Il Pratt & Whitney F135-PW-600, l’apparato propulsivo dell’F-35B Stov/l
Il Pratt & Whitney F135 è un motore a turboventola con postbruciatore sviluppato per il caccia multiruolo F-35 Lightning II. La famiglia dei propulsori F135 ha diverse varianti, tra cui una versione convenzionale e una versione STOVL (Short Take Off Vertical Landing) che comprende una ventola per la spinta verticale chiamata Rolls-Royce LiftSystem. Il primo esemplare di produzione in versione STOVL è stato consegnato a dicembre 2010.
Sviluppo
Le origini del propulsore risalgono ad un programma DARPA del 1986 che mirava a sviluppare un aereo da caccia con capacità stealth e STOVL per il Corpo dei Marines statunitense da parte del team Skunk Works della Lockheed Martin. Paul Bevilaqua, un progettista della Lockheed concepì e brevettò un prototipo di aereo, e la Pratt & Whitney (P&W) sviluppò il propulsore. Questo dimostratore impiegava la ventola del primo stadio di un propulsore F119 come ventola di sollevamento, e le ventole del modello F100-220 per il propulsore. Inoltre venne impiegata la grande turbina a bassa pressione della versione F100-229, in modo da poter raggiungere la potenza necessaria per la ventola di sollevamento e un ugello a spinta variabile. Questo dimostratore fornì le basi per lo sviluppo del propulsore F135.
Al termine del 2010 il propulsore ha completato 20 000 ore di test, terminando la fase di sviluppo e di dimostrazione ed è stato consegnato il primo esemplare di produzione. Gli aerei F-35 utilizzeranno questo propulsore o il propulsore alternativo F136, sviluppato da un team GE/Rolls-Royce.
Il team di sviluppo del F135 è composto da Pratt & Whitney, Rolls-Royce e Hamilton Sundstrand. La P&W è il prime contractor ed è responsabile del propulsore principale e dell’integrazione dei sistemi, mentre la Rolls-Royce si occupa del sistema di sollevamento verticale per la versione STOVL e la Hamilton Sundstrand sviluppa principalmente il sistema di controllo elettronico, il sistema relativo al carburante e il sistema di attuatori. Il programma di sviluppo ha subìto un ritardo di 13 mesi.
Lo sviluppo del propulsore non è terminato, poiché è iniziato nel 2009 un progetto riguardante una versione del propulsore più durevole, in grado di aumentare la vita dei componenti chiave. Questi sono principalmente contenuti nelle parti calde del motore (la camera di combustione e le palette della turbina ad alta pressione), poiché le elevate temperature riducono la durata dei componenti. Il propulsore di test è chiamato XTE68/LF1.
Sotto pressione del Pentagono, la P&W mira a produrre l’F135 ad un prezzo inferiore rispetto all’F119, anche se questo è più potente.
Progetto
L’F-135 è un propulsore a turboventola con un compressore a tre stadi a bassa pressione e a sei stadi ad alta pressione. La sezione calda comprende un combustore anulare con una turbina a singolo stadio ad alta pressione e una turbina a doppio stadio a bassa pressione. Il postbruciatore contiene un ugello convergente-divergente variabile.
Le versioni convenzionale (F135-PW-100) e per portaerei (F135-PW-400) hanno una spinta con postbruciatore di circa 191 kN e una spinta a secco di circa 125 kN. La differenza principale tra i modelli 100 e 400 consiste nell’impiego di materiali resistenti alla corrosione del sale per la versione da portaerei.
La versione STOVL (F135-PW-600) ha le stesse prestazioni, con la produzione di 80,1 kN di spinta verticale. Combinata con la spinta della ventola di sollevamento (89,0 kN) e dei due ugelli posizionati nell’attaccatura delle ali per il controllo del rollio (8,67 kN ciascuno), il sistema Rolls-Royce LiftSystem raggiunge una spinta totale di 186 kN, quasi la stessa prodotta dal propulsore stesso in modalità postbruciatore, senza tuttavia l’ingente consumo di carburante e il calore dei gas di scarico.
Uno degli obiettivi primari del progetto F135 consisteva nel migliorare l’affidabilità e la facilità di manutenzione. Il propulsore è stato quindi progettato con un minor numero di componenti. Molti di essi, chiamati line-replaceable components, possono essere rimossi e sostituiti con l’ausilio di sei strumenti a mano. Inoltre, il sistema health management system permette di trasmettere ai tecnici a terra dati in tempo reale, permettendo la preparazione delle riparazioni prima che l’aereo ritorni alla base. Secondo il costruttore, questi dati possono ridurre drasticamente (fino al 94%) i tempi di riparazione e di diagnosi dei guasti rispetto ad un propulsore tradizionale.
