Των Φαίδωνα Γ. Καραϊωσηφίδη, Αεροναυπηγού και Brian Schofield, Aerospace & Defence Analyst
Σε συνέχεια της ανάλυσης στο πρώτο και δευτερο μέρος για το υπόβαθρο TR-3 (Technical Refresh 3) του Block 4, συνεχίζουμε με μια αναφορά στα άλλα χαρακτηριστικά της τρέχουσας παρτίδας του Lightning II.
Ανάλυση: F-35 Block 4 το διαβόητο TR-3 και τα προβλήματα του Lightning II (Μέρος Α)
Το παρακάτω είναι μέρος άρθρου που δημοσιεύτηκε στην «Πτήση» 41, Οκτώβριος 2023
Δίλημμα νέου κινητήρα
Αντίθετα με το ραντάρ, για το οποίο όπως προαναφέρθηκε δεν υπήρχε πρότερη μνεία ανάγκης αντικατάστασης, για τον κινητήρα F135 είχε πολλές φορές σημειωθεί ότι είναι ανεπαρκής και ένα μεγάλο μέρος αυτής της αδυναμίας αφορούσε τη δυνατότητα απαγωγής πεπιεσμένου αέρα (bleed air) για ψύξη, όπως θα δούμε παρακάτω. Ο Pratt & Whitney F135, μια σχεδίαση που βασίστηκε στον F119 του F-22, είχε αρχικά εξελιχθεί μαζί με τον ανταγωνιστικό F136 των General Electric/Rolls-Royce ως επιλογές για το F-35. Ο αρχικός σχεδιασμός του Πενταγώνου ήταν η συνύπαρξη των δυο κινητήρων, έτσι ώστε οι κλάδοι των αμερικανικών ενόπλων δυνάμεων και οι εταίροι του προγράμματος να έχουν τη δυνατότητα να επιλέξουν ανάμεσα στο F135 και το F136, όπως γίνεται με τους F100 και F110 στα F-15 και F-16. Τελικά όμως ο F135 αναδείχθηκε ως ο μοναδικός κινητήρας του JSF, όταν το 2007 το Πεντάγωνο, σε μια προσπάθεια περιορισμού του κόστους (κυρίως της έκδοσης για το F-35B), πέτυχε τελικά να διακόψει τη χρηματοδότηση του F136 σε μια σκληρή μάχη με το Κογκρέσο.
Ο turbofan με λόγο παράκαμψης 0,57:1 αποδίδει 125 kN (28.000 lbf) «ξηρής» ώσης και 191 kN (43.000 lbf) με μετάκαυση, ενώ ξεκίνησε παραδόσεις μοντέλων παραγωγής από το 2009: F135-PW-100 για το F-35A, F135-PW-400 με αντιδιαβρωτική προστασία για επιχειρήσεις στο θαλάσσιο περιβάλλον εγκαταστημένους στο F-35C και F135-PW-600 στο F-35B.
Σχεδόν αμέσως μετά ξεκίνησε και η προσπάθεια επίλυσης των αδυναμιών που παρουσίασε με την ανάδειξη δύο πιθανών εναλλακτικών επιλογών.
Η πρώτη επιλογή είναι η αναβάθμισή του, όπως είχε γίνει και με τους F100 και F110 που κινούν το σύνολο μέσα από ένα πρόγραμμα που έγινε γνωστό ως EEP (Enhanced Engine Package).
