F-35A e C e NGAD: in che modo i motori AETP potrebbero aumentare la velocità, il carico utile e il raggio d’azione

by AvioBlog · 2 Maggio 2022

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Il motore adattivo di nuova generazione GE Aviation XA-100, ha lo scopo di aggiornare l’F-35 e spingere i futuri programmi di caccia NGAD: utilizzano principalmente compositi a matrice ceramica (CMC).

Gli ingegneri GE vedono le parti CMC volare nei motori commerciali di tutto il mondo. GE dispone della prima e unica catena di fornitura CMC integrata del settore e ha già sfornato centinaia di migliaia di questi componenti per combattere il caldo nelle aree più calde dei motori di oggi.

Il motore adattivo di nuova generazione, XA100, è dimensionato e ottimizzato per il Lockheed Martin F-35, ma la tecnologia di propulsione costituisce anche la base per il sistema che alimenterà il Next Generation Air Dominance (NGAD) della US Air Force, il programma di sesta generazione.

Le CMC avvantaggiano le prestazioni del motore in tre aree rispetto alle loro controparti tradizionali in metallo: resistenza al calore, peso e durata.

Le protezioni della turbina CMC di GE hanno superato i 10 milioni di ore di volo nella sezione più calda del motore CFM LEAP nel 2021 e più di 100.000 di queste protezioni della turbina sono state prodotte su larga scala in uno stabilimento di produzione all’avanguardia ad Asheville, nel nord Carolina.

Il più grande motore commerciale del mondo, il GE9X, ha cinque diverse parti CMC nella sua sezione calda.

Questo successo commerciale ha dimostrato che ingegneri e leader del programma sono ottimisti riguardo alla CMC e al suo impatto su un nuovo motore nel settore militare di GE: l’XA100 Adaptive Cycle Engine.

L’XA100 di GE è progettato per passare dalla modalità ad alta spinta a quella ad alta efficienza, consentendogli di adattarsi a qualsiasi situazione che un jet militare potrebbe incontrare nell’aria. Nel dicembre 2020, è diventato il primo motore a ciclo adattivo a tre flussi in assoluto ad accendersi.

Utilizzando materiali tradizionali, sarebbe stato un compito arduo creare un motore con il 25% in più di efficienza del carburante, oltre il 10% in più di spinta e una capacità di gestione termica significativamente maggiore. Ma le parti CMC dell’XA100 aiutano a cambiarlo.

“L’XA100 fa l’uso più ampio di CMC di qualsiasi motore commerciale o militare. Le parti CMC ci aiutano a sfruttare il risparmio di peso e l’efficienza termica per ottenere prestazioni trasformative in un pacchetto dimensionato per l’F-35″, afferma David Tweedie, direttore generale di GE Edison Works per Advanced Combat Engines.

“GE sa come realizzare parti metalliche. Li ottimizziamo da quando produciamo motori”, afferma Ernesto Vallejo, un progettista XA100 che lavora direttamente con le parti delle CMC. “Le CMC sono la prossima frontiera. La flessibilità extra che si ottiene quando si progetta con le CMC è una parte importante di ciò che rende il design dell’XA100 più rivoluzionario ed eccitante di qualsiasi altro motore da combattimento in circolazione”.

L’incorporazione di questo super materiale nel motore faceva parte del piano fin dall’inizio. Il prototipo di motore di GE per il programma ADVENT dell’Air Force, che ha portato all’XA100, ha stabilito un record mondiale per la più alta temperatura combinata di compressore e turbina grazie in parte alle CMC.

GE ha anche utilizzato le prime lame CMC rotanti al mondo all’interno di un motore F414, convalidando la capacità del materiale di resistere all’ambiente difficile all’interno di un motore militare ad alte prestazioni attraverso 1.000 cicli di test.

Per gli aerei da combattimento come l’F-35, una maggiore durata in condizioni calde e difficili è fondamentale. Mentre i ricercatori del GE Research Center di Upstate New York cercavano di illustrare la robustezza di una parte CMC, hanno deciso di fare alcune riprese, sia con una fotocamera che con una sfera d’acciaio puntata su una CMC e piastre non CMC.

“GE è una società leader. Abbiamo già molta esperienza, ma stiamo ancora tracciando un nuovo territorio per vedere dove potrebbero portarci le CMC”, ha aggiunto Vallejo. “È solo una tecnologia impressionante. Quando giungono in fabbrica visitatori per vedere la nostra operazione, “wow” è una risposta piuttosto tipica”.

Un tempo considerata un’idea inverosimile, la scommessa di GE sulla tecnologia dei compositi a matrice ceramica (CMC) è ora considerata una storia di successo e una tecnologia centrale per i futuri programmi sui motori.

