برات آند ويتني F135

محرك برات آند ويتني F135 هو محرك توربيني مروحي مزود بحارق لاحق، طُوّر خصيصًا لطائرة لوكهيد مارتن F-35 لايتنينغ II ، وهي طائرة مقاتلة هجومية أحادية المحرك. يتوفر بنسختين: نسخة الإقلاع والهبوط التقليدي ( CTOL ) المستخدمة في طائرتي F-35A وF-35C، ونسخة الإقلاع القصير والهبوط العمودي ثنائية الدورة ( STOVL ) المستخدمة في طائرة F-35B، والتي تتضمن مروحة رفع أمامية . ^{[ 1 ]} تم تسليم أولى محركات الإنتاج في عام 2009. ^{[ 2 ]}

تم تطوير محرك F135 من محرك برات آند ويتني F119 المستخدم في طائرة إف-22 رابتور ، وينتج قوة دفع تبلغ حوالي 125 كيلو نيوتن (28000 رطل) و 191 كيلو نيوتن (43000 رطل) مع استخدام الحارق اللاحق. ^{[ 3 ] [ 4 ]} تنافس محرك F135 مع محرك جنرال إلكتريك/رولز رويس F136 لتزويد طائرة إف-35 بالطاقة.    

نشأت فكرة طائرة F135 من قسم "سكونك ووركس" التابع لشركة لوكهيد ، وذلك ضمن جهود تطوير مقاتلة هجومية خفية ذات قدرة إقلاع وهبوط عمودي قصير (STOVL) لصالح سلاح مشاة البحرية الأمريكية، في إطار مشروع داربا لعام 1986 تحت رعاية برنامج المقاتلة المتقدمة ذات قدرة الإقلاع والهبوط العمودي القصير (ASTOVL)، وهو برنامج رائد سبق برنامج المقاتلة الهجومية المشتركة (JSF) الذي أدى في النهاية إلى تطوير طائرة F-35. قام المهندس بول بيفيلكوا من شركة لوكهيد بتطوير نموذج أولي للطائرة ونظام دفع يُسمى مروحة الرفع ذات الدفع المحوري (SDLF)، وحصل لاحقًا على براءة اختراع له، ثم توجه إلى شركة برات آند ويتني (P&W) لبناء محرك تجريبي. ^{[ 5 ] [ 6 ]} استخدم النموذج التجريبي الأرضي مروحة المرحلة الأولى من محرك F119 كمروحة رفع. استُخدمت مروحة المحرك وقلبه من طراز F100-PW-220 كقلب لمحرك النموذج التجريبي، بينما استُخدم التوربين الأكبر ذو الضغط المنخفض من طراز F100-PW-229 كتوربين الضغط المنخفض لمحرك النموذج التجريبي. ووفر التوربين الأكبر الطاقة الإضافية اللازمة لتشغيل مروحة الرفع عبر عمود الدوران ذي الضغط المنخفض، والذي يتم تشغيله بواسطة قابض في وضع الإقلاع والهبوط العمودي القصير (STOVL). وأُضيفت فوهة متغيرة الدفع لانحراف الدفع لإكمال محرك النموذج التجريبي "F100-229- Plus ". ^{[ N 1 ]} أثبت هذا المحرك التجريبي الأرضي جدوى مفهوم مروحة الرفع التي تعمل بواسطة عمود الدوران، ومهّد الطريق لتطوير محرك المقاتلة اليابانية (JSF) لاحقًا. ^{[ 8 ]}

