آشنایی با موتور Pratt & Whitney F135, قلب تپنده F-35

[τοxικ]

موتور F135 دارای نمونه های مختلفی همچون، نمونه عادی (Conventional)، نمونه دارای دریچه های رانش معکوس (Forward Thrust) و نمونه ترکیبی همراه با قابلیت نشست و برخاست کوتاه (Multi-Cycle STOVL) همراه با فن مولد برآ (Lift) می باشد. اولین نمونه های تولید شده از موتورهای F135 طبق برنامه زمانبندی سازنده، در سال 2009 میلادی آماده تحویل گردیدند.

 

توسعه:

هدف اصلی کمپانی Pratt & Whitney از توسعه موتورهای F135، تامین نیازهای کمپانی Lockheed Martin در غالب پروژه Skunk Works (اهداف این برنامه در تولید هواپیماهای خاص و مشهور همچون، U-2، B-2، F-22 و ... می باشد) و همچنین طراحی و تولید جنگنده ضربتی مورد نیاز تفنگداران دریایی آمریکا (U.S. Marine Corps)، طبق توافقات انجام شده در سال 1986 و در غالب برنامه DARPA (آژانس تحقیقات پروژه های دفاعی پیشرفته یا همان Defense Advanced Research Projects Agency) بود.
جهت تحقق این منظور، Paul Bevilaqua طراح مشهور کمپانی Lockheed به عنوان مسئول طراحی و خلق نمونه اولیه و همچنین سیستم های انتقال قدرت منصوب گردید. پس از اتمام کار طراحی و خلق نمونه Concept، وظیفه ساخت این موتور بر عهده کمپانی Pratt & Whitney محول گردید.

 

 

P&W (نام اختصاری کمپانی Pratt & Whitney) در طراحی جدید خود، از فن ورودی موجود در موتورهای F119 در بخش مولد برآ (Lift Fan) در موتور F135 بهره گرفت و همچنین فن اصلی و هسته مرکزی از نمونه F100-220 اقتباس گردید و در بخش توربین های کم فشار، از نمونه های موجود در F100-229 و البته همراه با ابعاد بزرگتر بهره برداری شد. استفاده از توربین های بزرگتر موجب افزایش قدرت تولید شده توسط موتور می گردد و این طریق نیروی مورد نیاز Lift Fan نیز، بدون کاهش قدرت موتور تامین می شود. این نمونه در ابتدا تنها یک طرح کلی بود و سپس با افزودن برخی تغییرات، به نمونه اصلی F135 تبدیل گردید.

 

 

کمپانی P&W موتور F135 را با اقباس از نمونه های F119 و مورد استفاده در F-22 Raptor توسعه داد. این نمونه گاهی تحت عنوان F119-JSF نیز شناخته می گردد. هسته مرکزی موتورهای F135 با نمونه های F119 مشترک می باشند و تنها برخی از قطعات حساس، مورد بهسازی و تکمیل واقع گردیده اند. موتورهای F135 در تشکیلات P&W واقع در شهر Middletown ایالت Connecticut آمریکا مونتاژ می گردند. همچنین برخی از قطعات این موتور در شهر Longueuil استان Quebec در کشور کانادا و بخش دیگر آنها در کشور لهستان ساخته می شوند. اولین نمونه نهایی از سیستم نیرو محرکه، طبق برنامه زمان بندی در سال 2007 میلادی و در جهت تحویل به کشورهای آمریکا، انگلستان و سایر مشتریان بین المللی آماده تحویل گردید. اولین نمونه های F-35 همگی به موتورهای F135 مجهز بودند. اما از سال 2009 میلادی، 2 کمپانی مشهور Rolls-Royce انگلستان و General Electric آمریکا، نمونه جدید تحت عنوان F136 را به عنوان موتور هم سو و قابل سفارش بر روی جنگنده F-35 عرضه نمودند.

 

F136

وزارت دفاع ایالات متحده آمریکا (Pentagon) طبق برنامه اولیه خود، پس از سال 2010 میلادی اقدام به برگزاری مناقصه عمومی جهت شناسایی پیمانکار و سازنده اصلی موتور F-35 نمود. با اینحال در سال 2006 میلادی، وزارت دفاع آمریکا درخواست داد تا هیچگونه اعتبار و بودجه ای به برنامه توسعه موتورهای F136 اختصاص نیابد، اما کنگره آمریکا با این درخواست موافقت نکرد و با صرف نظر از آن، بودجه تحقیقاتی جهت موتورهای F136 را حفظ نمود. گروه سازندگان اصلی موتورهای F135 عبارت هستند از کمپانی های Pratt & Whitney و Hamilton Sundstrand از آمریکا و Rolls-Royce از انگلستان. در این پروژه، Pratt & Whitney به عنوان پیمانکار و سازنده اصلی موتورها و سیستم های انتقال قدرت در پروژه F135 فعالیت می نماید. Rolls-Royce سیستم های عمود پرواز و تولید نیروی عمودی را تامین می کند و نهایتا" Hamilton Sundstrand نیز مسئول تولید سیستم های الکترونیکی موتور، استارت، جعبه دنده، سامانه نظارت بر عملکرد صحیح موتور و سیستم سوخت رسانی می باشد.

 

Pentagon

از سال 2009 میلادی، کمپانی P&W در حال تجقیق و توسعه بر روی نمونه بهینه موتورهای F135 با طول عمر بالاتر در قطعات حساس و کلیدی می باشد. این قطعات بیشتر در بخش های داغ موتور همچون، محفظه احتراق و تیغه توربین های فشار بالا قرار دارند. این نمونه تحت عنوان XTE68/LF1 نامگذاری گردید و انتظار می رفت تا آزمایشات اولیه بر روی آن، در سال 2010 آغاز گردد. این طراحی منحصر بفرد موجب افزایش چشمگیر هزینه ها در طول پروژه گردید. با اینحال انتظار می رود کمپانی P&W به زودی نمونه ارزان قیمت F135 نسبت به F119 را عرضه نماید، هرچند موتورهای F135 دارای قدرت و توان بیشتری می باشند.

 

 

طراحی:

F135 یک موتور دو محور و دارای 3 مرحله (تیغه) در بخش کمپرسور کم فشار و 6 مرحله (تیغه) در کمپرسور فشار بالا می باشد. همچنین این موتور از محفظه احتراق حلقوی (Annular) به همراه یک مرحله توربین فشار بالا (HP یا همان High Pressure) و 2 مرحله توربین کم فشار (LP یا همان Low Pressure) بهره می برد. F135 در بخش پس سوز (AB یا همان Afterburner)  از نازل های متغیر با قابلیت همگرایی و واگرایی بهره می برد. نمونه های متداول F135 همچون، F135-PW-100 و F135-PW-400 از لحاظ توان تولید، می توانند حدود 191 کیلونیوتن (همراه با Afterburner) و حدود 125 کیلونیوتن رانش (Thrust) را در حالت عادی و بدون استفاده از AB ایجاد نمایند. عمده ترین تفاوت در میان موتورهای سری 100 و 400 در استفاده از مواد مقاوم در برابر خوردگی حاصل از نمک های دریایی (Salt-Corrosion) می باشد.

 

 

نمونه مخصوص نشست و برخاست عمودی (STOVL) یا همان F135-PW-600 نیز توانایی تولید حداکثر 191 کیلونیوتن رانش را دارا می باشد و تنها تفاوت آن با سایر نمونه ها، در پیکیربندی و ساختمان آن است. این موتور در حالت STOVL حدود 80.1 کیلونیوتن نیروی بالابرنده عمودی ایجاد می نماید و با انتقال این نیرو به مرحله بعد، Lift Fan به تنهایی توانایی ایجاد 89 کیلونیوتن رانش را دارا می باشد و همچنین هریک از 2 عدد Roll Post (نازل های کوچک جهت حفظ تعادل طولی که با استفاده از نیروی Thrust فعالیت می نمایند) توانایی ایجاد 8.67 کیلونیوتن رانش را دارا می باشند.
بنابر این، سامانه LiftSystem ساخت Rolls-Royce مجموعا" توانایی تولید 186 کیلونیوتن رانش را دارا می باشد و این میزان تقریبا" جهت پرواز عمودی این هواپیما در سرعت کم و بدون استفاده از AB مناسب می باشد. نمونه STOVL جهت راه اندازی Lift Fan و سامانه عمود پرواز، دارای یک عدد کلاچ جهت استخراج 26000 کیلووات (kW) نیرو از بخش توربین های کم فشار (LP) می باشد و خلبان با استفاده از سوئیچ تنظیم سیکل موتور و کلاچ مربوطه، می تواند عملکرد ترکیبی موتور را از حالت Turbofan به حالت Turboshaft تغییر دهد. این قدرت با استفاده از یک عدد Shaft فرعی و متصل به کلاچ، به جعبه دنده مورب و دارای چرخ دنده های جناحی (Bevel Gearbox) منتقل می شود و پس از تغییر جهت نیرو از حالت افقی به عمودی، به بخش Lift Fan منتقل می گردد.