Η αναβάθμιση θα αυξήσει την απόδοση ισχύος κατά 10% σε όλες τις εκδόσεις, με 5% περισσότερη ώση στη φάση αιώρησης/ανύψωσης του F-35B, θα μειώσει την κατανάλωση αυξάνοντας την ακτίνα δράσης του μαχητικού κατά 10%, ενώ η δυνατότητα θερμικής διαχείρισης βελτιώνεται έως και 50% (αν και ξεκινά από επίπεδα στα οποία ήταν ήδη ελλειμματική σε πολλές καταστάσεις). Το πλεονέκτημα ενός προγράμματος EEP στον F135 είναι ότι μπορεί να γίνει γρηγορότερα από την εξέλιξη ενός νέου κινητήρα (βλέπε παρακάτω), μπορεί να εφαρμοστεί χωρίς μετατροπές στο αεροσκάφος, ενώ σύμφωνα με την Pratt & Whitney το τεχνολογικό ρίσκο είναι σημαντικά μικρότερο και υπερκαλύπτονται οι απαιτήσεις τού μοντέλου Block 4, αφήνοντας και περιθώρια μελλοντικής ανάπτυξης. Στα μειονεκτήματα της πρότασης συγκαταλέγεται το γεγονός ότι με ένα πρόγραμμα EEP ο F135 θα εξαντλήσει τις εξελικτικές δυνατότητες του κινητήρα, κάτι που θα μεταθέσει το πρόβλημα στο μέλλον. Δεν είναι λίγοι επίσης εκείνοι που επισημαίνουν ότι μια τέτοια επιλογή θα αφήσει και πάλι την Pratt & Whitney να μονοπωλεί το γιγάντιο πρόγραμμα του JSF για τις επόμενες δεκαετίες, υπογραμμίζοντας τα οφέλη που προέκυψαν από την ύπαρξη δυο ανταγωνιστικών κινητήρων για τα F-15/F-16.
Για να προκύψει όμως ένα τέτοιο όφελος, δηλαδή ανταγωνισμού ανάμεσα σε δυο κατασκευαστές, θα πρέπει να γίνει η δεύτερη επιλογή, η αντικατάσταση του F135 από μια νέα γενιά κινητήρων με την κεφαλαιοποίηση της τεχνολογίας ADVENT (Adaptive Versatile Engine Technology) που είχε αναπτύξει το κέντρο ερευνών της USAF, AFRL (Air Force Research Laboratory), από τα τέλη της δεκαετίας του 2000 και είχε στη συνέχεια μετουσιωθεί στο πρόγραμμα AETP (Adaptive Engine Transition Program). H σχετική επιδίωξη με στόχο την επόμενη γενιά μαχητικών αφορούσε σε τουλάχιστον 10% αύξηση της ώσης με ταυτόχρονη μείωση της κατανάλωσης κατά 25% και πολύ καλύτερη υποδομή εξυπηρέτησης των αναγκών απαγωγής αέρα για τις ανάγκες της πλατφόρμας εφαρμογής με την ενσωμάτωση ενός επιπλέον «καναλιού» παροχής του πέραν της «κλασικής» παράκαμψης του «πυρήνα» που υπάρχει στους turbofan. Όπως είχαμε αναφέρει και στο προηγούμενο τεύχος μας («Πτήση» 40, Σεπτέμβριος 2023, «Next Generation Air Dominance, Το μέλλον της αμερικανικής αεροπορικής ισχύος»), το αρχικό πρόγραμμα ADVENT στόχευε στην εξέλιξη ενός αεριοκινητήρα μεταβλητού κύκλου-VCE (Variable Cycle Engine), γνωστού επίσης και ως ACE (Adaptive Cycle Engine), που αφορά σχεδίαση η οποία είναι βελτιστοποιημένη για μέγιστη απόδοση σε όλες τις φάσεις της πτήσης (υποηχητική, διηχητική και υπερηχητική) σε αντίθεση με τις τρέχουσες γενιές κινητήρων που περιορίζονται σε μία ή το πολύ δύο τέτοιες φάσεις. Ενώ όμως το διάδοχο πρόγραμμα AETD (Adaptive Engine Technology Demonstrator) του 2012 επεδίωκε κινητήρα της τάξης των 89 kN (20.000 lbf) αποκλειστικά για δικινητήριες εφαρμογές, το AETP (Adaptive Engine Transition Program) που το αντικατέστησε το 2016 εστιάζει σε έναν κινητήρα μεταβλητού κύκλου των 200 kN (45.000 lbf), οπότε και γεννήθηκε η υποψηφιότητά του και για αντικαταστάτη του F135. Στο ευρύτερο πλαίσιο ανατέθηκαν συμβόλαια τόσο στην General Electric όσο και στην Pratt & Whitney για τους κινητήρες ACE XA100 και XA101 αντίστοιχα, οι οποίοι βρίσκονται σε εξέλιξη και έχουν ήδη ξεκινήσει δοκιμές εδάφους εδώ και καιρό. Αν και υπάρχουν διαφορές μεταξύ τους, η γενική αρχιτεκτονική (από όσο είναι γνωστό) ακολουθεί την ίδια γενική αρχή των «τριών ροών» (three-stream)· δηλαδή, αέρας μπορεί να κατευθυνθεί είτε προς ένα τρίτο «κανάλι» δημιουργώντας μια δευτερεύουσα ροή παράκαμψης (secondary bypass) για απαγωγή και χρήση σε ψύξη είτε προς τις ροές του «πυρήνα» και του ανεμιστήρα (main bypass) για επιπλέον ώση ή/και μείωση της κατανάλωσης. Η τεχνολογία VCE/ACE υπόσχεται πολύ υψηλότερη απόδοση και μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα από τους σημερινούς turbofan χαμηλού λόγου παράκαμψης (low-bypass). Στην περίπτωση της υιοθέτησης των XA100/XA101 προς αντικατάσταση του F135 αυτό θα γίνει σε δύο φάσεις: η πρώτη προς το τέλος της τρέχουσας δεκαετίας (υπεραισιόδοξα τοποθετείται από το 2027) και θα αφορά τις εκδόσεις F-35A και F-35C, ενώ η δεύτερη που θα δημιουργήσει τον κινητήρα για το F-35B προσδιορίζεται χρονικά για νωρίς την επόμενη δεκαετία, εξαιτίας της ανάγκης εξέλιξης της διάταξης του ανεμιστήρα που απαιτεί η STOVL έκδοση.
Ένας νέος κινητήρας VCE/ACE για το F-35, πέραν των υψηλότερων επιδόσεων έναντι του F135EEP, θα έχει και σημαντικά μεγαλύτερα περιθώρια μελλοντικής ανάπτυξης, εξαλείφοντας την ανάγκη το πρόγραμμα JSF να αναζητήσει καινούριο κινητήριο σύστημα μετά το μέσον της καριέρας του (όπως με έναν F135EEP), που προβλέπεται να είναι μακροχρόνια τόσο σε αμερικανική όσο -κυρίως- σε διεθνή υπηρεσία. Επιπλέον ο καινούριος αυτός αεριοστρόβιλος του F-35 -κοινός με του μαχητικού του συστήματος NGAD (Next Generation Air Dominance) και του αντίστοιχου ναυτικού μαχητικού έκτης γενιάς F/A-XX- θα δώσει τεράστιο πλεονέκτημα ομοιοτυπίας στις αμερικανικές ένοπλες δυνάμεις.
Αναφορικά με τη δυνατότητα ύπαρξης δυο εναλλακτικών κινητήρων που θα προέλθουν από το πρόγραμμα AETP, θα πρέπει να σημειωθεί ότι η προηγούμενη εμπειρία με τον F136 της General Electric που προαναφέρθηκε δεν δίνει μεγάλη αισιοδοξία. Ο κινητήρας της General Electric είχε τεθεί εκτός πλαισίου του F-35, αφήνοντας μόνο του αυτόν της Pratt & Whitney λόγω κόστους. Το ίδιο μπορεί να ισχύσει και στην περίπτωση των XA100 και XA101, στην οποία το πιθανότερο είναι ότι θα επιλεγεί μόνο ο ένας, εξαλείφοντας αυτό το δυνητικό πλεονέκτημα από τυχόν επιλογή νέου κινητήρα για το JSF.
