是通过F-135发动机外接的转轴驱动转动的,并且只有在飞机起飞过程中才开启,那么如果发动机一直在转动,到底是怎么做到一会儿让升力风扇转动,一会儿让升力风扇停止的呢?

↑F-135通过一根转轴驱动前侧的升力风扇↑

↑F-135发动机特写↑

飞机上的离合器

别看这是最先进的战斗机上的最先进的部件,但是其中的机械原理其实一点儿不复杂,甚至于可以说,其中的一些基本原理在我们身边完全是随处可见,因为控制F-35升力风扇时而转又时而不转的装置跟汽车中的离合器本质上并无二样。

我们知道,汽车在换挡的间隙,需要暂时让发动机停止驱动齿轮箱转动,然后利用这个时机赶紧调整齿轮位置、实现换挡,下图中(图片来源见水印)的橙色部件就是离合器,通过离合器的作用可以让发动机的驱动轴与动力输出轴暂时分离开来。所以汽车换挡跟F-35升力风扇开启/关闭,原理上是相通的。

↑汽车换挡过程中的离合器↑

汽车上的离合器是通过摩擦力来传递发动机输出的扭矩的,所以通过控制两个摩擦盘(也就是离合片了)之间的相对位置,让他们的“离”与“合”,以此来控制发动机的动力是否输出到输出轴上。下图就很好地展示了离合器最基本的工作原理。

↑最简单的离合器↑

但是为了尽可能地增大摩擦面积、减小离合片上的磨损,所以离合器中往往会采用多片离合片一起作用,就好像下图一样,不少汽车中的离合片往往是好多叠在一起,通过多个摩擦面一起传递摩擦力,自然可以减小离合片上的磨损。

↑很多离合片一起工作的离合器↑

F-35升力风扇的离合器跟汽车上的离合器没有什么本质不同。在需要升力风扇工作的时候,就让离合片接触,带动升力风扇转动,而不需要升力风扇工作的时候,就可以让离合片分离,发动机自己转动就可以了。

↑F-35升力风扇系统中的离合器↑

从离合器到差速器

虽然说F-35和普通汽车上的离合器从原理上差不多,但是毕竟体量摆在那里:家用汽车的动力600匹已经算是很高了,但是F-35上的这台升力风扇,马力足足有29000匹,顶得上50辆大马力SUV了。

普通汽车尚且免不了更换磨损过度的离合片,就更加不用说这么一台功率巨大的飞机了。

所以早期的时候,F-35的离合片寿命只有1500次(不知道现在寿命提高了没有),远远低于F-35的设计寿命,所以免不了要频繁更换,但是现在的离合器因为位于整个动力输出线路的正中间,拆卸起来是要多麻烦有多麻烦,于是一种更加方便的设计就出现了。

那么这次是一种我们完全没有见过的高级结构吗?抱歉,这种新结构还是汽车上的东西,叫做差速器。

事实上汽车刚刚被发明出来的时候,出现了一个很严重的问题,就是遇到拐弯的时候,由于左右两侧轮子拐弯的直径不一样,所以两侧的轮子转速也不一样。这也是为什么早期的汽车中,发动机往往只会驱动一个轮子。

而为了应付这种情况,汽车工程师发明出来一种叫做“差速器”的结构。

↑汽车中的差速器↑

这种结构本质上说,就是通过一系列的齿轮,让一根轴驱动两根轴转动,并且输出的两根轴转速可以不一样。像下面这张图,绿色和蓝色的轴就是两根输出轴,你卡住绿色、松开蓝色轴,那么就可以实现绿轴转、蓝轴不转。相反,你如果反过来卡住蓝色轴、松开绿色轴,那么绿色轴就开始转动。

↑汽车中差速器的工作原理↑

利用这个原理,我们就可以设计如下图所示的升力风扇结构:发动机输出的动力经过输入轴传递到差速器,然后分成两根轴输出(图中的输出轴1和输出轴2),分别通过刹车片1和刹车片2控制,想要升力风扇开启,就松开刹车片1,捏紧刹车片2;想要升力风扇关闭的时候,就捏紧刹车片1,松开刹车片2,就可以只让输出轴2空转了。

↑基于差速器的F-35升力风扇转速控制↑

虽然这种新结构也会有刹车片的磨损问题,但是只要对比一下两种结构,就会发现旧结构的离合器是位于扭矩传递的正中间,而且深埋在升力风扇和发动机之间,想要拆卸很麻烦,而新结构的刹车片不在传力路线上,并且刹车片直接暴露在外侧,方便更换。

↑基于离合器的F-35升力风扇转速控制↑

当然了,新结构目前还只是在专利阶段,F-35用的还是带有离合器的老结构,也许过一阵子F-35发现老结构维修起来太麻烦,也会开始用新结构开始替代吧。

尾声

有朋友估计要说了:怎么升力风扇都跟汽车脱不开关系,这么厉害怎么不去设计汽车呢?

这一说就巧了。虽然说F-35主力研发还是在美国,但是飞机的升力风扇技术可是来自于一家叫做罗尔斯·罗伊斯的公司。这么说有点儿大家还是很陌生,因为这个公司名字还有个更响亮的翻译:劳斯莱斯。

所以人家确实是设计汽车的!

当然,这里是开玩笑了。实际上设计飞机发动机的罗尔斯·罗伊斯(行业内更喜欢叫这家公司“罗罗公司”)跟设计汽车的劳斯莱斯不是一回事,这就是另一段故事了,再找机会说。

另外,请各位细想一个问题:

F-35的飞行员离合器一踩,升力风扇就开起来了,足足让发动机输出的推力一下子提高了一倍,那么问题来了:这个多出来的一倍的推力,哪儿来的?

别着急,我们下回接着聊。

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