L’XA100 è un prodotto di GE Edison Works, una business unit dedicata alla ricerca, sviluppo e produzione di soluzioni militari avanzate. Questa unità aziendale ha la piena responsabilità della strategia, dell’innovazione e dell’esecuzione di programmi avanzati.

I motori dei velivoli da combattimento sono frutto di un compromesso intrinseco. Se vuoi più potenza, paghi rinunciando all’autonomia operativa. Vuoi più autonomia? Ti costerà in potenza. Ogni generazione di motori a reazione ha affrontato questa regola immodificabile.

C’è un altro modo per affrontare questa sfida?

Il lavoro della General Electric nel programma Adaptive Engine Technology dell’USAF supera questo compromesso intrinseco incorporando la capacità di cambiare le dinamiche di potenza in volo. Il suo motore XA100 può riconfigurarsi in volo da produrre maggiore potenza e più efficienza.

“L’Air Force è giunta alla conclusione all’inizio degli anni 2000 che con la tecnologia dei motori da caccia attuali, cercare di spremere i successivi miglioramenti incrementali nell’architettura legacy non li avrebbe portati dove avrebbero desiderato”, lo ha affermato David Tweedie, direttore generale per Advanced Combat Engines presso GE Edison Works. “Hanno stabilito che avevano bisogno di un salto generazionale nella capacità di propulsione”.

Ottenere maggiore efficienza dai motori turbofan che alimentano l’F-15 Eagle e l’F-16 Fighting Falcon, e ora l’F-35 Lightning II, non sembrava possibile. L’aviazione statunitense aveva bisogno di un’altra soluzione. Ora, 14 anni dopo aver avviato i programmi di tecnologia dei motori a ciclo adattivo, GE afferma di avere una risposta pronta a fornire quel salto generazionale di capacità, non solo un miglioramento incrementale, per l’F-35A e l’F-35C.

Il GE XA100 e il suo design a ciclo adattivo a tre flussi offre vantaggi critici mai visti in un solo motore da caccia:

Flessibilità: l’XA100 può adattarsi al volo da un’elevata spinta per la massima potenza a un’elevata efficienza per una lunga durata e tempo di bighellonare.

Gestione termica migliorata: l’architettura del terzo flusso dell’XA100 consente al motore di mantenere freschi i computer di bordo, un’esigenza fondamentale per l’F-35, che è dotato di sensori e hardware per computer che generano un’enorme quantità di calore.

Produzione avanzata: l’XA100 sfrutta le tecniche collaudate in milioni di ore di funzionamento nei motori commerciali di GE, inclusi compositi avanzati a matrice ceramica e produzione additiva che migliorano le prestazioni, riducono il numero di parti e aumentano il tempo trascorso in volo per ridurre i costi operativi orari.

“L’F-35 è un grande aereo”, ha detto il capo di stato maggiore dell’US Air Force, il generale CQ Brown Jr., e lo ha soprannominato la “pietra angolare” della flotta USAF all’inizio di quest’anno. “Quello che offre il nostro motore è una capacità drop-in che migliora significativamente la capacità dell’F-35, fornendo enormi ritorni sull’investimento dell’Air Force”.

L’XA100 consente un aumento del 30% dell’autonomia, del 20% dell’accelerazione e raddoppia la capacità di gestione termica del motore. I materiali avanzati del motore garantiscono una maggiore durata e prontezza in ambienti operativi difficili. Tutti questi miglioramenti sono in linea con gli obiettivi dell’Air Force e dell’F-35 Joint Program Office per aumentare la capacità di un caccia che vola in tutto il mondo.

“L’F-35 è ciò che i nostri partner alleati faranno operare per i decenni a venire”, ha detto Tweedie. Quegli alleati hanno bisogno di un buon raggio d’azione. “L’XA100 aiuta a superare la tirannia della distanza.”

Un effetto di secondo ordine dell’estensione dell’autonomia e del tempo di sosta è una minore richiesta di rifornimento in volo e la capacità dei velivoli rifornitori di stare più lontane dallo spazio aereo conteso e ostile. C’è anche un altro vantaggio nell’efficienza del carburante del motore: meno carburante significa meno CO2 immessa nell’atmosfera, una considerazione crescente mentre i militari esaminano le opzioni per ridurre la propria impronta di carbonio.

C’è già una quantità significativa di fondi dell’Air Force e della GE investiti in questa tecnologia e nel design dell’XA100. Il motore non è un concetto. E’ stato testato con successo un motore e attualmente si sta testando il secondo, e i dati raccolti continuano a convalidare le capacità senza pari del motore a ciclo adattivo.

Ciò significa che l’XA100 è una soluzione a basso rischio, nel minor tempo possibile, per apportare notevoli miglioramenti alle capacità del velivolo stealth F-35A e C.