Από την άλλη όμως, ένα τέτοιο πρόγραμμα κινητήρα VCE/ACE για το F-35 έχει μεγαλύτερο τεχνολογικό ρίσκο και μπορεί να αντιμετωπίσει καθυστερήσεις έναντι μιας λύσης F135EEP που θα μεταφερθούν άμεσα στο JSF.
Ένα άλλο αρνητικό της επιλογής νέου κινητήρα είναι η ανάγκη τροποποίησης ή ανασχεδίασης του F-35 για να φιλοξενήσει τους XA100/XA101, παρά την προσπάθεια που καταβάλλεται αυτή να είναι ανύπαρκτη ή τουλάχιστον περιορισμένη. Οι λίγες σχετικές πληροφορίες λένε ότι οι τροποποιήσεις θα είναι πολύ μικρές στο F-35A, περισσότερες στο F-35C, ενώ οι απαιτήσεις για το F-35B μελετώνται. Να θυμίσουμε ότι η ύπαρξη εναλλακτικών κινητήρων στο F-16, ανάμεσα στους F100 και F110, που αρχικά θα έπρεπε να γίνεται καθολικά και σε επίπεδο μονάδος, περιορίστηκε τελικά στην αρχική επιλογή του τύπου που θα εξόπλιζε την εκάστοτε έκδοση του Fighting Falcon (εξού και οι εκδόσεις Block 30/32, 40/42, 50/52 και 70/72), ενώ ο κινητήρας της General Electric απαίτησε ανασχεδίαση με πιο φαρδιά εισαγωγή λόγω των μεγαλύτερων αναγκών σε αέρα.
Η «διαμάχη» ανάμεσα στις παραπάνω επιλογές, δηλαδή ενός F135EEP έναντι ενός VCE/ACE, εξελίχθηκε σκληρή τα τελευταία τρία χρόνια, έως ότου φάνηκε προς στιγμήν ότι λάμβανε τέλος, όταν τον Μάρτιο του 2023 ο υφυπουργός Αεροπορίας Φρανκ Κένταλ ανακοίνωσε την απόφαση υπέρ ενός προγράμματος αναβάθμισης του υφιστάμενου κινητήρα της Pratt & Whitney επικαλούμενος όλους τους λόγους που προαναφέρθηκαν κατά των VCE/ACE και τονίζοντας το κόστος και το τεχνολογικό ρίσκο.
Τον Ιούνιο όμως, στη διάρκεια του Paris Air Show, η Lockheed Martin, που μέχρι τότε δεν είχε πάρει ανοικτά θέση επί του θέματος, δια στόματος του αντιπροέδρου της Γκρεγκ Ούλμερ διαφώνησε με την απόφαση, υποστηρίζοντας την υιοθέτηση ενός κινητήρα VCE/ACE (κάτι που προκάλεσε και την εξοργισμένη αντίδραση της P&W). Έτσι η «διαμάχη» δεν φαίνεται να έχει λήξει, ενώ μεταφέρεται πλέον στο Κογκρέσο, όπου η USAF θα πρέπει να επικυρώσει την απόφαση υπέρ του F135EEP μέσω της έγκρισης κονδυλίων που θα αιτηθεί, κάτι που ήδη φαίνεται δύσκολο, καθώς πολλά μέλη των νομοθετικών σωμάτων των ΗΠΑ έχουν ταχθεί εναντίον του εκσυγχρονισμού του F135, τονίζοντας την ανάγκη το JSF «να προχωρήσει μπροστά και να μην πισωγυρίσει».
Απαγωγή και ψύξη, ψύξη, ψύξη!
Από τα όσα προαναφέρθηκαν, δεν πρέπει να περάσει απαρατήρητο (και γι’ αυτό επισημάνθηκε πολλές φορές) ότι η μεγαλύτερη αδυναμία του τρέχοντος F135 είναι η ικανότητα απαγωγής αέρα (bleed air) κυρίως σε ό,τι αφορά στην ψύξη, αλλά όχι μόνο.
