كيف قام محرك F-22 F119 بحل 3 مشاكل وصفتها الصناعة بأنها حصرية متبادلة

شركة لوكهيد مارتن إف-22 رابتور تم بناؤها كقفزة أجيال على طراز F-15 Eagle الحالي. ال تم تصميم F-15 Eagle لتكون مقاتلة تفوق جويولكن بحلول الثمانينيات، شعرت القوات الجوية أنها قد لا تتمتع بالميزة “غير العادلة” التي أرادتها، حيث طور الاتحاد السوفيتي طائرات Su-27 وMiG-29. تم تصميم الطائرة F-22 في البداية لتكون بمثابة جهد في أواخر الحرب الباردة للتغلب على أي طائرات مقاتلة يمكن للسوفييت إرسالها.

بدأ البرنامج بالمقاتلة التكتيكية المتقدمة (ATF) في عام 1981 ودخلت الخدمة في نهاية المطاف في عام 2005. وكانت الطائرة المقاتلة من الجيل التالي بحاجة إلى محرك من الجيل التالي. اختارت القوات الجوية طائرة Pratt & Whitney YF119. في حين أصبح محرك F119 هو المحرك النفاث المقاتل الأكثر تقدمًا في ذلك الوقت، إلا أن براغماتية القوات الجوية كانت معروضة أيضًا حيث اختارت عدم اختيار محرك YF120 المنافس الأكثر قدرة (ولكنه محفوف بالمخاطر). إليك ما يجب معرفته عن الأعاجيب الهندسية ومتطلبات F119 التي تشغل سيارة رابتور.

مسابقة المحرك الموازي

كان تاريخ محرك الطائرة F-22 مختلفًا عن تاريخ الطائرات السابقة. من المفيد أن ننظر إلى مسابقة طائرات إف-22 باعتبارها مسابقتين متوازيتين: واحدة للطائرة نفسها، من إنتاج شركتي لوكهيد ونورثروب، والأخرى للمحرك، من إنتاج برات آند ويتني وجنرال إلكتريك. كان على كل نموذج أولي أن يتنافس مع كلا المحركين، مما يسمح للقوات الجوية بمقارنة المحركات بشكل مستقل عن هيكل الطائرة.

لم تكن هذه المحركات عبارة عن تطورات للمحركات الأقدم التي تعمل على تشغيل طائرات F-15 وF-16. كانت هذه محركات جديدة تحتاج إلى الحفاظ على الطيران الأسرع من الصوت دون احتراق لاحق، ولديها بصمات أقل بكثير للأشعة تحت الحمراء، وتكون موثوقة بشكل استثنائي، وتنتج قوة دفع أكبر، وتكون متوافقة مع الفوهات الموجهة للدفع، وتحقق اقتصادًا أفضل في استهلاك الوقود.

تم اختيار برات آند ويتني وجنرال إلكتريك من قبل القوات الجوية لإنتاج نماذج أولية لمحركات البرنامج الذي سيؤدي إلى إنتاج الطائرة إف-22. تم تسمية هذه المحركات النموذجية باسم YF119 وYF120 على التوالي. قدمت كلتا الشركتين محركات للطائرتين التجريبيتين: YF-22 (من شركة لوكهيد/بوينغ/جنرال دايناميكس) و YF-23 (نورثروب/ماكدونيل دوغلاس).

حلول برات آند ويتني وجنرال إلكتريك

الائتمان: القوات الجوية الأمريكية

كانت فلسفة تصميم برات آند ويتني متحفظة نسبيًا من الناحية الهندسية. لقد اختارت تصميم محرك توربيني مروحي متقدم للغاية ذو دورة ثابتة ومنخفضة الالتفافية، بدلاً من دورة محرك جديدة تمامًا. سعت PW إلى تقليل الصيانة، وتحقيق قوة دفع جافة عالية جدًا، جعل supercruise وظيفة عمليةوتحقيق أقصى قدر من الموثوقية، والمزيد. لقد استخدمت توربينات ذات ضغط مرتفع ومنخفض ذات مرحلة واحدة، ومكبات دوارة معاكسة، وفوهات دفع مستطيلة متوافقة مع تقنية التخفي، والمزيد.