Una nuova era della propulsione da combattimento

Quando entriamo in una nuova fase di competizione quasi paritaria, sono necessarie maggiori capacità dai motori che alimentano i velivoli militari. La GE è già pronta a rispondere a questa esigenza con il motore XA100. Progettato, costruito e testato per l’US Air Force e gli alleati, l’XA100 è il primo motore adattivo a tre flussi e rappresenta la prossima generazione di propulsione per l’F-35.

Questo motore a ciclo variabile fornisce una modalità ad alta spinta per la massima potenza e una modalità ad alta efficienza per estendere il raggio d’azione della missione. L’alternanza automatica tra queste modalità trasforma drasticamente la capacità della missione e consente operazioni quasi illimitate.

Vantaggio del terzo flusso

Questa capacità avanzata fornisce una fonte aggiuntiva di aria raffreddata per migliorare la propulsione e l’efficienza del carburante. Ancora più importante, consente un cambio di passo nella capacità di gestione termica per accogliere i sistemi di missione di prossima generazione e fornire una maggiore spinta dentro e fuori dal volo supersonico.

Materiali e componenti avanzati

I compositi a matrice ceramica (CMC) possono resistere a temperature di centinaia di gradi pur essendo più leggeri e più durevoli rispetto ai materiali tradizionali. L’uso della produzione additiva ha ridotto il peso del motore, ridotto il numero di parti e migliorerà la manutenzione.

Risparmio di carburante

L’architettura adattiva a tre flussi consente una minore spesa di carburante e riduce la dipendenza dal rifornimento in volo.

Più spinta serve per dare ai piloti di caccia più di ciò di cui hanno bisogno, quando ne hanno bisogno.

Il miglior assorbimento di calore viene abilitato tramite scambiatori di calore (additivi) stampati in 3D. Si ottengono vantaggi nella riduzione del carbonio e delle emissioni di CO2 nell’intero ciclo di vita dell’F-35.

La General Electric ha completato i test del suo primo motore a ciclo adattivo XA100, inaugurando una nuova era nella propulsione dei futuri velivoli da combattimento.

A fine dicembre 2020 la General Electric ha avviato i test presso il proprio impianto di prova in altitudine di Evendale, Ohio. Le prestazioni del motore e il comportamento meccanico erano coerenti con il progetto e completamente in linea con gli obiettivi del Programma di transizione del motore adattivo (AETP) dell’USAF.

Questo test convalida la capacità del motore XA100 di General Electric nel fornire capacità di propulsione trasformativa agli aerei da combattimento in progetto (NGAD?).

I tecnici sono rimasti eccezionalmente soddisfatti dalle prestazioni del motore durante i test; portare un nuovo motore da combattimento per testarlo per la prima volta è un’impresa impegnativa e questo successo è una testimonianza della grande squadra che lavora alla nuova tecnologia motoristica così rivoluzionaria.

Il motore XA100-GE-100 combina tre innovazioni chiave per offrire un cambio generazionale nelle prestazioni della propulsione da combattimento:

Un motore a ciclo adattivo che fornisce sia una modalità alla massima spinta e potenza, sia una modalità ad alta efficienza per un risparmio di carburante ottimale nel tempo di attesa;

Un’architettura di terzo flusso che fornisce un cambiamento radicale nella capacità di gestione termica, consentendo futuri sistemi di missione per una maggiore efficacia di combattimento;

Ampio uso di tecnologie di componenti avanzate, inclusi compositi a matrice ceramica (CMC), compositi a matrice polimerica (PMC) e produzione additiva.

Queste innovazioni rivoluzionarie aumentano la spinta del 10%, migliorano l’efficienza del carburante del 25% e forniscono una capacità di dissipazione del calore significativamente maggiore, il tutto all’interno dello stesso involucro fisico degli attuali sistemi di propulsione.

“Questo è stato il test del motore più pesantemente strumentato nella storia della General Electric e dell’US Air Force. Siamo stati in grado di ottenere un’immensa quantità di dati di test di alta qualità che dimostrano le capacità del motore e dimostrano un buon ritorno sull’investimento dell’Air Force”, ha spiegato Tweedie. “L’Air Force è stata parte integrante del team durante l’intero processo di progettazione e test. Questo ampio coinvolgimento è stato fondamentale per raggiungere questo traguardo. È stata un’incredibile partnership e collaborazione”.

Il test del prototipo del nuovo motore sarà la pietra angolare di uno sforzo pluriennale di maturazione della tecnologia e di riduzione del rischio per portare i motori a ciclo adattivo alla piena maturità in stretta collaborazione con l’aeronautica statunitense.

