El Pratt & Whitney F135 es un turbofán con postcombustión desarrollado para el Lockheed Martin F-35 Lightning II , un caza de ataque monomotor. Tiene dos variantes: una variante de despegue y aterrizaje convencional ( CTOL ) utilizada en el F-35A y el F-35C, y una variante de despegue y aterrizaje vertical corto de dos ciclos ( STOVL ) utilizada en el F-35B que incluye un ventilador de elevación delantero . [1] Los primeros motores de producción se entregaron en 2009. [2]
Desarrollado a partir del motor Pratt & Whitney F119 utilizado en el F-22 Raptor , el F135 produce alrededor de 28.000 lbf (125 kN) de empuje y 43.000 lbf (191 kN) con postcombustión. [3] [4] El F135 compitió con el General Electric/Rolls-Royce F136 para impulsar el F-35.
El F135 se originó con Lockheed Corporation Skunk Works , con esfuerzos para desarrollar un caza de ataque STOVL furtivo para el Cuerpo de Marines de EE. UU. bajo un proyecto DARPA de 1986 bajo los auspicios del programa Advanced STOVL (ASTOVL), un progenitor temprano del Joint Strike Fighter (JSF) que resultó en el F-35. El ingeniero de Lockheed Paul Bevilaqua desarrolló y finalmente patentó un concepto de avión y un sistema de propulsión llamado Shaft-Driven Lift Fan (SDLF), y luego recurrió a Pratt & Whitney (P&W) para construir un motor de demostración. [5] [6] El demostrador de prueba en tierra utilizó el ventilador de primera etapa de un motor F119 para el ventilador de elevación. El ventilador y el núcleo del motor del F100-PW-220 se utilizaron para el núcleo del motor de demostración, y la turbina de baja presión más grande del F100-PW-229 se utilizó para la turbina de baja presión del motor de demostración. La turbina más grande se utilizó para proporcionar la potencia adicional necesaria para operar el ventilador de sustentación a través del eje de carrete de baja presión, que se activaría mediante un embrague en modo STOVL. Finalmente, se agregó una tobera deflectora de empuje variable para completar el motor de demostración "F100-229- Plus ". [N 1] Este motor de demostración terrestre demostró el concepto de ventilador de sustentación impulsado por eje y condujo al desarrollo del eventual motor JSF. [8]
El ASTOVL continuó bajo el programa Common Affordable Lightweight Fighter (CALF) en 1993 antes de finalmente fusionarse con el Joint Advanced Strike Technology (JAST), que pasó a llamarse JSF en 1995; bajo el programa JSF, en 1996 se adjudicaron contratos para aviones de demostración conceptuales aptos para volar a Lockheed Martin y Boeing para los diseños del vehículo aéreo y a P&W para el sistema de propulsión inicial. [N 2] P&W desarrolló el motor JSF a partir de su turbofán F119 , que propulsa al F-22 Raptor , como "F119-JSF". Un sistema prototipo apto para volar que incorporaba el ventilador de sustentación accionado por eje, designado "YF119-PW-611", se probó en el avión de demostración conceptual Lockheed Martin X-35 y voló por primera vez en 2000. P&W también fabricó otro prototipo, el "YF119-PW-614", para el Boeing X-32 competidor que tenía un sistema de sustentación directa. En las pruebas de vuelo, el X-35B logró demostrar la capacidad de volar en modo STOVL despegando a 150 m (500 pies) de altura, para luego volar a velocidad supersónica antes de aterrizar verticalmente. [9] El concepto del X-35 venció al X-32 en la competencia del JSF y el YF119-611 formaría la base para el F135, que integra el núcleo del F119 con nuevos componentes optimizados para el JSF. [10]