استمر برنامج ASTOVL ضمن برنامج المقاتلة الخفيفة الوزن ذات التكلفة المعقولة (CALF) في عام 1993 قبل أن يُدمج لاحقًا في برنامج تكنولوجيا الضربات المتقدمة المشتركة (JAST)، الذي أُعيدت تسميته إلى JSF في عام 1995. وبموجب برنامج JSF، مُنحت عقود تصميم طائرات تجريبية صالحة للطيران في عام 1996 لشركتي لوكهيد مارتن وبوينغ لتصميم المركبات الجوية، ولشركة برات آند ويتني (P&W) لتصميم نظام الدفع الأولي. ^{[ N 2 ]} طورت شركة برات آند ويتني محرك JSF من محركها التوربيني المروحي F119 ، الذي يُشغل طائرة F-22 رابتور ، تحت اسم "F119-JSF". وتم اختبار نظام نموذجي صالح للطيران، يتضمن مروحة رفع تعمل بعمود، ويُسمى "YF119-PW-611"، على طائرة لوكهيد مارتن التجريبية X-35 ، وحلّق لأول مرة في عام 2000. كما صنعت شركة برات آند ويتني نموذجًا أوليًا آخر، هو "YF119-PW-614"، لطائرة بوينغ X-32 المنافسة ، والتي كانت مزودة بنظام رفع مباشر. في اختبارات الطيران، استطاعت الطائرة X-35B إثبات قدرتها على الإقلاع والهبوط العمودي القصير (STOVL) من ارتفاع 150 مترًا (500 قدم) ، ثم حلّقت بسرعة تفوق سرعة الصوت قبل أن تهبط عموديًا. ^{[ 9 ]} تفوّق تصميم X-35 على تصميم X-32 في منافسة برنامج المقاتلة المشتركة (JSF)، وشكّل محرك YF119-611 الأساس لمحرك F135، الذي يدمج نواة محرك F119 مع مكونات جديدة مُحسّنة خصيصًا لبرنامج JSF. ^{[ 10 ]}  

يتألف فريق F135 من برات آند ويتني ، ورولز رويس ، وهاملتون ساندستراند . برات آند ويتني هي المقاول الرئيسي للمحرك الرئيسي وتكامل الأنظمة. رولز رويس مسؤولة عن نظام الرفع العمودي للطائرة ذات الإقلاع والهبوط العمودي القصير (STOVL). هاملتون ساندستراند مسؤولة عن نظام التحكم الإلكتروني للمحرك، ونظام التشغيل، ووحدة PMAG، وعلبة التروس، وأنظمة مراقبة الحالة. وودوارد مسؤولة عن نظام الوقود. يتم تجميع F135 في مصنع بمدينة ميدلتاون، كونيتيكت . تُصنع بعض أجزاء المحرك في لونغوي ، كيبيك، كندا، ^{[ 11 ]} وفي بولندا. ^{[ 12 ]} كان من المقرر تسليم أول نظام دفع إنتاجي للخدمة التشغيلية في عام 2007 بهدف خدمة الولايات المتحدة والمملكة المتحدة وعملاء دوليين آخرين. بدأ إنتاج طائرات إف-35 الأولى بمحركات إف-135، لكن فريق جنرال إلكتريك / رولز رويس خطط لتطوير محرك إف-136 بديل في يوليو 2009. وفي عام 2010، خطط البنتاغون لطرح نظامي الدفع في مناقصة تنافسية. ومع ذلك، منذ عام 2006، لم تطلب وزارة الدفاع تمويلًا لبرنامج محرك إف-136 البديل، لكن الكونغرس حافظ على تمويل البرنامج. ^{[ 13 ]}

في عام 2009، طورت شركة برات آند ويتني نسخة أكثر متانة من محرك F135 لزيادة العمر الافتراضي للأجزاء الرئيسية. وقد انخفض العمر الافتراضي لهذه الأجزاء لأن الأجزاء الساخنة من المحرك (غرفة الاحتراق وشفرات التوربين عالي الضغط تحديدًا) كانت تعمل بدرجة حرارة أعلى من المتوقع. يُطلق على محرك الاختبار اسم XTE68/LF1 ، ومن المتوقع أن تبدأ الاختبارات في عام 2010. ^{[ 14 ]} وقد تسبب هذا التصميم الجديد في "زيادة كبيرة في التكاليف". ^{[ 15 ]}