Gli sforzi sono iniziati nel 2007 con il programma Adaptive Versatile Engine Technology (ADVENT), sono proseguiti nel 2012 con il programma Adaptive Engine Technology Development (AETD) e sono culminati nel lancio dell’AETP nel 2016. Questo lavoro di sviluppo ha fornito alla General Electric una solida base per l’analisi del progetto con attività di test empirici per ottenere con successo un motore prototipo utilizzabile tra non molto in serie e su vasta scala. La General Electric è l’unica azienda motoristica ad essere premiata per aver completato entrambi i precedenti programmi ADVENT e AETD.

L’assemblaggio del secondo prototipo del motore XA100 di General Electric è a buon punto, con i test su quel motore che dovrebbero iniziare entro la fine del 2021. Una volta completato, ciò concluderà i principali risultati del programma AETP.

L’XA100 è un prodotto della General Electric Edison Works, una business unit dedicata alla ricerca, sviluppo e produzione di soluzioni militari avanzate. Questa business unit ha la piena responsabilità per la strategia, l’innovazione e l’esecuzione di programmi avanzati.

Il General Electric XA100 è un motore a ciclo adattivo a triplice flusso sviluppato dalla General Electric (GE) per il Lockheed Martin F-35 Lightning e per il programma di caccia di sesta generazione dell’aeronautica statunitense, il Next Generation Air Dominance (NGAD).

Il design del ciclo adattivo a tre flussi può dirigere l’aria al terzo flusso di bypass per una maggiore efficienza del carburante e raffreddamento o ai flussi del nucleo e della ventola per una spinta e prestazioni aggiuntive. Si prevede che il motore della classe di spinta da 45.000 lbf (20,412 kgf; 200 kN) sarà significativamente più potente ed efficiente rispetto ai turbofan a basso bypass esistenti.

La US Air Force e la US Navy hanno iniziato a perseguire motori a ciclo adattivo nel 2007 con il programma Adaptive Versatile Engine Technology (ADVENT), una parte del più ampio programma Versatile Affordable Advanced Turbine Engine (VAATE). Questo programma di ricerca tecnologica è stato poi seguito dal programma Adaptive Engine Technology Demonstrator (AETD) nel 2012, che ha continuato a far maturare la tecnologia, con test eseguiti utilizzando motori dimostrativi. I test del dimostratore a terra di GE nel 2015 hanno prodotto le più alte temperature combinate di compressore e turbina nella storia della propulsione a reazione. Il successivo Adaptive Engine Transition Program (AETP) è stato lanciato nel 2016 per sviluppare e testare motori adattivi per la propulsione dei caccia di sesta generazione, nonché il potenziale re-engineering dell’F-35 dal motore turbofan F135 esistente. Ai dimostratori è stata assegnata la designazione XA100 per il design di General Electric e XA101 per quello di Pratt & Whitney. L’obiettivo dell’AETP è dimostrare il 25% di efficienza del carburante migliorata, il 10% di spinta aggiuntiva e una gestione termica significativamente migliore. Ulteriori aggiudicazioni e modifiche del contratto dall’Air Force Life Cycle Management Center(AFLCMC) nel 2018 ha aumentato l’attenzione sul re-engineering dell’F-35 e il design di GE è diventato “F-35 design-centric”; ci sono state anche indagini sull’applicazione della tecnologia negli aggiornamenti per i sistemi di propulsione F-15, F-16 e F-22. Il progetto dettagliato di GE è stato completato nel febbraio 2019 e i test iniziali presso l’impianto di prova ad alta quota di GE a Evendale, Ohio, sono stati conclusi nel maggio 2021.

L’XA100 è un motore a ciclo adattivo a tre flussi che può regolare il rapporto di bypass e la pressione della ventola per aumentare l’efficienza del carburante o la spinta, a seconda dello scenario. Lo fa impiegando un terzo flusso di bypass in cui il motore può dirigere l’aria per aumentare il risparmio di carburante e agire come dissipatore di calore per il raffreddamento; in particolare, ciò consentirebbe un maggiore utilizzo della parte ad alta velocità e bassa quota dell’inviluppo dell’F-35. L’aumento del raffreddamento e della produzione di energia consente anche il potenziale impiego di armi a energia diretta in futuro. Quando è necessaria una spinta aggiuntiva, l’aria dal terzo flusso può essere diretta ai flussi del nucleo e del FAN. Oltre alla configurazione del ciclo adattivo a triplice flusso, il motore utilizza anche nuovi materiali resistenti al calore come i compositi a matrice ceramica (CMC) per consentire temperature della turbina più elevate e prestazioni migliorate. Secondo GE, il motore può offrire fino al 35% di autonomia in più e il 25% di riduzione del consumo di carburante rispetto ai turbofan attuali.

Applicazioni: