L’Usaf desidera che i motori AETP a ciclo variabile vengano installati dal 2027 su tutti gli F-35A – La Pratt & Whitney spinge per l’ XA101

by AvioBlog · 9 Dicembre 2021

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Le modifiche che la società Pratt & Whitney propone all’Usaf ed alle forze alleate per il suo motore F135 potranno migliorare la spinta e l’efficienza e saranno certamente molto meno costose rispetto all’introduzione di nuovo propulsore sviluppato attraverso l’Adaptive Engine Transition Program.

Un funzionario della Pratt & Whitney per il programma F135, ha ribadito che la tecnologia AETP non è compatibile con l’F-35B del Corpo dei Marines. Ciò richiederebbe due diversi motori alternativi per l’F-35. L’intero sforzo potrebbe aggiungere fino a $ 40 miliardi nei 50 anni di vita del programma.

La versione della Camera del National Defense Authorization Act del 2022 richiederebbe all’F-35 Joint Program Office di perseguire una strategia per incorporare un motore AETP nella flotta F-35 a partire dal 2027. Uno degli obiettivi sarà quello di ridurre il costo dei singoli propulsori dell’F-35 creando un concorrente della Pratt & Whitney. La General Electric, che è all’avanguardia nella tecnologia AETP, è desiderosa di offrire il suo XA100 come alternativa. La Pratt, di proprietà di Raytheon Technologies, ha anch’essa sviluppato un motore AETP, l’XA101.

L’US Air Force ha da tempo investito nella tecnologia AETP per cercare di ottenere una più ampia autonomia e maggiore spinta da un motore compatibile con le dimensioni dell’F135. L’idea è quella di avere entrambi i vantaggi di risparmio di carburante dei turbofan utilizzati dai grandi aerei di linea con la compressione ad alta pressione necessaria per massimizzare la velocità per un caccia stealth, consentendo al motore di adattarsi al volo; il programma cerca di ottenere entrambi i vantaggi.

E’ stato altresì ribadito che l’esclusivo sistema di sollevamento a decollo corto e atterraggio verticale dell’F-35B non potrà ospitare i motori AETP. Per creare concorrenza con la GE, sarebbero necessarie due varianti del motore di ciascuna azienda, con riparazione parallela e catene di approvvigionamento, per la modica cifra di 40 miliardi di $.

L’ufficiale esecutivo del programma dell’USAF per i caccia e gli aerei avanzati è altrettanto scettico. Sebbene non abbia alcun ruolo nell’F-35, ha detto, “cercare di cambiare un propulsore in… un sistema in campo è estremamente complesso. … Devi pensare a quale potrebbe essere il ritorno sull’investimento.”

La Pratt & Whitney ha comunque presentato un paio di proposte per ammodernare il turbofan che equipaggia l’F-35. I piani migliorerebbero la spinta e l’autonomia di oltre il 10% ciascuno e darebbero all’F-35B un aumento del 5% nel sollevamento verticale e un miglioramento del 50% nella gestione termica. E’ notorio che il danno da calore è stato un problema con questi motori e anche una minore quantità di calore potrebbe potenzialmente migliorare le prestazioni stealth.

Il JPO ha ultimato lo studio “alla fine del 2020”. Le proposte possono essere “sintonizzate” in base ai requisiti JPO e le modifiche potranno essere pronte per la produzione nel 2028. Una volta installate le modifiche ai motori, ci sarà anche “un certo margine” per una futura crescita.

Ci sarebbe un impatto industriale limitato, poiché l’Enhanced Engine Package, o EEP, potrebbe “entrare in produzione come retrofit… Quindi si basa sulla stessa identica infrastruttura e sulla stessa attuale rete di supporto”. “È molto ben compreso, ora, su tutta la linea” che l’F-35 ha bisogno di un aggiornamento del motore.… “Avremo bisogno di modernizzare il motore, si spera, una volta nel corso della vita del programma JSF”. Le capacità del motore “devono essere commisurate alle capacità dell’aeromobile”.