توقعت شركة برات آند ويتني (P&W) تسليم محرك F135 بتكلفة أقل من محرك F119، على الرغم من كونه محركًا أقوى. ^{[ 16 ]} إلا أنه في فبراير 2013، تم اكتشاف شفرة توربينية متصدعة خلال فحص دوري. وقد نتج التصدع عن تشغيل المحرك عند درجات حرارة عالية لفترات أطول من المعتاد. ^{[ 17 ]} وفي ديسمبر 2013، تعطلت مروحة المرحلة الأولى المجوفة عند 77% من عمرها الافتراضي المتوقع خلال اختبار أرضي. وكان من المقرر استبدالها بجزء صلب، مما أضاف 2.7 كيلوغرام (6 أرطال) إلى وزنها. ^{[ 18 ]} وفي عام 2013، تم ضبط موظف سابق في شركة برات آند ويتني وهو يحاول شحن "صناديق عديدة" تحتوي على معلومات حساسة حول محرك F135 إلى إيران. ^{[ 19 ]}  

على الرغم من الصعوبات، تم تسليم المحرك رقم 100 في عام 2013. ^{[ 20 ]} تم الاتفاق على مشروع الإنتاج الأولي منخفض المعدل السادس (LRIP-6) في عام 2013 مقابل 1.1 مليار دولار أمريكي لـ 38 محركًا من أنواع مختلفة، مما ساهم في خفض تكلفة الوحدة. ^{[ 21 ]}

انتقد الفريق كريستوفر سي. بوغدان، المسؤول التنفيذي عن برنامج إف-35 التابع لسلاح الجو الأمريكي، شركة برات آند ويتني (P&W) لتقصيرها في جودة تصنيع المحركات وبطء عمليات التسليم. ^{[ 22 ]} وصرح نائبه، الأدميرال راندي ماهر، بأن شركة برات آند ويتني أوقفت جهودها لخفض التكاليف بعد "احتكارها للسوق". ^{[ 23 ]} وفي عام 2013، ارتفع سعر طائرة إف-135 بمقدار 4.3 مليار دولار. ^{[ 24 ]}

في مايو/أيار 2014، اكتشفت شركة برات آند ويتني وثائق متضاربة حول مصدر مادة التيتانيوم المستخدمة في بعض محركاتها، بما في ذلك محرك F135. وقد خلصت الشركة إلى أن هذا التضارب لا يشكل خطرًا على سلامة الطيران، إلا أنها أوقفت تسليم المحركات نتيجة لذلك. أيد بوغدان إجراءات برات آند ويتني، وقال إن المشكلة تكمن الآن في شركة إيه آند بي ألوويز، الموردة. وذكرت وكالة إدارة عقود الدفاع الأمريكية في يونيو/حزيران 2014 أن "سوء إدارة برات آند ويتني المستمر للموردين هو السبب الرئيسي وراء زيادة الإخطارات المتعلقة بالمشاكل المحتملة". وأكدت إيه آند بي ألوويز ثقتها بمنتجها رغم عدم منحها إمكانية الوصول إلى الأجزاء لإجراء اختباراتها الخاصة. وقالت تريسي مينر، المحامية في شركة ديميو للمحاماة في بوسطن، والتي تمثل إيه آند بي ألوويز: "من الظلم الصارخ تدمير أعمال إيه آند بي دون السماح لها بالوصول إلى المواد المعنية" ^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ].}

في يوليو/تموز 2014، وقع عطلٌ مفاجئٌ في دوّار المروحة أثناء استعداد الطائرة للإقلاع. اخترقت الأجزاء خزان الوقود وتسببت في نشوب حريق، ما أدى إلى إيقاف أسطول طائرات إف-35 عن الطيران. ^{[ 28 ]} خلال مناوراتٍ عالية القوة قبل ثلاثة أسابيع من الرحلة، تسبب انثناء المحرك في احتكاكٍ مفرطٍ عند مانع التسرب بين ريشة المروحة وجزءها الثابت، ما أدى إلى بدء العطل الوشيك. تسبب الاحتكاك في ارتفاع درجة الحرارة إلى أكثر من 1000  درجة مئوية (1900  درجة فهرنهايت)، متجاوزةً بكثير الحد الأقصى المسموح به للمادة وهو 540  درجة مئوية (1000  درجة فهرنهايت). ظهرت شقوقٌ دقيقةٌ في شفرات مروحة المرحلة الثالثة، وفقًا لمدير البرنامج كريستوفر بوغدان، ما أدى إلى انفصال الشفرات عن القرص. ثقبت الشفرات المعطلة خزان الوقود، وتسبب اختلاط الهواء الساخن بالوقود في نشوب الحريق. ^{[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]} كحل مؤقت، يتم تشغيل كل طائرة وفق مسار طيران محدد للسماح لمانع تسرب الدوار بتآكل أخدود التزاوج في الجزء الثابت لمنع الاحتكاك المفرط. ^{[ 32 ]}

تمكنت شركة برات آند ويتني من تحقيق أهدافها الإنتاجية لعام 2015، ولكن "مشاكل جودة التصنيع المتكررة" في شفرات التوربينات وأنظمة التحكم الإلكترونية استدعت سحب بعض المحركات من الأسطول. ^{[ 33 ]}

يُعدّ محرك F135، المُشتق من محرك F119 ، محركًا توربينيًا مروحيًا ذو تدفق مختلط واحتراق لاحق، ويستخدم قلبًا مشابهًا لمحرك F119 مع مروحة جديدة وتوربين ضغط منخفض. ^{[ 34 ]} يوجد نوعان من محرك F135: -100 و-600. ^{[ 1 ]} ويُذكر وجود نسخة -400، مشابهة للنسخة -100، ويكمن الاختلاف الرئيسي في استخدام مواد مقاومة للتآكل الناتج عن الملح. ^{[ 35 ] [ 36 ]} وسيتم وصف النسخة -600 أدناه مع شرح لتغييرات تكوين المحرك التي تُجرى للتحليق. ويُشكّل المحرك ونظام الرفع من رولز رويس نظام الدفع المتكامل بالمروحة والرفع (ILFPS). ^{[ 37 ] [ 38 ]}

يُستمد الدفع العمودي لنسخة الإقلاع والهبوط العمودي القصير (STOVL) من مروحة رفع ثنائية المراحل (حوالي 46% ^{[ 39 ]} ) أمام المحرك، وفوهة عادم موجهة (حوالي 46% ^{[ 39 ]} )، وفوهة في كل جناح تستخدم هواء المروحة من قناة التجاوز (حوالي 8% ^{[ 39 ]} ). تستند هذه المساهمات في قوة الرفع الكلية إلى قيم دفع تبلغ 18,680 رطل قوة (83.1 كيلو نيوتن) ، و 18,680 رطل قوة (83.1 كيلو نيوتن) ، و 3,290 رطل قوة (14.6 كيلو نيوتن) على التوالي. ^{[ 39 ]} بينما يُشير مصدر آخر إلى قيم دفع تبلغ 20,000 رطل قوة (89 كيلو نيوتن) ، و 18,000 رطل قوة (80 كيلو نيوتن) ، و 3,900 رطل قوة (17 كيلو نيوتن) على التوالي. ^{[ 40 ]}            

في هذا التصميم، يُوجَّه معظم تدفق الهواء الجانبي إلى فوهات الجناح، المعروفة باسم فوهات الدوران. ويُستخدم جزء منه لتبريد فوهة العادم الخلفية، المعروفة باسم فوهة القناة الدوارة ثلاثية المحامل (3BSD). ^{[ 41 ]} في الوقت نفسه، يُفتح مدخل هواء إضافي أعلى الطائرة لتوفير هواء إضافي للمحرك مع تشويه منخفض أثناء التحليق. ^{[ 34 ]}

يقوم التوربين ذو الضغط المنخفض بتدوير مروحة الرفع عبر امتداد عمود في مقدمة دوار الضغط المنخفض وقابض. يعمل المحرك كمحرك توربيني مروحي ذي تدفق منفصل بنسبة تجاوز أعلى. ^{[ 42 ]} يتم الحصول على القدرة اللازمة لتشغيل المروحة - حوالي 30,000 حصان (22,000 كيلوواط) ^{[ 42 ]} - من التوربين ذي الضغط المنخفض عن طريق زيادة مساحة الفوهة الساخنة. ^{[ 42 ]}  

تؤدي زيادة نسبة التجاوز إلى زيادة قوة الدفع لنفس قدرة المحرك، كنتيجة أساسية لنقل الطاقة من محرك نفاث صغير القطر إلى محرك نفاث أكبر قطرًا. ^{[ 43 ]} عندما يوفر محرك F135 قوة رفع عمودية باستخدام نسبة التجاوز المتزايدة من مروحة الرفع، تصل زيادة قوة الدفع إلى 50% ^{[ 39 ]} دون زيادة في تدفق الوقود. أما في الطيران التقليدي عند استخدام الحارق اللاحق، فتصل زيادة قوة الدفع إلى 52% ^{[ 39 ]} ، ولكن مع زيادة كبيرة في تدفق الوقود.