Ένα από τα σημαντικότερα υποσυστήματα του F-35 είναι η υποδομή PTMS (Power & Thermal Management System), που όπως υποστηρίζει η κατασκευάστρια Honeywell, αποτελεί την πρώτη του είδους της: ολοκληρώνει σε ένα συγκρότημα τις λειτουργίες βοηθητικής μονάδας ισχύος (APU), υποδομής παροχής ισχύος ανάγκης και συστήματος ελέγχου περιβάλλοντος/διαχείρισης θερμικών φορτίων. Με άλλα λόγια το PTMS απάγει πεπιεσμένο αέρα από τον συμπιεστή του F135 και τον χρησιμοποιεί για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και ψύξης.
Σημειώνεται ότι οι ανάγκες διαχείρισης του θερμικού φορτίου σε μαχητικά στελθ είναι μια σημαντικά μεγαλύτερη πρόκληση συγκριτικά με τις συμβατικές σχεδιάσεις και απαιτούν καινοτόμες λύσεις, καθώς τα VLO αεροπλάνα δεν μπορούν να βασιστούν σε εισαγωγές και εξαγωγές αέρα, οι οποίες θα αύξαναν το RCS (Radar Cross Section).
Οι δυνατότητες απαγωγής αέρα της (ισοδύναμης) τάξης παραγωγής 15kW όμως του αεριοκινητήρα της Pratt & Whitney (χωρίς μεγάλα περιθώρια επέκτασής τους) ξεπεράστηκε ήδη από τα αεροπλάνα Block 3F. Το PTMS έχει τέσσερις διαμορφώσεις λειτουργίας: εκκίνηση του ίδιου του συγκροτήματος (self-start mode), υποβοήθηση εκκίνησης του κινητήρα, παροχή ψύξης και παροχή ισχύος σε κατάσταση ανάγκης. Σε κανονική διαδικασία, μετά την έναρξη λειτουργίας του F135, το PTMS μεταπίπτει σε διαμόρφωση ψύξης και χρησιμοποιεί απαγωγή αέρα από ένα από τα στάδια υψηλής πίεσης του συμπιεστή για το έργο αυτό. Η υπέρβαση του ορίου bleed air που προαναφέρθηκε, σημαίνει ότι η κινητήρας τού F-35 πρέπει να ρυθμιστεί ώστε να λειτουργεί σε υψηλότερες θερμοκρασίες, κάτι που έχει μεσοπρόθεσμες επιπτώσεις στη συντήρηση, αλλά μακροχρόνιες επιπτώσεις στην αντοχή των υλικών κατασκευής και το τελικό όριο ζωής τους. Για τα Block 4 πιστεύεται ότι οι ανάγκες απαγωγής αέρα είναι περίπου της τάξης των 20-25 kW με επιθυμία ύπαρξης και αποθεματικού που τις ανεβάζει στο επίπεδο των 30 kW.
H επίλυση του προβλήματος δεν είναι απλή, καθώς με τις πολύ υψηλότερες απαιτήσεις στα αεροσκάφη Block 4 δεν είναι μόνο ο F135 που αδυνατεί να καλύψει τις αυξημένες ανάγκες απαγωγής αέρα, αλλά και το ίδιο το PTMS που είναι πλέον ανεπαρκές. Έτσι, οι λύσεις που αναζητούνται είναι συνδυαστικές με νέο προηγμένο PTMS που προτείνει η Honeywell, επιπλέον υποδομές ψύξης μέσω ενίσχυσης της υποδομής απαγωγής αέρα (που παραπέμπει στον F135) και ίσως εγκατάστασης παθητικής διάταξης εναλλάκτη θερμότητας (που είναι δύσκολο λόγω της έλλειψης χώρου).