Sebbene non si sia potuto discutere dei miglioramenti del Block 4 che stanno contribuendo alla necessità di maggiori prestazioni, è chiaro che l’F-35 deve trasportare carichi e armi più pesanti e che i potenti sensori e l’elettronica necessitano di un raffreddamento aggiuntivo. Senza un motore dalle prestazioni migliori, “non possono usare il jet nel modo previsto”, ha ribadito un funzionario Pratt& W., aggiungendo rapidamente che “non ci sono carenze” nelle prestazioni dell’F135 così com’è oggi. “Se non altro, il motore ha già prestazioni superiori alle specifiche originali… Si tratta di crescita”.

Un vantaggio del motore AETP, secondo GE, è il suo terzo flusso d’aria, che secondo i suoi funzionari può essere utilizzato per aiutare a raffreddare l’elettronica dell’F-35.

Nel contempo, la Pratt & Whitney sta investendo milioni di $, per cercare di ridurre i costi di mantenimento del suo motore, un importante contributo agli elevati costi operativi dell’F-35: “L’accessibilità è la minaccia esistenziale per questo programma.” Ha continuato un funzionario P&W: “Abbiamo tolto il 50% dal costo unitario” dell’F135, ha detto. I miglioramenti ridurrebbero ulteriormente i costi, togliendo il 36% del costo per la visita iniziale, ha aggiunto. “Ecco dove arrivano le bollette”, ha aggiunto, perché parti dell’hardware della sezione calda hanno raggiunto la fine della loro vita utile. “Sappiamo come ridurre i costi… Il nostro intero profilo commerciale è ‘energia a ore'”, ha osservato Latka.

In assenza di tali miglioramenti, i servizi dovranno rendere i motori più caldi per utilizzare le funzionalità del Block 4 e, sebbene possano gestirlo, “ciò significa che i motori vengono sottoposti a manutenzione” più frequentemente, aumentando i costi di mantenimento.

I miglioramenti proposti da Pratt & Whitney non avrebbero nulla a che fare con il raggiungimento dell’obiettivo dell’US Air Force di ridurre i costi operativi a $ 25.000 all’ora entro il 2025. Inoltre, gli aggiornamenti non sono specificamente destinati a creare più energia elettrica per i sistemi di bordo, ha affermato. Il JPO tiene una riunione con i partner, operatori e altre parti interessate dell’F-35 due volte all’anno per discutere i piani futuri e la propulsione sarà probabilmente all’ordine del giorno per la prossima riunione. “Dobbiamo chiarire quale sia il requisito”, ha detto Latka. “E poi capiamo qual è la soluzione più conveniente una volta compreso quel requisito.”

Latka non ha commentato l’idoneità dell’XA101 di Pratt & Whitney per l’F-35, tranne per il fatto che il motore era “sempre destinato… a essere un propulsore di sesta generazione” per i caccia di sesta generazione. L’F-35 è un caccia di quinta generazione. Un funzionario della Pratt & Whitney ha dichiarato di aver iniziato a testare l’XA101 questa primavera; la GE ha dichiarato di aver iniziato a testare il suo XA100 nel dicembre 2020. “C’è una quantità significativa di rischio che deriva da una tecnologia nuova di zecca e ciò richiederebbe un’enorme quantità di convalida da eseguire”, ha affermato Latka. “Stiamo dicendo che l’AETP non è la soluzione giusta per l’F-35”.

L’Usaf desidera che i motori AETP vengano installati dal 2027 su tutti gli F-35A

Il Congresso vuole nuovi motori nell’attuale e futura flotta di velivoli stealth F-35, con installazioni a partire dal 2027, secondo il National Defense Authorization Act del 2022. Si vuole un piano congiunto per l’acquisizione ed il sostegno entro due settimane dalla consegna al Congresso della richiesta di bilancio per l’anno fiscale 2023.

Si vuole anche un piano sul futuro della propulsione per i modelli F-35B e C, anch’essi da installare a partire dal 2027.

Il piano di mandato, che è incluso nella versione di compromesso del disegno di legge sulla politica di difesa fiscale 2022, richiede una “strategia di acquisizione competitiva, informata da considerazioni fiscali” da parte dell’US Air Force su come si equipaggeranno tutti gli F-35A, compresi quelli già in servizio —con i nuovi propulsori AETP. Il Congresso vuole un programma “che annoti le pietre miliari pertinenti e i requisiti di risorse fiscali annuali per l’attuazione di tale strategia”.

Il tenente generale Eric T. Fick, direttore del Joint Program Office dell’F-35, ha affermato che se l’US Air Force dovesse installare un nuovo motore AETP sugli F-35A, sopporterebbe da sola i costi di sviluppo e produzione, poiché altri utenti del caccia con le varianti F-35B e C non potranno utilizzare a breve tale propulsore.

La General Electric e la Pratt & Whitney è notorio che stanno testando rispettivamente i loro prototipi XA-100 e XA-101, che sono stati sviluppati nell’ambito dell’AETP. I nuovi motori forniscono sostanziali aumenti delle prestazioni, con un aumento del 30% dell’autonomia o del 40% della persistenza, reso possibile da una riduzione del 25% del consumo di carburante. Entrambi i motori fornirebbero anche miglioramenti a due cifre in accelerazione.

I miglioramenti estenderebbero l’autonomia degli F-35 e ridurrebbero la loro dipendenza dal rifornimento in volo, in particolare all’interno o vicino allo spazio aereo conteso.

Entrambe le società hanno affermato di poter soddisfare l’interesse precedentemente espresso dal Congresso per l’avvio di un retrofit AETP sull’F-35 intorno al 2027, sebbene i funzionari di entrambe le società abbiano descritto tale calendario come ambizioso.

E gli F-35 della US NAVY, del Corpo dei Marines e degli alleati?

Il National Defense Authorization Act impone un rapporto simile del Segretario della Marina, “su come integrerà un nuovo sistema di propulsione nei modelli F-35B e C. Sia GE che Pratt hanno detto che l’ugello posteriore rotante verso il basso dell’F-35B rende i motori AETP incompatibili con quell’aereo, a causa del suo sistema di bypass del terzo flusso d’aria. Tuttavia, tutte le varianti dell’F-35 avranno bisogno di un sistema di propulsione migliorato per sfruttare appieno gli aggiornamenti di capacità dell’F-35 Block 4 ora in fase di sviluppo. Mentre la Us Navy potrebbe potenzialmente utilizzare un AETP con pesanti modifiche – anche il motore che il gancio di arresto del vettore del modello C dovranno essere riconfigurati – la soluzione più probabile sarebbe l’Enhanced Engine Package (EEP), che la Pratt ha proposto per il proprio Motore F135 che ora alimenta l’intera flotta di F-35.

La NDAA afferma che il “sistema di propulsione avanzato” che il congresso vuole nei modelli F-35B e C “significa un derivato” dell’AETP o “un derivato di un sistema di propulsione precedentemente sviluppato per l’aereo F-35”.

Come parte del rapporto della Marina, il Congresso vuole sapere quanto un nuovo motore migliorerebbe:

l’efficacia del combattimento,
i costi di mantenimento” degli F-35B e C, compresi eventuali effetti derivanti da A) aumento della spinta,
efficienza del carburante,
capacità termica e generazione elettrica e B),
miglioramenti in accelerazione,
velocità,
autonomia,
efficacia complessiva della missione.

Il rapporto della Us Navy dovrà anche fornire una valutazione di come un sistema di propulsione avanzato potrebbe ridurre i requisiti e qualsiasi “beneficio di costo complessivo” da “riduzione di acquisizione e sostentamento”.

Come l’USAF, anche la US NAVY deve fornire una strategia di acquisizione competitiva, nonché “considerazione dei limiti tecnici” di tale impresa.

Il Congresso non ha specificato se le strategie di acquisizione competitiva da valutare includano un approccio in cui il vincitore prende tutto, o se prenderà in considerazione acquisti competitivi annuali, come è stato fatto durante la “Grande Guerra delle Macchine” degli anni ’80. Con questo approccio, GE e Pratt si contendevano la parte del leone nella produzione di motori per l’F-15 e l’F-16 in un dato anno, con il “perdente” che riceveva almeno un po’ di lavoro. Il vantaggio era la concorrenza costante e il miglioramento del prodotto, con il sottoprodotto del mantenimento di due società in grado di produrre motori da combattimento per la capacità di aumento in tempo di guerra.