^يؤدي نقل ما يقارب ثلث الطاقة المتاحة لدفع الفوهة الساخنة إلى مروحة الرفع إلى خفض درجة حرارة وسرعة نفث الرفع الخلفي المصطدم بالأرض. ^{[ 44 ]} يمكن للطائرة إف-35 أن تحقق سرعة طيران محدودة تبلغ 1.2 ماخ لمسافة 240 كم (150 ميلاً؛ 130 ميلاً بحرياً) دون ^{استخدام الحارق} اللاحق . ^{[ 45 ]}   

على غرار محرك F119، يتميز محرك F135 بنظام تعزيز خفي، حيث استُبدلت قضبان الرش التقليدية وحوامل اللهب بريش سميكة منحنية مطلية بمواد خزفية ماصة للرادار (RAM). دُمجت حاقنات وقود الاحتراق اللاحق في هذه الريش، مما يحجب خط رؤية التوربينات، ويساهم في التخفي في الجزء الخلفي من المحرك. تتكون الفوهة المحورية المتناظرة من خمس عشرة رفرفة متداخلة جزئيًا تُشكل نمطًا مسننًا عند الحافة الخلفية. يُؤدي هذا إلى توليد دوامات مُنفصلة ويُقلل من البصمة الحرارية لعمود العادم. يُقال إن فعالية هذا النظام تُضاهي فعالية فوهات F119 الإسفينية، مع كونه أكثر فعالية من حيث التكلفة وأقل تكلفة في الصيانة. ^{[ 46 ]}

يستخدم المحرك أجهزة استشعار تعمل بالطاقة الكهروحرارية لمراقبة حالة محامل التوربين . ^{[ 47 ]}

يُعدّ تحسين موثوقية المحرك وسهولة صيانته هدفًا رئيسيًا لمحرك F135. يحتوي هذا المحرك على عدد أقل من الأجزاء مقارنةً بالمحركات المماثلة، مما يُحسّن موثوقيته. يمكن إزالة جميع المكونات القابلة للاستبدال في خط الإنتاج (LRCs) واستبدالها باستخدام مجموعة من ست أدوات يدوية شائعة. ^{[ 48 ]} صُمّم نظام إدارة حالة محرك F135 لتوفير بيانات فورية لفنيي الصيانة على الأرض. يُمكّنهم ذلك من تشخيص الأعطال وتجهيز قطع الغيار قبل عودة الطائرة إلى القاعدة. ووفقًا لشركة برات آند ويتني، قد تُساعد هذه البيانات في تقليل وقت تشخيص الأعطال واستبدال القطع بشكل كبير، بنسبة تصل إلى 94% مقارنةً بالمحركات القديمة. ^{[ 49 ]}

• F135-PW-100/400 : يستخدم في طرازات F-35A للإقلاع والهبوط التقليدي (CTOL) وطرازات F-35C البحرية (CV)؛ يتضمن الطراز البحري مواد مقاومة للتآكل الملحي ^{[ 57 ].}
• F135-PW-600 : يستخدم في طراز F-35B للإقلاع القصير والهبوط العمودي (STOVL) ^{[ 57 ]}

• لوكهيد مارتن إف-35 لايتنينغ 2

• نظام الرفع من رولز رويس

التطورات ذات الصلة

• برات آند ويتني F119

محركات مماثلة

• جنرال إلكتريك/رولز رويس F136

قوائم ذات صلة

• قائمة محركات الطائرات

ملحوظات

الاقتباسات

فهرس

• برات آند ويتني F135 على موقع برات آند ويتني الإلكتروني
• www.jsf.mil: معرض صور طائرات إف-135
• كيف يتم صنع أقوى محرك طائرة مقاتلة في العالم - سام إيكهولم (جولة فيديو في طائرة F135 وموقع تصنيعها)