 

LiftSystem

بخش فوقانی فن مذکور، دارای ورودی های متغیر جهت ورود و خروج هوای آزاد می باشد و بخش تحتانی نیز به دریچه های خروجی هوا در قسمت زیرین هواپیما مجهز می باشد. هوای خنک و آزاد پس از ورود به فن، با گازهای بسیار داغ از قسمت خروجی اگزوز ترکیب می شود و سپس از بخش تحتانی فن خارج می گردد و انجام این پروسه موجب معلق ماندن هواپیما در هوا می گردد. همچنین هوای موجود در بخش کنارگذر (Bypass) به 2 عدد نازل Roll Post نصب شده در طرفین بدنه منتقل می شود و جریان هوای باقی مانده در هسته مرکزی نیز از طریق نازل های Vectoring (نگهدارنده های  عمودی) نصب شده در قسمت پشت موتور خارج می گردد. طبق محاسبات انجام شده بر روی موتورهای F135 چنانچه خلبان با تنظیم حالت موتور، تمام نیروی تولید شده را صرف برخاست عمودی نماید، در آن لحظه 43% از عملکرد موتور در حالت Turbojet و 48% در حالت Turboshaft و 9% باقی مانده نیز در حالت Turbofan قرار می گیرد.

 

 

یکی از مهمترین اهداف موتورهای F135 در افزایش قابلیت اطمینان و همچنین تعمیرات آسان می باشد. این موتور نسبت به سایر نمونه های هم رده خود، دارای بخش های کمتری می باشد که نیازمند بهسازی و افزایش اطمینان بیشتر نسبت به کارایی آن است. تمام اجزاء موتورهای F135 تنها با استفاده از 6 ابزار دستی، قابل تعویض و ترمیم می باشند. علاوه بر این موارد، سامانه مدیریت سلامت موتور (Health Management System) به گونه ای طراحی شده است تا مسئولین تعمیر و نگهداری زمینی، بتوانند از تاریخ دقیق سرویس ها و تعمیرات دوره ای و همچنین بازیابی اشکالات موتور مطلع گردند. با اینجال کمپانی Pratt & Whitney معتقد است که با استفاده از این قبیل داده ها می توان زمان مورد نیاز و صرف شده جهت عیب یابی را تا 94% نسبت به سایر نمونه های قدیمی کاهش داد.

 

 

اساسا" موتورهای F135 و F136 جهت دستیابی به اهداف مافوق صوت و پیوستن به گروه Supercruise ها طراحی نشده اند، اما با اینحال در ماه August سال 2010 میلادی، کمپانی Pratt & Whitney در طول یک آزمایش حقیقی، نشان داد موتورهای F135 توانایی تولید 50.000 پوند نیروی پیشرانش را دارا می باشند.

انواع:

- F135-PW-100: مورد استفاده در F-35A و دارای قابلیت نشست و برخاست عادی. 
- F135-PW-400: مورد استفاده در نمونه ناو نشین F-35C و مخصوص عملیات دریایی. 
- F135-PW-600: مورد استفاده در F-35B و همراه با قابلیت نشست و برخاست عمودی.

 

 

مشخصات (بر اساس نمونه F135-PW-100):

ویژگی های عمومی:

نوع موتور: Turbofan همراه با پس سوز 
طول: 5.59 متر
قطر: 1.29 متر
وزن خالص: 1.701 کیلوگرم
سازنده: Pratt & Whitney آمریکا

اجزاء:

کمپرسور: محوری (Axial) دارای 3 تیغه کم فشار و 6 تیغه پر فشار
محفظه احتراق: کوچک و از نوع حلقوی (Annular)
توربین: یک تیغه پرفشار و دو تیغه کم فشار

کارایی:

حداکثر توان: 191.35 کیلونیوتن
مصرف سوخت: 25 گرم در ثانیه (با استفاده از حالت AB)