جنرال إلكتريك YF120

بدأت شركة جنرال إلكتريك (GE) بتطوير محرك GE37، الذي أصبح فيما بعد أساس محركي XF120 وYF120، ضمن برنامج محرك المقاتلة المتقدمة المشترك (JAFE) في أوائل ثمانينيات القرن الماضي، بهدف تزويد مقاتلة القوات الجوية التكتيكية المتقدمة (ATF) ومقاتلة البحرية متعددة المهام المتقدمة المحمولة على حاملات الطائرات (VFMX) بالطاقة. لاحقًا، أُعيد تسمية برنامج JAFE إلى محرك ATF (ATFE) بعد إلغاء برنامج VFMX. طُوّرت التقنية الأساسية المستخدمة في تصميم محرك F120 خلال برنامجين مشتركين بين الصناعة والحكومة، وهما برنامج مولد الغاز لمحرك التكنولوجيا المتقدمة (ATEGG) وبرنامج محرك العرض التوضيحي للتكنولوجيا المشتركة (JTDE). ^{[ 1 ]} كان الهدف من التصميم تلبية متطلبات التحليق بسرعة تفوق سرعة الصوت المطلوبة لمقاتلة ATF. ^{[ 2 ]} هذا يعني أن المحرك كان عليه توليد قوة دفع جافة كبيرة (بدون استخدام الحارق اللاحق)، وبالتالي تحقيق كفاءة عالية خارج نطاق التصميم ("التصميم" هنا يعني ظروف التحليق القياسية). على عكس شركة برات آند ويتني المنافسة ، اختارت جنرال إلكتريك عدم تطوير محرك توربيني مروحي تقليدي ذي نسبة تجاوز ثابتة ، واختارت بدلاً من ذلك تصميم محرك ذي دورة متغيرة . ^{[ 3 ]} تشمل الابتكارات الإضافية استخدام أقراص وشفرات دوارة من قطعة واحدة، أو ما يُعرف بـ"الشفرات الدوارة المدمجة"، في مرحلتي المروحة والضاغط لزيادة الأداء والمتانة، فضلاً عن تقليل الوزن وعدد الأجزاء. وقد نصّ طلب تقديم العروض الأصلي على تحقيق أقصى قوة دفع في فئة 30,000 رطل (133 كيلو نيوتن) . ^{[ 4 ]}  

تتطلب مرحلة العرض والتحقق من صحة محرك ATF (Dem/Val) تحليق نماذج أولية تجريبية مزودة بمحركات نموذجية لإثبات جدوى المفهوم وتقليل المخاطر. ونظرًا لزيادة وزن محرك ATF خلال مرحلة التطوير من 22,700 كجم (50,000 رطل) إلى 27,200 كجم (60,000 رطل) ، فقد زادت متطلبات الدفع بنسبة 20% لتتجاوز 105 كيلو نيوتن (23,500 رطل) في وضع الطاقة العسكرية/المتوسطة، و 156 كيلو نيوتن (35,000 رطل) في وضع الاحتراق اللاحق الكامل، وذلك لتلبية متطلبات الأداء. وقد عدّلت شركة جنرال إلكتريك تصميمها ليشمل مروحة أكبر بنسبة 12% لزيادة تدفق الهواء وتبريده، لا سيما للفوهات. ولأغراض العرض التجريبي، زُوّدت طائرات YF120 بالمروحة الأكبر، على عكس طائرة YF119 التي استخدمت مروحتها الصغيرة الأصلية. ونتيجةً لذلك، حققت كلتا الطائرتين التجريبيتين أداءً أفضل مع محركات YF120 مقارنةً بمحركات YF119. ^{[ 5 ]} وقد مكّن محرك YF120 الطائرتين YF-22 وYF-23 من الوصول إلى سرعات تفوق سرعة الصوت عند التحليق بسرعة 1.58 ماخ و 1.72 ماخ على التوالي. ^{[ 6 ] [ 7 ] [ N1 ]}          

تم اختبار نموذج التطوير الهندسي والتصنيعي (EMD) لمحرك F120 في ديسمبر 1990. وقد مكّنت التحسينات التي أُدخلت على مكوناته من تحقيق مستويات دفع مماثلة لمحرك YF120 عند درجات حرارة أقل. ^{[ 9 ]} في نهاية المطاف، اختارت القوات الجوية الأمريكية مقترح برات آند ويتني لمحرك F119 للتطوير والإنتاج على نطاق واسع. واعتُبر تصميم F120 الأكثر طموحًا أكثر خطورة، كما أن شركة جنرال إلكتريك أجرت ساعات اختبار أقل من شركة برات آند ويتني. ^{[ 10 ]}

اقترح محرك YF120 أيضًا كأساس لمحرك أكثر تطورًا، وهو محرك الدورة المركبة القائم على التوربينات (TBCC)، والذي كان من المقرر استخدامه في طائرات تجريبية مثل X-43B وطائرات فرط صوتية مستقبلية. وبالتحديد، كان من المقرر أن يكون YF120 أساسًا لمسرع التوربينات الثوري (RTA-1). وكان من المقرر توسيع نطاق تقنية الدورة المتغيرة المستخدمة في YF120 ليس فقط لتحويل المحرك إلى محرك نفاث توربيني ، بل أيضًا إلى محرك نفاث تضاغطي . في هذا الوضع، كان تدفق الهواء بالكامل يتجاوز قلب المحرك ويُحوّل إلى "حارق فائق" يشبه غرفة الاحتراق اللاحقة، حيث يحترق كما في المحرك النفاث التضاغطي. وكان من المقرر أن يتسارع هذا المحرك المقترح من صفر إلى 4.1 ماخ (على ارتفاع 56,000  قدم) في ثماني دقائق. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

تم تطبيق تقنية محرك YF120 على تصاميم جنرال إلكتريك اللاحقة؛ ففي تسعينيات القرن الماضي، بدأت جنرال إلكتريك وشركة أليسون للمحركات ورولز رويس (التي استحوذت عليها رولز رويس عام 1995) بتطوير محرك F136 بشكل مشترك ، والذي كان يُطلق عليه في البداية اسم "YF120-FX"، لبرنامج المقاتلة الضاربة المشتركة ، مما أدى إلى اختيار شركة لوكهيد مارتن لتطوير وإنتاج طائرة إف-35 لايتنينغ 2. وبينما استفاد محرك F136 من الدروس المستفادة من محرك YF120، إلا أنه تصميم تقليدي ذو مسار جانبي ثابت؛ كما استفاد من التطورات في تكنولوجيا محركات التوربينات من برنامج تكنولوجيا محركات التوربينات عالية الأداء المتكاملة (IHPTET)، الذي واصل تطويرات برنامجي ATEGG وJTDE. ^{[ 13 ]} وعلى الرغم من إمكانات الأداء الأفضل من محرك برات آند ويتني F135 الحالي بفضل قلب أكبر حجماً مصمم خصيصاً لمدخل الهواء المُعدّل في طائرة إف-35، فقد أُلغي مشروع محرك F136 في نهاية المطاف بسبب نقص التمويل. ^{[ 14 ]}

على الرغم من عدم اختيار محرك YF120 لبرنامج ATF، إلا أن القوات الجوية الأمريكية ستواصل تطوير تقنية المحركات ذات الدورة المتغيرة من خلال برنامج المحركات التوربينية المتقدمة متعددة الاستخدامات وبأسعار معقولة (VAATE)، وهو جهد مشترك بين الحكومة والصناعة يهدف إلى تلبية احتياجات محركات التوربينات المستقبلية. وبموجب برنامج VAATE، سيواصل برنامج تقنية المحركات متعددة الاستخدامات والمتكيفة (ADVENT) تطوير تقنية المحركات التوربينية ذات الدورة المتغيرة إلى بنية ثلاثية التدفقات قابلة للتكيف. ^{[ 15 ]} وقد أسفر برنامجا عرض تقنية المحركات التكيفية (AETD) وبرنامج انتقال المحركات التكيفية (AETP) اللاحقان عن تطوير محركي GE XA100 و P&W XA101 لإعادة تزويد طائرة F-35 بالمحركات؛ كما تم إطلاق برنامج الدفع التكيفي من الجيل التالي (NGAP) لتطوير محركي GE XA102 و P&W XA103 لبرنامجي الهيمنة الجوية من الجيل التالي و F/A-XX ، وهما البرنامجان اللذان خلفا برنامج ATF. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

يعمل نظام الدورة المتغيرة في محرك YF120 عن طريق تغيير نسبة الالتفاف الجانبي للمحرك وفقًا لأنظمة الطيران المختلفة، مما يسمح للمحرك بالعمل إما كمحرك توربيني مروحي ذي نسبة التفاف جانبي منخفضة أو كمحرك نفاث توربيني تقريبًا. ^{[ 3 ]} عند استخدامه كمحرك توربيني مروحي ذي نسبة التفاف جانبي منخفضة (مثل محرك F119 المنافس )، كان أداء المحرك مشابهًا للمحركات المماثلة، حيث تكون قناة الالتفاف الجانبي الخلفية خلف مرحلة المروحة التي تعمل بالقلب مفتوحة. ولكن عند الحاجة، يمكن للمحرك توجيه المزيد من تدفق الهواء عبر قلب المحرك الساخن (مثل المحرك النفاث التوربيني) عن طريق إغلاق قناة الالتفاف الجانبي الخلفية، مما يزيد من قوة الدفع النوعية للمحرك. هذا يجعل المحرك أكثر كفاءة على ارتفاعات عالية ومستويات دفع عالية من المحرك التوربيني المروحي التقليدي ذي نسبة الالتفاف الجانبي المنخفضة. تتم مطابقة ضغط المروحة مع ضغط القلب بواسطة حاقن التفاف جانبي ذي مساحة متغيرة (VABI). ^{[ 22 ] [ 23 ]}

An expected disadvantage of this variable cycle system would be increased complexity and weight. GE claims to have combated this by using simple pressure driven valves rather than complex mechanically actuated valves to divert airflow. GE stated that this system resulted in the variable cycle system adding only 10 lb (4.5 kg) to the engine.^[3] Additionally, a production F120 engine was expected to have 40% fewer parts than the F110 engine.^[13]

The YF120 had different nozzle designs for the YF-22 and YF-23 technology demonstrator prototypes tailored to the specific airframe.

The engine for the YF-22 featured a rectangular two-dimensional thrust vectoring nozzle that could vector in the pitch direction. This capability gave the aircraft a serious advantage in pitch agility by greatly increasing the amount of nose pitching moment available to the aircraft. The pitching moment is traditionally generated by the horizontal stabilizer (and/or canard, if applicable), but with a thrust vectoring nozzle that moment can be augmented by the thrust of the engine. During high angle of attack (AoA) demonstrations, the YF120-powered YF-22 flew at trimmed AoA of 60° at 82 knots (152 km/h). At this attitude the aircraft was able to demonstrate controllability. Later analysis revealed that the aircraft could have maintained controlled, trimmed flight up to 70° AoA.^[24] The wedge shapes of the nozzle flaps also reduce the infrared signature by flattening the exhaust plume and mixing it with shed vortices for cooling.^[25]

On the YF-23, rather than a thrust-vectoring nozzle, the engine had a single-expansion ramp nozzle (SERN), with the top consisting of a variable external flap, or paddle, to control the nozzle area while the bottom was a fixed ramp. The engines were placed well forward of the trailing edge of the YF-23's aft fuselage, where the nacelle at each nozzle transitions to a trough on top of the fuselage aft deck that the exhaust flowed through and was lined with heat-resistant material. This allowed the exhaust plume to be rapidly cooled before exiting the aircraft, significantly reducing the infrared signature particularly when viewed from below; the heat-resistant material of the troughs in the aft deck were tiles that were made out of a porous material called "Lamilloy" from Detroit Diesel Allison and "transpiration cooled" from engine bleed air to withstand the heat of the exhaust.^[25]