El equipo del F135 está formado por Pratt & Whitney , Rolls-Royce y Hamilton Sundstrand . Pratt & Whitney es el contratista principal del motor principal y de la integración de sistemas. Rolls-Royce es responsable del sistema de elevación vertical para el avión STOVL. Hamilton Sundstrand es responsable del sistema de control electrónico del motor, el sistema de actuación, PMAG, la caja de cambios y los sistemas de monitorización del estado. Woodward, Inc. es responsable del sistema de combustible. El F135 se ensambla en una planta en Middletown, Connecticut . Algunas partes del motor se fabrican en Longueuil , Quebec, Canadá, [11] y en Polonia. [12] El primer sistema de propulsión de producción para servicio operativo estaba programado para su entrega en 2007 con el propósito de servir a los EE. UU., el Reino Unido y otros clientes internacionales. Los primeros F-35 entraron en producción con los motores F135, pero el equipo GE / Rolls-Royce planeó desarrollar un motor F136 de reemplazo en julio de 2009. En 2010, el Pentágono planeó que los dos sistemas de propulsión se licitaran competitivamente. Sin embargo, desde 2006 el Departamento de Defensa no ha solicitado fondos para el programa de motor F136 alternativo, pero el Congreso ha mantenido la financiación del programa. [13]
A partir de 2009, P&W desarrolló una versión más duradera del motor F135 para aumentar la vida útil de las piezas clave. La expectativa de vida de las piezas se redujo porque las secciones calientes del motor (la cámara de combustión y los álabes de la turbina de alta presión, específicamente) funcionaron a temperaturas más altas de lo esperado. El motor de prueba se designó XTE68/LF1 y se espera que las pruebas comiencen en 2010. [14] Este rediseño ha causado "un aumento sustancial de los costos". [15]
P&W esperaba entregar el F135 a un precio inferior al del F119, a pesar de que se trataba de un motor más potente. [16] Sin embargo, en febrero de 2013 se encontró una pala de turbina agrietada durante una inspección programada. La grieta se debió a que la turbina funcionó a temperaturas altas durante períodos más largos de lo habitual. [17] En diciembre de 2013, el blisk hueco del ventilador de la primera etapa falló al 77% de su vida útil esperada durante una prueba en tierra. Se sustituyó por una pieza sólida que añadía 6 libras (2,7 kg) de peso. [18] En 2013, un ex empleado de P&W fue descubierto intentando enviar "numerosas cajas" de información confidencial sobre el F135 a Irán. [19]
A pesar de los problemas, el motor número 100 se entregó en 2013. [20] El LRIP-6 se acordó en 2013 por 1.100 millones de dólares para 38 motores de varios tipos, lo que ayudó a reducir el coste unitario. [21]
El teniente general de la Fuerza Aérea Christopher C. Bogdan, director ejecutivo del programa F-35, ha criticado a P&W por no cumplir con la calidad de fabricación de los motores y por las entregas lentas. [22] Su subdirector, el contralmirante Randy Mahr, dijo que P&W abandonó sus esfuerzos de reducción de costos después de "obtener el monopolio". [23] En 2013, el precio del F135 aumentó en 4.300 millones de dólares. [24]
En mayo de 2014, Pratt & Whitney descubrió documentación contradictoria sobre el origen del material de titanio utilizado en algunos de sus motores, incluido el F135. La empresa evaluó que la incertidumbre no representaba un riesgo para la seguridad del vuelo, pero suspendió las entregas de motores como resultado. Bogdan apoyó las acciones de P&W y dijo que el problema ahora estaba con A&P Alloys, el proveedor. La Agencia de Gestión de Contratos de Defensa de EE. UU. escribió en junio de 2014 que la "continua mala gestión de los proveedores por parte de Pratt & Whitney es un factor principal para el aumento de las notificaciones de problemas potenciales". A&P Alloys declaró que respaldaban su producto a pesar de que no se les dio acceso a las piezas para realizar sus propias pruebas. Tracy Miner, un abogado de Demeo LLP con sede en Boston que representa a A&P Alloys, dijo: "es descaradamente injusto destruir el negocio de A&P sin permitirle acceder a los materiales en cuestión" [25] [26] [27]
En julio de 2014, mientras el avión se preparaba para el despegue, se produjo una falla no contenida en el rotor de un ventilador. Las piezas atravesaron un tanque de combustible y provocaron un incendio, lo que dejó en tierra a la flota de F-35. [28] Durante una maniobra de alta fuerza g tres semanas antes del vuelo, la flexión del motor provocó un roce excesivo en el sello entre el blisk del ventilador y el estator del ventilador, lo que inició la falla inminente. El roce provocó una temperatura de más de 1000 °C (1900 °F), muy por encima del límite del material de 540 °C (1000 °F). Según el director del programa, Christopher Bogdan, aparecieron microgrietas en las aspas del ventilador de la tercera etapa, lo que provocó que las aspas se separaran del disco. Las aspas defectuosas perforaron un tanque de combustible y el aire caliente mezclado con el combustible provocó el incendio. [29] [30] [31] Como solución a corto plazo, cada avión vuela en un perfil de vuelo específico para permitir que el sello del rotor desgaste una ranura de acoplamiento en el estator para evitar un roce excesivo. [32]
Pratt & Whitney logró cumplir con sus objetivos de producción para 2015, pero "problemas recurrentes de calidad de fabricación" en las palas de turbinas y los sistemas de control electrónico obligaron a retirar los motores de la flota. [33]
El F135, derivado del motor F119 , es un turbofán de postcombustión de flujo mixto que utiliza un núcleo similar al del F119 con un nuevo ventilador y una turbina LP. [34] Hay dos variantes del F135: las versiones -100 y -600. [1] Se menciona una versión -400, similar a la -100, siendo la principal diferencia el uso de materiales resistentes a la corrosión por sal. [35] [36] El -600 se describe a continuación con una explicación de los cambios de configuración del motor que se realizan para el vuelo estacionario. El motor y el sistema de elevación Rolls-Royce conforman el sistema de propulsión de ventilador de elevación integrado (ILFPS). [37]
El empuje vertical de la versión STOVL se obtiene de un ventilador de sustentación de dos etapas (alrededor del 46% [38] ) en frente del motor, una tobera de escape vectorial (alrededor del 46% [38] ) y una tobera en cada ala que utiliza aire del ventilador del conducto de derivación (alrededor del 8% [38] ). Estas contribuciones a la sustentación total se basan en valores de empuje de 18.680 lbf (83,1 kN), 18.680 lbf (83,1 kN) y 3.290 lbf (14,6 kN) respectivamente. [38] Otra fuente proporciona valores de empuje de 20.000 lbf (89 kN), 18.000 lbf (80 kN) y 3.900 lbf (17 kN) respectivamente. [39]
En esta configuración, la mayor parte del flujo de derivación se canaliza hacia las toberas del ala, conocidas como postes de balanceo. Una parte se utiliza para enfriar la tobera de escape trasera, conocida como tobera de conducto giratorio de 3 cojinetes (3BSD). [40] Al mismo tiempo, se abre una entrada auxiliar en la parte superior de la aeronave para proporcionar aire adicional al motor con baja distorsión durante el vuelo estacionario. [34]
La turbina de baja presión (LP) impulsa el ventilador de elevación a través de una extensión de eje en la parte delantera del rotor de LP y un embrague. El motor funciona como un turbofán de flujo separado con una relación de derivación más alta. [41] La potencia para impulsar el ventilador, aproximadamente 30 000 shp (22 000 kW) [41], se obtiene de la turbina de LP al aumentar el área de la boquilla caliente. [41]
Una relación de derivación más alta aumenta el empuje para la misma potencia del motor como consecuencia fundamental de la transferencia de potencia de un chorro propulsor de diámetro pequeño a uno de diámetro mayor. [42] Cuando el F135 proporciona sustentación vertical utilizando la relación de derivación aumentada del ventilador de sustentación, el aumento de empuje es del 50% [38] sin aumento del flujo de combustible. El aumento de empuje es del 52% [38] en vuelo convencional cuando se utiliza el postquemador, pero con un gran aumento del flujo de combustible.
La transferencia de aproximadamente 1 ⁄ 3 [43] de la potencia disponible para el empuje de la tobera caliente al ventilador de sustentación reduce la temperatura y la velocidad del chorro de sustentación trasero que incide sobre el suelo. [43] El F-35 puede alcanzar una velocidad de crucero limitada al 100 % del acelerador sin postquemadores de Mach 1,2 durante 150 millas (240 km; 130 millas náuticas). [44]
Al igual que el F119, el F135 tiene un aumentador furtivo en el que las barras de pulverización y los portallamas tradicionales se sustituyen por álabes curvos gruesos recubiertos con materiales cerámicos absorbentes de radar (RAM). Los inyectores de combustible del postquemador están integrados en estos álabes, que bloquean la línea de visión de las turbinas, lo que contribuye al sigilo del sector de popa. La tobera axisimétrica consta de quince aletas parcialmente superpuestas que crean un patrón de dientes de sierra en el borde de salida. Esto crea vórtices de desprendimiento y reduce la firma infrarroja de la columna de escape. Se dice que la eficacia es comparable a la de las toberas en cuña del F119, a la vez que es sustancialmente más rentable y requiere menos mantenimiento. [45]
El motor utiliza sensores alimentados por energía termoeléctrica para monitorear el estado de los cojinetes de la turbina . [46]
Mejorar la fiabilidad del motor y la facilidad de mantenimiento es un objetivo importante para el F135. El motor tiene menos piezas que motores similares, lo que mejora la fiabilidad. Todos los componentes reemplazables en línea (LRC) se pueden quitar y reemplazar con un conjunto de seis herramientas manuales comunes. [47] El sistema de gestión de la salud del F135 está diseñado para proporcionar datos en tiempo real a los mantenedores en tierra. Esto les permite solucionar problemas y preparar piezas de repuesto antes de que el avión regrese a la base. Según Pratt & Whitney, estos datos pueden ayudar a reducir drásticamente el tiempo de resolución de problemas y reemplazo, hasta un 94% con respecto a los motores antiguos. [48]
Antes de que los servicios emitieran un requerimiento para un motor mejorado, Pratt and Whitney había cooperado con la Armada de los EE. UU. en un plan de mejora de dos bloques para el motor F135. Los objetivos del Bloque 1 son un aumento del 7-10% en el empuje y un consumo de combustible entre un 5-7% menor. Los planes incluyen una mejor tecnología de enfriamiento para las palas de la turbina; esto aumentaría la longevidad del motor y reduciría sustancialmente los costos de mantenimiento. El objetivo del Bloque 2 es trabajar con el Programa de Transición de Motor Adaptativo de la Fuerza Aérea de los EE. UU ., con la intención de introducir tecnología para un motor con una potencia nominal de 45.000 lb de empuje, que se utilizaría en un caza de sexta generación. [49]
La ruta de actualización de Pratt & Whitney para el F135 cambiaría varias veces, con los Bloques 1 y 2 convirtiéndose inicialmente en las Opciones de Crecimiento 1 y 2. A fines de mayo de 2017, Pratt y Whitney anunció que la Opción de Crecimiento 1 del F135 había terminado las pruebas y estaba disponible para producción. La actualización requiere el cambio del módulo de potencia en motores más antiguos durante la revisión del depósito y se puede insertar sin problemas en futuros motores de producción con un aumento mínimo en el costo unitario y sin impacto en el cronograma de entrega. La Opción de Crecimiento 1 ofrece una mejora del 6-10% de empuje en la envolvente de vuelo del F-35 al mismo tiempo que obtiene una reducción del 5-6% en el consumo de combustible. [50] En junio de 2018, United Technologies , la empresa matriz de P&W, anunció la Opción de Crecimiento 2.0 para ayudar a proporcionar una mayor capacidad del sistema de gestión térmica y de energía (PTMS), brindando opciones para los operadores, por ejemplo, si desean actualizar a armas más pesadas. [51] Aunque la Opción de Crecimiento 2.0 se concibió inicialmente como un desarrollo posterior del F135 con un ventilador adaptativo para convertirse en el XA101 , un motor de ciclo adaptativo de tres corrientes , Pratt & Whitney ha dividido desde entonces el XA101 como un diseño completamente separado con un nuevo núcleo, mientras que la Opción de Crecimiento 1.0 evolucionaría para convertirse en el Paquete de Mejora del Motor F135 (EEP), posteriormente rebautizado como Actualización del Núcleo del Motor (ECU). [52] [53] [54] En 2023, la USAF decidió financiar la ECU para un mayor desarrollo y puesta en servicio en 2029 para apoyar la actualización del Bloque IV del F-35. [55]
Datos de Pratt & Whitney, [4] Orden técnica TO-00-85-20, [57] Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos [58]
Datos de Pratt & Whitney, [4] TO-00-85-20, [57] Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos [58]
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Aunque técnicamente no es un avión "supercrucero", puede mantener una velocidad de Mach 1,2 durante una carrera de 150 millas sin utilizar postquemadores que consumen mucho combustible.