I propulsori F135/F136 non sono stati progettati per volare in modalità supercrociera.
Design
Derivato dal motore F119, l’F135 è un turboventola postcombustione a flusso misto con una nuova ventola e turbina LP.
Esistono 2 varianti F135: il motore -100 e il motore -600. Altre fonti menzionano un motore -400, simile al -100, con la principale differenza nell’uso di materiali resistenti alla corrosione del sale. Il -600 è descritto di seguito con una spiegazione delle modifiche alla configurazione del motore che avvengono durante il volo stazionario. Il motore e il Rolls-Royce LiftSystem costituiscono l’Integrated Lift Fan Propulsion System (ILFPS).
Il sollevamento per la versione STOVL in hover è ottenuto da una ventola di sollevamento a 2 stadi (circa 46%) davanti al motore, un ugello di scarico vectoring (circa 46%) e un ugello in ciascuno ala utilizzando l’aria del ventilatore dal condotto di bypass (circa 8%). Questi contributi relativi al sollevamento totale si basano su valori di spinta di 18.680 lb, 18.680 lb e 3.290 lb rispettivamente. Un’altra fonte fornisce valori di spinta di 20.000 lb, 18.000 lb e 3.900 lb rispettivamente.
In questa configurazione la maggior parte del flusso di bypass viene convogliata agli ugelli alari, noti come colonne di rollio. Alcuni vengono utilizzati per raffreddare l’ugello di scarico posteriore, noto come ugello per condotto girevole a 3 cuscinetti (3BSD). Allo stesso tempo viene aperta una presa ausiliaria sulla parte superiore dell’aereo per fornire aria aggiuntiva al motore con una bassa distorsione durante il volo stazionario.
La turbina LP aziona la ventola di sollevamento attraverso un’estensione dell’albero sulla parte anteriore del rotore LP e una frizione. Il motore funziona come turboventola a flusso separato con un rapporto di bypass più elevato. La potenza per azionare il FAN (circa 30.000 SHP) è ottenuta dalla turbina LP aumentando l’area calda dell’ugello.
Un rapporto di bypass più elevato aumenta la spinta a parità di potenza del motore come conseguenza fondamentale del trasferimento di potenza da un getto propulsore di piccolo diametro ad uno di diametro maggiore. Quando l’F135 è in hovering utilizzando il rapporto di bypass notevolmente aumentato dalla ventola di sollevamento, l’aumento della spinta è del 50% senza aumento del flusso di carburante. L’aumento della spinta è del 52% in volo convenzionale quando si utilizza il postcombustore, ma con un notevole aumento del flusso di carburante.
Il trasferimento di circa 1 ⁄ 3 della potenza disponibile per la spinta dell’ugello caldo al ventilatore di sollevamento riduce la temperatura e la velocità del getto di sollevamento posteriore che colpisce il terreno. L’F-35 può raggiungere una velocità di crociera limitata al 100% senza postcombustori di Mach 1.2 per 150 miglia.
Come l’F119, l’F135 ha un potenziatore furtivo in cui le barre di spruzzatura tradizionali e i portafiamme vengono sostituiti da spesse alette curve rivestite con materiali ceramici assorbenti radar (RAM). Gli iniettori di carburante del postcombustore sono integrati in queste palette, che bloccano la linea di vista delle turbine, contribuendo alla furtività del settore di poppa. L’ugello assialsimmetrico è costituito da quindici alette parzialmente sovrapposte che creano un motivo a dente di sega sul bordo di uscita. Questo crea vortici di capannone e riduce la firma infrarossa del pennacchio di scarico. Secondo quanto riferito, l’efficacia è paragonabile a quella degli ugelli a cuneo dell’F119, pur essendo sostanzialmente più economica e con minore manutenzione.
Il motore utilizza sensori termoelettrici per monitorare la salute dei cuscinetti della turbina.
Migliorare l’affidabilità del motore e la facilità di manutenzione è un obiettivo principale per l’F135. Il motore ha meno parti rispetto a motori simili, il che migliora l’affidabilità. Tutti i componenti sostituibili in linea (LRC) possono essere rimossi e sostituiti con un set di sei utensili manuali comuni. Il sistema di gestione della salute dell’F135 è progettato per fornire dati in tempo reale ai manutentori sul campo. Ciò consente loro di risolvere i problemi e preparare le parti di ricambio prima che l’aereo ritorni alla base. Secondo Pratt & Whitney, questi dati possono aiutare a ridurre drasticamente i tempi di risoluzione dei problemi e di sostituzione, fino al 94% rispetto ai motori legacy.
Miglioramenti pianificati
Sebbene nessun servizio abbia emesso un requisito per un motore aggiornato, Pratt e Whitney sta cooperando con la Marina degli Stati Uniti su di un piano di miglioramento a due blocchi per il motore F135. Gli obiettivi del Blocco 1 sono un aumento del 7–10% della spinta e un consumo di carburante inferiore del 5–7%. I piani includono una migliore tecnologia di raffreddamento per le pale delle turbine; ciò aumenterebbe la longevità del motore e ridurrebbe sostanzialmente i costi di manutenzione. L’obiettivo del Blocco 2 è quello di lavorare con l’Adaptive Engine Transition Program della US Air Force, con l’intenzione di introdurre la tecnologia per un motore valutato a 45.000 libbre di spinta, da utilizzare in un caccia di sesta generazione.
Opzioni di crescita
GO1
Alla fine di maggio 2017 Pratt e Whitney ha annunciato che la F135 Growth Option 1 aveva terminato i test ed era disponibile per la produzione. L’aggiornamento richiede la modifica del modulo di potenza sui motori più vecchi e può essere facilmente inserito nei motori di produzione futuri con un aumento minimo del costo unitario e senza alcun impatto sul programma di consegna. L’opzione di crescita 1 offre un miglioramento del 6-10% di spinta attraverso l’inviluppo di volo dell’F-35, ottenendo anche una riduzione del consumo di carburante del 5-6%.
GO2
Nel giugno 2018, United Technologies, società madre di P&W, ha annunciato Growth Option 2.0 per contribuire a fornire una maggiore capacità del sistema di gestione della potenza e del calore (PTMS), fornendo opzioni agli operatori, ad esempio, se desiderano passare ad armi più pesanti.
Varianti:
- F135-PW-100 : utilizzato nella variante F-35A convenzionale di decollo e atterraggio (CTOL);
- F135-PW-400 : utilizzato nella variante navale F-35C costruita con materiali resistenti alla corrosione marina;
- F135-PW-600 : utilizzato nella variante di atterraggio verticale a decollo corto dell’F-35B.
Applicazioni:
- Lockheed Martin F-35 Lightning II.
Specifiche F135-PW-100
Caratteristiche generali:
- Tipo: due bobine, flusso assiale, turboventola aumentata
- Lunghezza: 220 in (559 cm)
- Diametro: 46 pollici (117 cm) max., 43 pollici (109 cm) all’ingresso della ventola
- Peso a secco: 3.750 lb (1.701 kg)
Componenti:
- Compressore: ventilatore a 3 stadi, compressore ad alta pressione a 6 stadi
- Combustori : combustore anulare
- Turbina : turbina ad alta pressione a 1 stadio, turbina a bassa pressione a 2 stadi
- Rapporto di bypass : 0,57: 1
Prestazioni:
- Spinta massima :
- 28.000 lbf (128 kN) di spinta militare,
- 43.000 lbf (191 kN) con postbruciatore
- Rapporto di pressione totale : rapporto di pressione totale 28: 1
- Temperatura ingresso turbina: 3.600 ° F (1.980 ° C; 2.260 K)
- Rapporto spinta / peso : 7,47: 1 spinta militare, 11,47: 1 aumentata.
F135-PW-600
Caratteristiche generali:
- Tipo: Two-bobina, a flusso assiale, aumentata turbofan con albero condotto ventola a distanza
- Lunghezza: 369 in (937,3 cm)
- Diametro: 46 pollici (116,8 cm) massimo, 43 pollici (109,2 cm) ingresso ventola, 53 pollici (134,6 cm) ingresso ventola di sollevamento
- Peso a secco:=;
Componenti:
- Compressore: ventilatore a 3 stadi, compressore ad alta pressione a 6 stadi, ventilatore di sollevamento a 2 stadi controrotante
- Combustori : combustore anulare
- Turbina : turbina ad alta pressione monostadio , turbina a bassa pressione a 2 stadi
- Rapporto di bypass : 0,56: 1 convenzionale, 0,51: 1 ascensore motorizzato.
Prestazioni:
- Spinta massima :
- Spinta militare di 27.000 lbf (120 kN)
- 41.000 lbf (182 kN) con postbruciatore
- 40.650 lbf (181 kN) in bilico
- Rapporto di pressione totale : rapporto di pressione totale 28:1 (convenzionale), rapporto di pressione totale 29: 1 (sollevatore motorizzato),
- Temperatura ingresso turbina: 3.600° F (1.980° C; 2.260 K)
- Rapporto peso / potenza.=.
(Web, Google, Wikipedia, You Tube)