La General Electric ha progettato il motore F-136 per l’F-35, poiché il Pentagono prevedeva di condurre una simile competizione annuale di motori, ma l’ex segretario alla Difesa Robert Gates ha interrotto la competizione, affermando che era inutile e dispendioso. Il JPO stima che potrebbero essere prodotti più di 5.000 F-35, inclusi clienti statunitensi, partner alleati ed export.

Il Pratt & Whitney XA101 è un turbo-fan a ciclo adattivo a triplice flusso sviluppato dalla Pratt & Whitney per il Lockheed Martin F-35 Lightning e costituisce la base per il sistema di propulsione per il programma di caccia di sesta generazione dell’USAF e della US NAVY, Next Generation Air Dominio (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 (200 kN) sarà significativamente più potente ed efficiente rispetto ai turbo-fan a basso livello di bypass attualmente operativi.

Sviluppo

L’US Air Force e la US NAVY hanno iniziato a perseguire il concetto di motore a ciclo adattivo nel 2007 con il programma Adaptive Versatile Engine Technology (ADVENT), una parte del più ampio programma Versatile Affordable Advanced Turbine Engines (VAATE). Pur non essendo coinvolta con l’ADVENT, la Pratt & Whitney è stata selezionata insieme alla General Electric per il programma Adaptive Engine Technology Demonstrator (AETD) che è seguito nel 2012; questo programma ha continuato a far maturare la tecnologia, con test eseguiti utilizzando motori dimostrativi. Il passo successivo, l’Adaptive Engine Transition Program (AETP), è stato lanciato nel 2016 per sviluppare motori adattivi per la propulsione dei caccia di sesta generazione, nonché il potenziale re-engineering dell’F-35 dall’attuale turbofan F135. Il dimostratore della General Electric è stato designato XA100 e il motore P&W è stato designato XA101. L’obiettivo dell’AETP era quello di dimostrare un’efficienza del carburante migliorata del 25%, una spinta aggiuntiva del 10% e una migliore gestione termica. Nel 2017, la Pratt & Whitney ha testato con successo una ventola adattiva a tre flussi con un nucleo F135 e ha considerato l’XA101 come “Opzione di crescita 2.0” nel suo piano di sviluppo a lungo termine per l’F135. Ulteriori aggiudicazioni e modifiche del contratto dall’Air Force Life Cycle Management Center(AFLCMC) nel 2018 hanno aumentato l’attenzione sulla rimotorizzazione dell’F-35; ci sono state anche indagini sull’applicazione della tecnologia negli aggiornamenti per i sistemi di propulsione F-15, F-16 e F-22. Nel giugno 2018, la Pratt & Whitney ha cambiato il suo piano di sviluppo per l’F135 ed ha invece offerto una ventola adattiva a tre flussi come opzione di crescita 2.0 separata dall’XA101, che avrebbe invece un nuovo nucleo motore. Nel 2020, il piano di sviluppo dell’F135 è passato da “Opzioni di crescita” a “Pacchetti di miglioramento del motore” (EEP), mentre l’XA101 a triplice flusso è un nuovo motore con potenziale re-engineering per l’F-35A. I test a terra dell’XA101 sono iniziati nel settembre 2021.

Progettazione

L’XA101 è un motore a ciclo adattivo a triplice flusso d’aria 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 attorno all’intero motore, con la capacità di modulare la porzione di flusso d’aria nel nucleo del motore o attraverso questo terzo flusso, per aumentare il risparmio di carburante e agire come dissipatore di calore per il raffreddamento. Questa capacità consente un maggiore utilizzo della porzione ad alta velocità e bassa quota del regime di volo dell’F-35. L’aumento del raffreddamento e della generazione 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 nel nucleo e nei flussi del FAN per aumentare le prestazioni.

Applicazioni: