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標題: F-35閃電II戰鬥機研發史 [列印本頁]

作者: AA13281 時間: 2014-11-10 04:47:18 標題: F-35閃電II戰鬥機研發史

本帖最後由寒冰神話於 2014-11-10 18:14 編輯

美國協同八個夥伴國聯合發展的F-35聯合打擊戰鬥機（Joint Strike Fighter），結合了F-117夜鷹（Nighthawk）的隱形、F-16戰隼（Fighting Falcon）的超音速、F-18大黃蜂（Hornet）的艦載操作、AV-8B獵鷹（Harrier）戰鬥機的短距起降能力，並有更遠的航程及更佳的可靠性，現三種原型機皆已順利出廠，正進行全系統發展驗證（System Development and Demonstration）最後的試飛階段。

F-35共有三型，分別為美國及盟國空軍的常規起降型F-35A、美國海軍陸戰隊及盟國海軍的短距起飛和垂直降落型（Short Take-Off and Vertical Landing，STOVL）F- 35B、以及美國海軍的艦載型F-35C。F-35A的外形很典型︰進氣道在中機身兩側，發動機在後機身，發動機淨推力11340公斤（25000磅級），加力推力18144公斤（40000級）；F-35B的座艙較短，座艙後方進氣道之間為升力風扇（lift fan），由發動機經傳動軸驅動；F-35C艦載型的機翼較大，以降低在航空母艦上的降落速度，同時減少誘導阻力（induced drag）並增加燃油空間，所有航程也較遠。

F-35ABC三型的區別

由於1960年代聯合實驗型戰術戰鬥機（Tactical Fighter Experimental，TFX）計劃的失敗，不同軍種間的任務需求可否容納於一種共通型戰鬥機內，最初頗讓人質疑。實驗型戰術戰鬥機項目原構想以一共通型機身及發動機，來滿足海軍艦隊的防空需求及空軍的遠程戰術轟炸機需求，以省下數十億美元的開發經費，但美國海軍後來因飛機太重不適合艦載操作而放棄，繼續留在項目內的美國空軍得到的是一型以戰鬥機而言不夠靈活，以戰術轟炸機而言又太小的F-111。

F-111B戰鬥機給美國海軍留下了惡劣的回憶

要開發一型超音速垂直起降戰鬥機是極大的挑戰，以前曾出現的VAK 191和XFV-12A技術驗證機無法超音速飛行，也未正式服役；後來問世的STOVL機AV-8和雅克- 38雖然正式成軍，但依舊無法超音速飛行。根本原因是只有龐大的發動機才能提供飛機所需的懸停推力，同時機上還得攜帶大量的燃油供其消耗，故無法設計出纖細的超音速飛機外形。

垂直起降戰鬥機的發展歷程

最早開發的第一代垂直起降戰鬥機，是1950年代美國洛克希德公司（Lockheed）的尾坐式（tail-sitter）XFV-1、康維爾公司（Convair）的XFY-1、和瑞安公司（ Ryan）的X-13，當時戰鬥機的發動機推力已相當接近飛機重量，設計人員因而認為只要讓推力再增加少許，這種尾坐式戰鬥機就能以機頭向上、機尾朝下的方式垂直起降。不過XFY-1試飛的結果顯示飛機的操控性很差，由垂直轉換到水平飛行姿態並不容易，飛機懸停控制力也不佳，要垂直起降非常困難，處於仰躺姿態的飛行員既無從得知地面的遠近，也不知道機身降落速率的快慢，要順利降落是一大挑戰，並非每一個飛行員都有能力安全起降。

洛克希德XFV-1

康維爾XFY-1

瑞安X-13

第二代的垂直起降戰鬥機如1960年代法國幻象IIIV，除了傳統的機尾發動機外，還在機上加裝8台專門降落用的垂直發動機，飛機仍然以傳統的水平姿態起飛，飛行員也能藉由觀察地面遠近判斷飛機的下降速率。不過，加裝的8台發動機佔用機身太多空間，在飛機巡航時毫無用處；而飛機起降時，原本的發動機不僅沒有施展的餘地，反成為飛機上多餘的重量，因此這種戰鬥機的航程、掛載能力很不理想，例如幻象IIIV就無法掛載任何武器。另外垂直發動機排出的廢氣不但會造成機身腐蝕，如果竄入垂直發動機的進氣道內，還會造成發動機失速而喪失推力，對飛機的起降安全構成一大威脅。

幻象IIIV

1970年代第三代垂直起降戰鬥機的西德VJ-101使用傾轉式發動機。VJ-101的外形很像F-104，使用6台發動機，2台並列位於駕駛艙後方，專用於產生垂直升力，另外兩翼尖各有一具內裝2台發動機的旋轉式發動機吊艙。垂直起降時發動機吊艙為垂直方向，與駕駛艙後方的2台發動機共同提供垂直推力，巡航飛行時發動機吊艙旋轉成水平方向，提供水平推力。不過這種飛機要由巡航姿態變換到垂直起降姿態非常困難，反之亦然，而且垂直起降所需的發動機推力大且體型大，氣動阻力自然大，航程、載重都不盡如人意。

西德VJ-101

同時期西德的VAK 191和俄羅斯的雅克-38、雅克-141採結合偏轉發動機推力和加裝升力發動機（lift engine）的混合方式。VAK 191使用2台升力發動機，1台在駕駛艙後方，1台在機翼後緣後方，2台升力發動機中間為1台偏轉式發動機，提供垂直及水平方向推力；雅克-38與雅克-141的推進及升力方式很類似，都是在駕駛艙後方安裝2台升力發動機，機尾的主發動機尾管為可旋轉式，垂直起降時，由2台升力發動機和可向下彎折90度的主發動機尾管負責所需的垂直推力，起飛後主發動機尾管自動改成水平方向，提供飛機水平飛行的向前推力。這種方式的升力發動機佔用太多機身空間，也產生熱廢氣回流機身造成腐蝕及發動機失速的問題。

VAK 191足足安裝了三台發動機

雅克-38的發動機佈置

雅克-141的發動機佈置

目前最成功的垂直起降戰鬥機，是採用偏轉發動機推力來提供飛機懸停所需的升力。現今唯一現役的AV-8B就是使用一具高旁通比發動機，機身兩側前後各有1個可向下偏轉的尾管，垂直起降時4個尾管一起旋轉到垂直向下位置，提供飛機垂直懸停推力，水平飛行時則向後偏轉，以提供飛機向前的推力。AV-8B的航程、載重能力都足以與一般的輕型戰鬥機相媲美，只是發動機直徑太大，飛機受外形限制無法超音速飛行。

相比之下，獵鷹的旋轉尾管設計只用一台發動機就實現了STOVL

簡單來說，垂直起降戰鬥機的發展過程可歸納如下︰先是豎立飛機，接著是豎立發動機，然後是偏轉發動機，最後則是恍然大悟只需偏轉推力即可。

雙模式發動機

美國海軍在1980年針對未來的機隊進行海基空中主宰研究（Sea Based Air Master Study），獲得重要結論之一是以當時的技術水平，海軍要擁有全部都是STOVL的機隊，比起傳統艦載型機隊要貴很多。根據此結論，美國國家航空暨太空總署（NASA）啟動了先進STOVL（Advanced Short Take Off and Vertical Landing）項目，以開發出降低超音速STOVL飛機成本的技術。由1980年到1987年間，美國國家航空暨太空總署提供經費由各大飛機公司進行取代AV-8B的超音速後續機種概念研究，當時洛克希德的研究概念就取材自羅羅（Rolls Royce）公司的串列式（tandem）風扇發動機。

一種基於串列風扇發動機的STOVL戰鬥機設計

串列風扇發動機是把傳統發動機加長，第一級風扇往前移，在垂直起降階段時，打開一輔助進氣口以增加進氣量，廢氣由前機身的尾管噴出，使此級風扇轉變成一升力風扇，也就是在垂直起降模式時，發動機將部分推力移往前方，以平衡懸停的機身。但改變前級風扇的氣流量，會削弱發動機的增壓（supercharge）效應，因此在垂直起降模式時雖然進氣量增加，總推力反而較巡航推力小，所以得加大發動機尺寸來滿足懸停推力的需求，不過這會使發動機在巡航時顯得過大，而且增加耗油率，加上升力風扇提供的推力不足以平衡機尾發動機尾管的推力，整台發動機得盡量靠近飛機重心，形成機翼、燃油、載重、發動機全擠在重心附近，很難設計出流線的超音速飛機外形。

串列風扇發動機依靠第一級風扇提供前機身升力

1986年夏天，各家飛機公司的研究成果經美國國防部審查後，認為各公司的設計概念在成本、性能上並沒有顯著的優勢，不過其中有些設計概念還不錯，包括洛克希德的串列風扇發動機設計，國防部因此鼓勵發展能提升這些設計性能的新技術，洛克希德也因而持續研究到1991年。

在這段期間，美國國家航空暨太空總署也與洛克希德的臭鼬工廠（Shunk Works）合作，研究把升力發動機安裝於F-117上，以評估製造隱身STOVL打擊戰鬥機（STOVL Strike Fighter）所需的技術。1986年秋天，美國國防先進研究項目局（Defense Advanced Research Projects Agency，DRAPA）擴充美國國家航空暨太空總署的研究範圍，提供經費給臭鼬工廠進行為期九個月的研究，為海軍陸戰隊設計一款超音速隱身戰鬥機，此戰鬥機需能執行F/A-18的空優任務，也能執行AV-8的空中近距支持任務，此種結合超音速及垂直起降的性能需求，表示發動機不但得提供足夠的推力以完成短距起飛、垂直降落，而且外形不能太大，以免增加超音速風阻。要開發出此型新戰鬥機，關鍵就在發動機。

理想的垂直起降戰鬥機推力重量比大約是1.2，以提供充裕的垂直加速、操控推力。傳統的F/A-18一般起飛重量大約16783公斤（37000磅），發動機靜推力9979公斤（22000磅），推力重量比僅有0.6，開啟加力則可提升到0.95。F/A-18要垂直起降，得有19958公斤（44000磅，起飛重量的1.2倍）淨推力，機尾提供的現有推力明顯不足，欠缺的22000磅得由前機身處提供，才能使飛機重心平衡，因此開發垂直起降戰鬥機的問題就是如何使推力加倍，而增加的推力還須落在前機身處。

洛克希德運用頭腦風暴來尋求解答，該公司以列表方式將如何由機尾發動機的高壓熱空氣獲取動力、如何將動力由機尾傳輸到機頭、如何將動力轉化為推力，列成一張三欄式清單，然後由各欄中任意挑選一項相互組合，再構思如何讓此組合成功工作。臭鼬工廠的工程師由此方式想出了一些很有創意的觀念，例如有人就提出以機尾噴射的動力去驅動氣體雷射，雷射將能量送到前機身，點燃該處的脈衝噴氣發動機（激光脈衝發動機，用雷射能量加熱發動機中的中性推進劑或氣體介質，產生瞬態的高溫高密度等離子體並迅速膨脹，然後從發動機尾管中以很高的速度噴出產生推力）。

不過這些概念都不具可行性，洛克希德最後想到以傳動軸將發動機動力向前傳輸，以推動前機身的升力風扇，機尾發動機尾管也可偏折向下，另外在兩側翼尖安排發動機旁通氣流通道。調整前、後機身的推力可控制機身的俯仰；調整翼尖的旁通氣流可控制機身的偏轉。

洛克希德並以一簡圖向DARPA介紹如何將此設計概念應用於F-117飛機上，在原始草圖中，升力風扇的軸線方向與機尾發動機軸線一致，利用與AV-8飛機雷同的旋轉式尾管使推力偏折向下。

安裝串列風扇發動機的F-117 STOVL改型，推進尾管沿機翼後緣佈置

垂直舉升扇的動力透過發動機傳動軸傳送，該軸承受的壓力極大可比巡洋艦的車葉軸，所以是高度材料工程產物

DARPA對這個構想很有興趣，因此在1989年1月提供經費，讓臭鼬工廠進行使用這種發動機的飛機概念設計，DARPA也請麥道（McDonnell Douglas）和通用動力（General Dynamics）各自進行先進STOVL戰鬥機的概念設計研究。

概念設計的飛機任務需求共有三項︰空中近距支持、戰鬥空中巡邏（Combat Air Patrol）、以及甲板起飛攔截（Deck Launched Intercept），對其它的速度、機動特性、雷達特徵…等都沒有特別規定，唯一比較明顯的規格是飛機的空重不能超過10886公斤（24000磅），大約比F/A-18空重多5%，和常規起降型戰鬥機改裝為艦載型所增加的重量大約相同。

洛克希德原先構想的F-117垂直起降戰鬥機由於機翼後掠角度過大，即使在一般迎角下，俯仰姿態也不甚穩定，因此很快就被束之高閣。洛克希德概念設計的先進STOVL打擊戰鬥機，採三角翼加鴨翼（canard）的構型，鴨翼在亞音速巡航及機動時，就像個風向標，不會產生升力或阻力，但當進行超音速飛行致重心後移，或是襟翼偏折時，它就會產生調節力矩，讓機頭不致下掉。機上的內部武器艙可攜帶2枚AIM-120先進中距空對空飛彈和2枚短距AIM-9響尾蛇飛彈。這架飛機的模型需要完成風洞吹風及雷達截面積測量，以驗證分析預測的正確性。

洛克希德概念設計的先進STOVL打擊戰鬥機

臭鼬工廠還以普惠（Pratt & Whitney）的發動機模擬軟件，檢驗升力風扇發動機的確可從主發動機獲取足夠的動力來推動升力風扇，洛克希德也把升力風扇的軸線方向轉為與機身垂直，以獲得最大的懸停推力。

艾力遜（Allison）發動機公司創新設計了由兩個反向旋轉風扇組成的升力風扇，使用二組傳動齒輪，每組齒輪只負責傳送一半動力，負載因此減半，大約與現今重型運輸直升機齒輪箱的負荷差不多。艾力遜公司也設計了連接升力風和傳動軸的二級式離合器，採用多片磨擦式，當要把升力風扇由靜止加速到與發動機同轉速時，先以打滑的方式來降低接合時的震動，再以機械方式鎖定，以傳送短距起飛或垂直降落所需的全部動力。

艾力遜（Allison）發動機公司設計的升力風扇奠定了F-35B成功的基礎

不過由於這種新發動機系統概念未經過實際驗證，臭鼬工廠另外設計了一種氣體推動的升力風扇做為備份方案。在後者的設計裡，發動機排出的氣體經由發動機外圍導向前機身，推動一渦輪，再由渦輪推動升力風扇。這種設計提供的垂直升力不太夠，需要很大的機內空間安排氣流通道，較傳動軸式設計來得重，垂直起降性能也較差，不過不需要修改發動機，因此成本比較便宜。

麥道公司的先進STOVL戰鬥機方案就是用了氣體推動的升力風扇設計

1989年秋天，DARPA安排洛克希德、麥道、通用動力三家公司在海軍航空司令部（NAVAIR）簡報各自的概念設計，這三家公司隨後也都與DARPA續約，改進各自的設計，並評估採用隱身設計的可行性。後續研究在1990年底結束，海軍陸戰隊在審查完全部的結果後，請洛克希德進一步強化概念設計的內容，讓陸戰隊可由傳動軸升力風扇和氣動升力風扇中擇優二選一。

但在1990年12月，當時的國防部長切尼（Dick Cheney）二度要終結V-22計劃。陸戰隊只是個小軍種，無力同時支持二種飛機的發展，因此把全部精力轉向搶救V-22。幾個星期後的1991年1月，切尼終結了紛擾已久的海軍A-12計劃，海軍部長要求海軍航空司令部把全部精力放在取代A-6的A/FX隱形戰鬥機計劃上，洛克希德的研究重心也由先進STOVL打擊戰鬥機轉向此計劃。1993年5月，洛克希德取得傳動軸升力風扇的美國專利。

A-12全尺寸模型

A/FX隱形戰鬥機想像圖

通用可負擔戰鬥機（CALF）

1991年中，DARPA與洛克希德不斷向眾院預算委員會及國防部官員簡報，以確保有足夠的經費進行先進STOVL打擊戰鬥機技術成熟及風險降低的研究，這也使得當時主管研發及武器採購的助理部長肯恩（Gerry Cann）於1992年初交付海軍諮詢委員會（Naval Research Advisory Committee）一項新工作︰評估發展先進STOVL打擊戰鬥機的可行性及迫切性。

1992年4月，當時的空軍作戰司令部副參謀長莫林將軍（George Muellner）造訪洛克希德的臭鼬工廠，視察該廠的最新發展。由於空軍正開始構思所謂的多用途戰鬥機（MultiroleFighter）來取代F-16，因此洛克希德向莫林簡報一型隱身常規起降戰鬥機。洛克希德去掉了先進STOVL打擊戰鬥機的升力風扇和向量噴管，代之以油箱和傳統噴管，如此可將飛機的空重降低約15%，既增加航程，也降低成本；油箱加上半箱燃油的重量大約與升力風扇的重量相同，故原本的設計作戰性能維持不變。

洛克希德建議空軍與陸戰隊共同開發一通用型打擊戰鬥機（Common Strike Fighter），讓兩軍種能以實惠的價格獲得所需的戰鬥機。由於美國海軍、空軍、陸戰隊曾有共同使用F-4幽靈式(Phantom II）戰鬥機的歷史，洛克希德認為此建議相當可行。

莫林準將要求洛克希德向位於蘭利（Langley）空軍基地的空軍作戰司令部參謀做進一步的簡報，在進行後續簡報前，洛克希德說服DARPA安排向空軍參謀長麥克俾將軍（Merrill McPeak）、海軍作戰長（Chief of Naval Operations）空戰助理海軍中將關立維（Richard Dunleavy）、國防部長辦公室（Office of the Secretary of Defense）簡報，由他們向各軍種部長表達此想法。到1992年夏天，海軍諮詢委員會確定STOVL打擊戰鬥機的確可行，並建議海、空軍共同支持開發一高度共通性，可供空軍及陸戰隊使用的多用途戰鬥機。

在國防部的全力支持下，國會撥款給DARPA啟動STOVL及常規起降打擊戰鬥機聯合計劃。DARPA在1992年8月向業界發出方案邀請書（Request for Proposal），以進行傳動軸升力風扇及氣動升力風扇之技術演示，以及通用可負擔輕型戰鬥機（Common Affordable Lightweight Fighter）的概念設計，這是國防部首次向外界公開此計劃，這一天也被訂為聯合打擊戰鬥機（Joint Strike Fighter）計劃的誕生日。

1993年3月，洛克希德和麥道獲得DARPA的合約，分別負責完善傳動軸升力風扇和氣動升力風扇技術。當時通用電氣（General Electric）公司提出的發動機報價較普惠便宜500萬美元，因此麥道選擇通用電氣為合作夥伴；洛克希德則選擇普惠，因為F-22就使用普惠的F119發動機，也是當時唯一生產中的新發動機，洛克希德相信唯有普惠有能力提供演示機所需要的新發動機，洛克希德也要求普惠只為洛克希德獨家開發傳動軸驅動的升力風扇發動機。

一年後的1994年3月，國會另外提撥600萬美元的經費，進行升力／巡航兩用型發動機的設計研究，由於此種發動機概念已用於AV-8戰鬥機上，一般認為風險較低。波音此時表示願意自行提供同額經費，因而也獲得DARPA的發動機設計合約。

DARPA要求洛克希德、麥道、波音三家公司設計出生產型及演示型飛機，並用全尺寸模型進行地面動力測試以降低開發風險。這些測試將證明昇力風扇發動機概念的可行性、升力風扇噴出的熱氣不會損壞結構、並證明飛機由懸停轉換為向前飛行的過程中有足夠的操控能力。之所以要求使用全尺寸模型是因為DARPA擔心如果使用小尺寸模型機，將因尺寸關係無法呈現出升力氣流真正的溫度及擾流效應。

洛克希德的全尺寸模型外形與原先的STOVL打擊戰鬥機設計相同︰後掠式主翼、鴨翼、垂直式升力風扇發動機、內置式武器艙，不過飛機的氣動性能已憑藉F-22的試飛數據進行了重新計算。

多用途戰鬥機的任務需求多了四項對地攻擊任務，設計重點也由具備打擊戰力的空優戰鬥機改為具備部分空對空自衛能力的打擊機。由於隱形和遠距空對空飛彈技術已改變空戰的本質，因此設計重點放在“先發現、先獵殺”（first look,first shot），降低了對近距離格鬥的需求，所以去掉了原本的2枚AIM-9響尾蛇短距空對空飛彈，機內武器艙除了原來的2枚AIM-120中距空對空飛彈外，還需容納2枚907公斤（2000磅）級的聯合導引攻擊炸彈（JDAM），使得飛機的前視面積和波阻（wave drag）都小幅增加。空軍構型還是採取之前的方式︰移除升力風扇和向量推力尾管，代之以油箱和傳統尾管。

洛克希德常規起降型與STOVL型的對比

雖然分析及電腦模擬都顯示F119發動機在理論上可提供足夠的動力來驅動升力風扇，但實際操作時是否如此仍是疑問。洛克希德擔心機身在懸停狀態時，發動機尾管大角度偏轉的推力損失；升力風扇推力和機尾尾管的推力能否快速調整併協調合作，以控制飛機的俯仰姿態；還有升力風扇的傳動軸、離合器、齒輪箱的重量及可靠性。

演示用發動機系統要能澄清上述疑慮，並證明雙模式發動機及驅動系統的可行性。為了節省花費，演示發動機及升力風扇的零件都取材自現貨發動機，升力風扇取材自YF119發動機的第一級風扇及進氣導片（inlet guide vane），傳動配置與未來生產型升力風扇完全相同，因此齒輪箱的負荷也與生產型一致。而發動機則採用了普惠低旁通比F100-PW-220發動機的風扇及核心部分，搭配高旁通比F100-PW-229發動機的渦輪段。此渦輪的尺寸較大，可以提供足夠的動力來驅動升力風扇及發動機風扇；發動機外機匣左右側各有一開口，把旁通氣流導出成為控制飛機滾轉的噴射氣流；發動機風扇轉子也經過修改以與離合器搭接；發動機尾端為一可變面積的向量推力尾管。

1994年12月，組裝完成的升力風扇、齒輪箱、傳動軸在艾力遜工廠進行驗證，測量齒輪箱的動力傳輸損耗，驗證垂直姿態下的潤滑及滑油系統工作情況，制定扇葉片的扭曲極限，演示進氣導片調節風扇推力的能力。這一次的驗證相當成功，證明了在給定的動力要求下，製造出飛行用升力風扇及齒輪箱是可行的。

此力風扇隨後被送到佛羅里達州西棕櫚灘（West Palm Beach）的普惠工廠，1995年2月連接到驗證發動機上，在巡航及STOVL模式下運轉，演示發動機的渦輪可在提供巡航推力和驅動升力風扇間轉換，並演示巡航發動機與升力風扇間快速傳輸動力的能力，以及俯仰控制的能力。

完成這些測試後，整套推進系統安裝到一架由玻璃纖維及不銹鋼製成的全尺寸模型機身上，到NASA埃姆斯研究中心（Ames Research Center）的室外懸停測試設施上測試。測試表明地面效應所造成的誘導下沉力不到推力的3%，而升力增進裝置也有效地把起落架高度處的誘導下沉力限制在相當低的7%以內。當機身懸停在離地0.3公尺高度時，在大範圍的俯仰及側傾角度內都沒發現熱廢氣回流到發動機進氣道的現象。

洛克希德的全尺寸模型

NASA的37公尺長風洞測試了模型機的動力轉換特性，根據襟翼大偏折角度下的風洞數據，顯示此架飛機在甲板風速20節的情況下，不需著艦鉤或彈射器就能在直升機船塢登陸艦（Landing Helicopter Dock）上安然起降，並足以在一定的空間內，由垂直懸停轉換為向前飛行。測量數據也顯示在轉換過程中，即便有20節的側風，飛機對加速、減速、側傾姿態，都有足夠的控制力。

洛克希德全尺寸模型在NASA進行風洞測試

聯合先進打擊技術（JAST）

1993年2月，通用可負擔輕型戰鬥機計劃開始啟動的同時，美國國防部針對三軍現代化進行審查，目的之一是評估當時進行中的五項戰術型戰鬥機發展計劃︰美國空軍的F-22和多用途戰鬥機、美國海軍的F/A-18E/F和A/FX、DARPA的通用可負擔輕型戰鬥機。美國海、空軍向審查委員做了一份聯合簡報，建議以STOVL打擊戰鬥機為基礎，發展一高通用型多用途戰鬥機，稱為聯合攻擊戰鬥機（Joint Attack Fighter）。

1993年9月出爐的審查結果終結了多用途戰鬥機和A/FX計劃，但繼續批准聯合攻擊機所需技術的研發，以取代預定2010年開始除役的AV-8、F-16、F- 18，並啟動聯合先進打擊技術（Joint Advanced Strike Technology）計劃，但此計劃最初並未包括海軍陸戰隊要的STOVL機型。

1994年1月27日JAST計劃辦公室正式成立，計劃目的是定義及開發未來戰鬥機所需的機身、武器及感測器技術，計劃辦公室於5月時請波音、洛克希德、麥道及普惠四家公司進行為期6個月概念探索（Concept Exploration）研究，研究結論認為發展一通用型戰鬥機是滿足三軍種需求的最經濟方式。經過後續多次的取捨討論後，計劃決定此通用型戰鬥機為單座單發動機。海軍一向偏好雙發動機雙座型戰鬥機，因此要求未來的單座戰鬥機須可執行海軍預期的全部任務。

1994年10月時，美國國會指示DARPA把通用可負擔輕型戰鬥機及陸戰隊的STOVL機型併入JAST計劃內，成為三軍種通用型戰鬥機開發計劃。海軍對此戰鬥機的最主要需求，是在甲板風速20節的情況下，能在91公尺內起降戰鬥機。洛克希德對如何滿足需求，考慮出三種方案。

方案一是讓海軍也使用為陸戰隊開發的STOVL構型。這個方案最簡單，但這種機型的航程、載荷能力都比傳統艦載型來得差。

方案二是把STOVL構型中的升力風扇移除，讓姿態調整噴射氣流從襟翼上流過以增加機翼的升力，降低飛機起降速度，並增加彈射器及攔阻鉤。不過海軍以往使用的F-4幽靈式戰鬥機也有類似的吹氣襟翼設計，維護保養非常困難，洛克希德認為海軍對這個方案應該不會有興趣。

洛克希德選擇採取的第三個方案，是加大襟翼及前緣襟翼，翼尖向外稍微伸長以增加翼面積、降低起降速度，並增加彈射器及攔阻鉤。較大的機翼可降低誘導阻力並增加機翼內的油箱容量，因此海軍機型的航程較陸戰隊及空軍機型都來得遠。

洛克希德的三種JAST型號，此時已經拋棄的鴨翼

攔阻鉤會在起落架及機身上施加很大的負載，洛克希德因此重新設計了主起落架。空軍及陸戰隊機型的設計規範是降落時的機身最大下降速率每秒3公尺，而海軍型為每秒7.62公尺。同樣前起落架配合彈射器而重新設計，機身也因為較大的負載採用緩衝構件（cushion part）的設計，在不改變基本結構安排的前提下，以較強的零件取代原本的零件，例如承受主起落架負載的機身隔框，在空軍及陸戰隊機型上使用1.27公分厚的鋁合金，在海軍機型上則是1.90公分厚的鈦合金。這種做法沿襲自F-16的生產線，起初是為了滿足不同國家對子系統件不同的要求，結果F-16在基本機身之下有著許多不同的構型。

由於傳動軸升力風扇的觀念頗為新穎，也被認為風險最高，為了降低整體風險，原本的鴨翼改以傳統的水平尾取代。

常規佈局明顯受到了F-22影響

1995年5月，洛克希德請開發雅克-38及雅克-141垂直／短距起降（Vertical/Short Take-Off and Landing）戰鬥機的俄羅斯雅克飛機公司（Yak Aircraft Corporation），針對STOVL推進系統及結構安排提供獨立審查意見。洛克希德將其它公司公開發表的通用可負擔輕型戰鬥機設計資料，以及洛克希德自己的推進系統專利申請文件交雅克公司研究，雅克公司根據自己的開發經驗，估算出三型競爭STOVL機的性能及風險。該公司的審查報告中對洛克希德的設計相當肯定，並提供垂直／短距起降飛機升力系統的設計性能資料給洛克希德參考，為洛克希德打了一劑強心針。

三家競標公司在完成最後的風洞吹試後，也陸續完成演示型及生產型飛機設計。洛克希德和麥道的設計相當雷同︰傳統的機翼、機身、尾翼外形；波音則是無尾翼的三角翼機身。洛克希德之前已測試過全尺寸模型機的懸停及姿態轉換，波音只完成全尺寸模型機的升力測試；麥道在完成氣體驅動升力風扇系統測試後，向洛克希德要求與普惠公司共同開發傳動軸驅動升力風扇系統，但遭到拒絕，只好轉而開發未曾做過全尺寸測試的升力發動機。此時三家公司比較之下，洛克希德的設計反而變成風險最低了。

聯合打擊戰鬥機計劃（JSF）

1995年9月，美國國防部進行了2010年戰鬥機數量不足的預測評估，並審查了為解決此問題而啟動的JAST計劃後，得到的重大結論是一款飛機如果能符合三軍通用的要求，則可以節約高達三分之一的維修費用。此外還因同一維修單位、共享後勤保修系統及增加軍種互用性，從而可以大幅降低採購成本，國防部因此要求此計劃須開發出一通用型新戰鬥機，並在1996年2月通過聯合打擊戰鬥機的開發計劃。JAST計劃辦公室在一個月後，向業界發出演示型飛機的設計及試飛報價邀請書，提出報價的公司需一併制定出演示機的試飛目的。洛克希德在六月送交報價書，並說明該公司演示機試飛有三項主要目的︰一、證明要製造常規起降型、STOVL型、以及艦載型通用的聯合打擊戰鬥機是可行的；二、在同架次飛行中，演示前所未有的STOVL性能及超音速飛行；三、演示艦載型戰鬥機操控品質及航母適應性。

X-35B的升力風扇結構

X-35B的升力風扇

洛克希德的規劃裡將製造二架演示機，一架專責測試挑戰性較高的STOVL；另一架則是先採用空軍構型，之後再更換襟翼及前緣襟翼改裝成艦載型。為了降低演示機的製造花費，與測試目標無關的部分子系統則採用現貨件，例如︰前起落架取自F-15，主輪則是將A-6的稍加修改，而這些現貨件增加的重量以不安裝任務航電及武器艙來抵銷。

1996年5月，國防部將計劃名稱改為聯合打擊戰鬥機計劃（Joint Strike Fighter Program）以反映計劃實際包括的範圍，並讓國會了解這是一項戰鬥機開發計劃。1996年11月，波音和洛克希德獲選製造概念演示機，麥道的升力發動機概念取自俄羅斯的雅克-38及雅克-141，陸戰隊對此不甚贊同，也不願在一架飛機上使用兩種發動機。1997年麥道被波音併購，之前與麥道合組團隊參與競標的英國航太系統（BAE Systems）、諾格（Northrop Grumman）則加入洛克希德的陣容。

波音的X-32在設計上過多偏向STOVL，犧牲了其他方面

洛克希德與波音的設計外形都相當傳統，F-22證實了飛機外形即使不採多面體的方式，也能降低雷達截面積，因此二家公司的決勝點就在STOVL的推進系統設計。推力是氣流量與速度的乘積，洛克希德為達到所需的大推力，採用大量慢速氣流的方式；波音則是使用少量而速度較快的氣流。洛克希德昇力風扇系統所噴出的氣流量約比波音的升力系統多出2.5倍，氣流速度則不到波音的三分之一。

X-32B的STOVL發動機系統設計

由於在NASA埃姆斯研究中心的STOVL風洞吹試非常成功，洛克希德為了降低演示機的製造費用，把原訂的演示機規劃稍加修改，一架專責來驗證航空母艦上的操控品質，另一架先做成空軍構型，之後再移除前機身油箱安裝升力風扇，改裝成STOVL構型。空軍構型的X-35A於2000年10月24日首飛，從洛克希德位於加州的帕姆代爾（Palmdale）工廠飛往距離約30公里外的愛德華空軍基地，之後的一個月中， X-35A以每天平均一架次的飛行次數，演示機動動作及超音速飛行等戰鬥機性能，完全滿足預定的試飛目的。

飛行測試之所以能如此順利，在於X-35A能夠進行空中加油。一般新飛機通常得花上一年的試飛才能通過這項認證，相較之下，波音公司在進行試飛時無法使用空中加油，這也顯示出洛克希德的技術實力。

X-35能進行空中加油，讓其佔盡優勢

2000年底到2001年初間，X-35A改裝成STOVL型X-35B，安裝了升力風扇和向量推力尾管。2001年上半年，這架飛機栓在一可降低地面效應的平地鋼網上進行測試，檢查及測量發動機、升力風扇、尾管、反作用控制系統。2001年6月23日，英國航宇系統試飛員哈格維（Simon Hargreaves）首次加大油門，將飛機升離地面約6公尺高，以測試此種情況下的控制系統反應。2001年7月間，X-35B在愛德華空軍基地完成38次試飛，也確認由垂直轉為水平飛行的能力。

X-35B的首次懸停

2001年7月20日，海軍陸戰隊的湯馬斯（Art Tomassetti）少校駕駛這架X-35B完成史上首次的短距起飛、超音速飛行、懸停、垂直降落的完整飛行，波音的X- 32則無法展示如此的飛行能力。2001年8月6日該機最後一次飛行，由洛克希德試飛員摩根費爾德（Tom Mongenfield）將它飛回帕姆代爾工廠。

第二架演示機的構型是X-35C艦載型，2001年12月16日首飛，在愛德華空軍基地的33飛行小時測試中，成功演示用側桿操縱模擬航空母艦降落。2002年2月，這架X-35C由愛德華空軍基地飛往馬里蘭州的帕塔克森河（Patuxent River）海軍航空站（Navy AirStation），成為首架跨越美國大陸飛行的X系列試驗機。在帕塔克森河另外33飛行小時的測試中，X-35C完成超音速飛行，以及超過250次的模擬航空母艦降落。

加大機翼的X-35C

三型X-35的試飛，證實洛克希德的聯合打擊戰鬥機機身及推進系統為成熟可行的技術。

2000年11月，聯合打擊戰鬥機計劃辦公室要求波音、洛克希德二競爭團隊提出22架系統發展驗證飛機的製造及測試規劃，其中8架為地面測試機，14架為空中試飛機。2001年10月26日計劃辦公室宣布由洛克希德勝出，做出此最後決定的美國國防部空軍部長羅契（James Roche）表示︰“兩個團隊的規劃都非常出色，但洛克希德團隊在優缺點及風險上都勝上一籌。在評選的每一道過程中，該團隊能提供國防部最佳價值（best value）的證據越來越明顯。”一般國防分析師也認為洛克希德的展示機在發動機設計、性能和操作風險等多方面都優於波音，且波音也比較能承受落敗所帶來的損失。

閃電II

發展型飛機與演示型飛機非常相似，外形不變，發動機、升力風扇、尾管的安排也依舊相同，演示型上的現貨子系統件改以全新設計件取代以減輕重量；衝壓空氣冷卻系統改以類似F-22所用的液體冷卻系統。F-35A/B的翼展增加少許以改善動作及航程性能；方向舵及水平尾也變得比較大以增加控制力量。STOVL型的機內武器艙門在飛機垂直降落時會打開，以包住升力氣流，減輕地面效應對機身產生的下吸現象。

發展型的座艙比演示型先進許多，X-35B的飛控設施與獵鷹戰鬥機很類似，有著飛控手柄、油門以及一個獨立的尾管控制桿。而發展型機尾的尾管由手柄自動控制，而較不重要的功能，如無線電頻率控制可使用語音控制系統。X-35的座艙儀表包括一個HUD和一個借自C-130的2部小型彩色顯示器；F-35的座艙則使用投影於飛行員頭盔透明面罩上的虛擬顯示器，以及一個可由飛行員自行劃分成多個小螢幕的大型儀表顯示器。

在強化飛機性能的要求下，如︰飛機的動作G值限制由7.5提高到9個G、機翼增加可攜帶外掛載的掛架結構、減少機翼接合點以簡化組裝程序、機身結構重新設計以容納子系統件及進出空間…等，發展型的重量也不斷攀升，到2004年1月為止，飛機增重超過1360公斤。為抵消這多出的重量，洛克希德於2004年4月提出獎勵措施，任何減重建議有100美元的獎金，減重1磅可得500美元獎金。到當年底為止，洛克希德共收到超過2000項建議，飛機減重超過1225公斤，付出獎金約135萬美元。

F-35B的機內武器艙門在飛機垂直降落時會打開，以包住升力氣流，減輕地面效應對機身產生的下吸現象

F-35B的升力風扇結構

F-35B升力風扇的離合器

升力風扇的傳動齒輪

升力風扇內部也做了修形

2006年2月19日，第一架美國空軍的F-35A於洛克希德的德州沃斯堡（Fort Worth）出廠，經過一系列的地面檢測後，2006年7月7日正式向外界公開，美國空軍將它命名為閃電II（Lightning II），希望能延續P-38及英國閃電戰鬥機留下的光輝戰跡，2006年12月15日完成首飛。第一架STOVL的F-35B在一年後的2007年12月18日問世，2008年6月11日完成首飛，當年年底完成多架次的常規起降試飛後，在2010年3月18日完成首次的短距起飛、懸停、垂直降落；6月10日完成首次超音速飛行。2009年7月28日，第一架美國海軍型F-35C出廠，2010年6月6日完成首飛。

2006年7月7日第一架F-35 AA-1正式公開

聯合打擊戰鬥機計劃在2010年初的進度已落後13個月，三軍種原訂完成初始作戰能力（Initial Operational Capability）的時間也因此有所改變。計劃的落後對美國海軍造成的衝擊較大，因為隨著海軍現役的F-18A/B/C/D大黃蜂號將於2012年開始陸續退役，延後部署會導致戰鬥機數量無法滿足戰備需求，海軍預期2017年會到達最高峰的不足177架，即便採取延長F-18服役壽命的應急措施，戰鬥機數量不足數仍將近100架。

美國政府審計局（Government Accountability Office）對進度落後也提出警告︰預計在完成作戰測試評估前，聯合打擊戰鬥機將出廠360架，一旦測試過程中發現有任何缺失，修改生產線就得花上一大筆錢，已出廠飛機返廠修改也所費不貲，對未來的飛機價格一定會有不利的影響。

生產挑戰

聯合打擊戰鬥機最初的訴求是以一通用型飛機來取代空軍的F-16、海軍及陸戰隊的F/A-18、以及陸戰隊的AV-8，將能省下不少的生產及壽期成本，但實際的情況則讓共同參與開發的國家大失所望。2001年10月美國國防部宣布項目進入系統發展驗證階段時，預計單機價格為3730萬美元；2006月5月洛馬表示常規起降型F-35A的單機價格，以當年幣值為準預計為5,000萬美元；到2010年初時，計劃預算已超支原本預估的一倍半，達到3820億美元，單機預計價格也漲到1億1200萬美元，不但項目參與國大表不滿，美國國會在納恩–麥克柯迪（Nunn-McCurdy）軍購法案要求下更進行強制性調查，只是2010年4月提出的調查報告中表示沒有更便宜的F-35備用方案，但會重新設立一個新的可行性成本和進度目標，美國國防部也打算實行固定價格合約，由洛克希德自行承擔未來生產過程中的成本上漲風險。為遏止價格的上升趨勢，洛馬將以精益（lean）生產來降低生產機的價格。

聯合打擊戰鬥機的全球總需求量估計高達近5000架，生產線未來到達生產最高峰時，每年必須生產240架三種型別的聯合打擊戰鬥機，扣除週末及節假日後，幾乎得每天一架，與民航機生產線所差無幾。三型JSF雖然是配合不同軍種的特性需求，但彼此仍很相同，最初的機體設計方式也要求它們的差異不能影響生產及組裝。例如艦載型F-35C在降落時的下降速度較快，因此側面隔框必須較強壯，但三型飛機的側面隔框都由相同的鍛模鍛造，再以相同的機械銑除贅料，唯一的差異是F-35C隔框機械加工時銑除的贅料較少，所以會較大、較強。

唯一的差異是F-35C隔框機械加工時銑除的贅料較少，所以會較大、較強

F-35採用移動裝配線（Moving Assembly Line）製造，移動速度為每小時1.72公尺，生產線使用很簡單的活動式機械。由於設計歐洲戰鬥機（Eurofighter）組裝線的英國航太系統也是JSF的生產夥伴，因此JSF主要組合件在最後組裝時，與颱風戰鬥機一樣以激光追踪儀定位。JSF的組合設計只有簡單的接合點，需要的鉚釘很少，整個生產系統以單一的飛機數字模型為基準，沒有傳統的紙面藍圖。

F-35採用移動裝配線（Moving Assembly Line）製造

F-35的單片式機翼上蒙皮，是有史以來最大的複合材料戰鬥機蒙皮，洛克希德以購自瑞士的機械，將此蒙皮的尺寸容差控制在髮絲般大小的範圍內，F-35借助於復合材料本身的特性以及僅百萬分之四十二英寸的容差，方能具有隱身的特性。洛克希德最初製造機翼上蒙皮時，使用多結晶鑽石刨削機（polycrystalline diamond router），要完成一件成品需動用到24部，而且還經常造成上蒙皮嚴重脫層（delamination），必須進行大範圍的修補，對製造成本及時程都有極不利的影響，洛克希德因而向位於賓州的國家國防製造機械中心（National Center for Defense Manufacturing and Machining）求助，自該中心引入南加州阿馬哥工具公司（AMAMCO Tool）的鍍鑽（diamond-coated）刨削機，一舉將刨削機數量由24部遽降到只需2部，單具刨削機的刨削長度，也由2.74公尺大幅提升到17.37公尺。

F-35的單片式機翼上蒙皮，是有史以來最大的複合材料戰鬥機蒙皮

F-35的機體蒙皮上覆蓋了一層由洛克希德和3M公司共同研製開發的塗料，這種新塗層與傳統飛機上所漆的塗料有很大差異。嚴格來說這並不是一種塗料，而是一種用聚合材料製造的薄層，可直接粘貼覆蓋於蒙皮上，所以就不需要在蒙皮進行噴漆。這樣做最大的好處就是可以節省經費，而且還可以減輕飛機因噴漆而附加的重量，這項措施至少可以使飛機在全壽命週期內節省300公斤塗料。新式聚合物薄層已在F-16上通過可行性測試，當飛行速度到達1.8馬赫時，此薄層依然完好如初。不過根據現在的消息，F-35仍採用傳統的噴塗技術。據說，F-35所用的隱形塗料具有更好的耐用性，也更便於維護。而且有一定的冗餘設計，即塗層損傷在一定範圍內，隱形效果仍然好於軍方要求。F-35的塗層由噴塗機器人完成，具有相當高的平整度。據稱這一技術非常先進，為了防止技術擴散，美國甚至在考慮讓海外組裝的F-35飛回美國進行最後的噴塗工作。美國空軍在考慮為F-22換用F-35的隱形塗料，據稱僅需要適量的修改，F-35的塗料就可以滿足F-22高空、高速飛行下的要求，且不降低其隱身性能。

機器人噴塗車間

F-35的複合材料外蒙皮以固定件（fastener）與機身結構相接合，洛克希德採用全自動化數值控制（numerically controlled）堆迭鑽孔（stack drilling）的施工手法，把外蒙皮暫時固定於機身結構上，再用鑽頭同時在外蒙皮及機身結構上鑽出固定件孔，讓兩者結構上的固定件孔位幾乎沒有容差；要安裝固定件時，洛克希德以激光投影系統（Laser Projection System）在外蒙皮上投射出固定件的件號，讓施工人員不需去閱讀複雜的藍圖。

雷射光定位

專門在複合材料上鑽孔的AMAMCO金剛石塗層鑽頭

機器人鑽孔

而洛克希德經過20年研發，最近終於發展成熟的雷射超聲波技術（Laser Ultrasonic Technology），則是該公司檢查復合材料結構的最新利器。此技術以400赫茲頻率的雷射超聲波探測複合材料結構內的空穴、裂縫、脫層或其它缺點，可掃描檢查任意形狀的複合材料結構，速度達每分鐘0.55平方公尺，是以往傳統儀器的10倍以上。以傳統儀器執行F-22猛禽（Raptor）中機身結構纖維迭層間雜質、氣泡、裂縫的非破壞性檢驗，得花上24小時，雷射超聲波技術只需不到1個小時。

結語

F-35聯合打擊戰鬥機是以對地攻擊為主的多用途戰鬥機，具有全天時、全天候攻擊陸海空任何目標的能力。在未來的空中戰場上，F-35將與F-22戰鬥機聯手，形成類似F-15與F-16的高低搭配。當F-22清除了敵方戰鬥機以及地對空飛彈的威脅後，F-35將攜載飛彈對分散的地面目標實施全天候精準攻擊。

F-35戰鬥機與現役戰鬥機相比有三大明顯優勢：一、單發所產生的推力超過雙發推動的歐洲戰鬥機和F-18E/F超級大黃蜂（Super Hornet）；二、隱形性能強，不易被敵方雷達發現，可像F-117戰鬥機那樣隱形突破敵方空防；三、飛彈武器不必掛載在雙翼下，使F-35戰鬥機可以更機動靈活地與敵機進行空中格鬥。此外，F-35戰鬥機可以在視距外進行精準攻擊，配合飛機隱形能力，將能先發現敵機目標，先發射攻敵武器，掌握戰場主動權，大大增強了F-35戰鬥機的作戰性能。

由於具備如此優異的性能，項目因此估計三型聯合打擊戰鬥機預計將取代全球至少11個國家、13種機型、近5,000架的戰鬥機。三型JSF採用相同的機體、發動機、航電以及子系統，開發及支持成本將由數量龐大的機隊來分擔，每一型都會較便宜，因此F-35有機會成為歷史上最具成本效益的戰鬥機，但目前的情況卻是單機價格節節上漲，快要可以與F-22看齊了，完全悖離當初聯合開發可降低成本的訴求。

史密森尼博物館展出的X-35

第一架可實用化的F-35A正在移防至艾格林空軍基地途中

F-35B構造解剖圖

F-35A陸基型。

F-35B垂直起降型。

F-35C艦載型。

武器掛載磅數

F-35A和C型的武器掛載

F-35B型的武器掛載

頭盔顯示器

技術數據
長度 15.7公尺（50呎6吋）
翼展 10.7公尺（35呎0吋）
高度 4.33公尺（17呎4吋）
翼面積 F-35A/B 42.7平方公尺
F-35C 62.1平方公尺
空重 13,300公斤（29,300磅）
負載重量 22,470公斤（49,540磅）
最大起飛重量 F-35A 31,752公斤（70,000磅）
F-35B 27,216公斤（60,000磅）
F-35C 31,752公斤（70,000磅）
發動機 1具普惠公司F135/奇異公司跟勞斯萊斯聯合研發F136型後燃渦輪風扇發動機
推力 43,000磅（191千牛頓）
最大燃油量 8,382公斤（18,480磅）

性能數據
最大速度（最高1.6馬赫）1,931公里／小時（1,200英里／小時）
作戰半徑 1,110公里（690英里，無空中加油）
巡航半徑 2,200公里（1,400英里，無空中加油）

武器裝備
機炮 1具GAU-12/U「平衡者」 25公釐機砲
飛彈對空：
AIM-120 先進中程空對空飛彈、AIM-9X 超級響尾蛇
AIM-132 先進近距離空對空飛彈、歐洲流星飛彈
對地：聯合空對地遠距攻擊飛彈、小直徑炸彈
風偏修正彈藥灑布器
炸彈聯合直接攻擊彈藥、聯合遠距攻擊武器

概觀
類型隱身多用途戰機
乘員 1人
首飛 2006年12月15日
服役 2015年12月（海軍陸戰隊F-35B）
2016年12月（空軍F-35A）
2019年2月（海軍F-35C）
生產洛克希德·馬丁公司
產量 150（截至2014年5月）
單位造價 F-35A: US$1.248億（2013）
F-35B: US$1.568億（2013）
F-35C: US$1.426億（2013）
主要用戶美國空軍
美國海軍陸戰隊
美國海軍
英國皇家空軍
英國皇家海軍
澳洲皇家空軍
日本航空自衛隊

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作者: daviddo29 時間: 2014-11-10 08:12:50

能做出垂直起降的飛機代表著美國的科技真是強大

作者: HNY26 時間: 2014-11-10 11:41:25

內容很詳細，感謝大大的分享唷

作者: gamer12345 時間: 2014-11-10 12:15:23

這頭盔感覺更先進
不知道有沒有大大有相關的資料

作者: Qazwsx5522 時間: 2014-11-10 16:14:40

看到F－35的價格一直高漲⋯那之前歐巴馬砍掉F－22的後續生產、現在看來是一個錯誤的決定

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