ورغم أن هذه التقنيات كانت متطورة في ذلك الوقت، إلا أنها كانت مفهومة بشكل فردي أيضًا. كان حل جنرال إلكتريك (YF120) أكثر طموحًا. لقد طورت واحدة من أولى المحركات المقاتلة الحقيقية ذات الدورة المتغيرة في العالم. أضاف هذا تيارًا هوائيًا ثالثًا. يعمل هذا إلى حد ما مثل ناقل الحركة في السيارة، مما يسمح للسائق باختيار الترس الأمثل. كان المحرك فعالاً عند السرعات المنخفضة والعالية. كان يتمتع بقوة دفع جاف عالية للغاية، وكفاءة ممتازة في استهلاك الوقود عند السرعات الأسرع من الصوت، ونسبة تجاوز متغيرة. أثناء اختبار الطيران، تفوق YF120 على YF119 في بعض النواحي.

تعمل الطائرة YF-22 التي تعمل بالطاقة YF120 بشكل أسرع، بينما تعمل الطائرة YF-23 التي تعمل بالطاقة YF120 بسرعة فائقة تبلغ حوالي 1.72 ماخ (الطائرة F-22 مع الطرادات الفائقة F119 تبلغ حوالي 1.58 ماخ). على الرغم من أن YF120 كان يتمتع بقوة دفع وتسارع وكفاءة عالية السرعة، فقد اختارت القوات الجوية YF119 الأكثر تقليدية. أشارت القوات الجوية إلى انخفاض المخاطر، والتصميم الأكثر نضجًا، والمخاوف الصناعية في قرارها. يبدو أن YF120 كان متقدمًا على عصره.

القضايا الهندسية الثلاثة

الائتمان: كتالوج الأرشيف الوطني

قبل F119 (وYF120)، كان هناك اعتقاد طويل الأمد بأن تصميمات المحركات النفاثة لا يمكنها في الوقت نفسه تحقيق أقصى قدر من الدفع العالي، وانخفاض استهلاك الوقود دون احتراق لاحق، وانخفاض إمكانية المراقبة مع انخفاض توقيع الأشعة تحت الحمراء. غالبًا ما يُستشهد بـ F119 على أنه يثبت خطأ هذا الافتراض، على الأقل إلى حد ما. يوفر المحرك F119 حوالي 35000 رطل من الدفع مع الحارق اللاحق، في حين أن قلب المحرك عالي الضغط والديناميكا الحرارية المتقدمة يسمحان له بالانطلاق الفائق.

قبل F119، كان المهندسون يفترضون أن المزيد من الدفع يضر بكفاءة استهلاك الوقود، في حين أن كفاءة الوقود الأفضل تقلل من الحد الأقصى للدفع. بالإضافة إلى ذلك، أدى انخفاض توقيع الأشعة تحت الحمراء إلى الإضرار بأداء المحرك، في حين أدى انخفاض توقيع الرادار إلى تقليل تدفق الهواء والكفاءة. وفي الوقت نفسه، أدى محرك أصغر إلى تقليل قوة الدفع. وجدت الطائرة F119 طريقة للتغلب على هذه المعضلات، حيث قدمت طريقة لتحقيق التوازن بين المقايضات التي كان من الصعب تحسينها في وقت واحد.

ومع تطوير الجيل السادس من المحركات النفاثة المقاتلة، أصبحت هذه العوامل الثلاثة أكثر أهمية من أي وقت مضى. من المفترض أن تكون طائرات الجيل التالي أكبر حجمًا، وأن تعمل على تشغيل المزيد من الأنظمة، ومن المتوقع أن يكون لها نطاق أطول بدون التزود بالوقود، وأن يكون لها تأثير أقل بكثير على الأشعة تحت الحمراء (الحرارة). لقد أوضح Simple Flying سابقًا كيف تعد الإدارة الحرارية أحد الجوانب الأكثر تحديًا هندسة الطائرات المقاتلة من الجيل التالي، فضلاً عن كونها إحدى القضايا الصعبة المتمثلة في ترقية الطائرات المقاتلة الخامسة الحالية (F-22 وF-35).

الأعجوبة الهندسية F119

الائتمان: القوات الجوية الأمريكية

سيكون من المبالغة القول إن F119 حلت ثلاث صعوبات في التصميم تعتبر متعارضة، ويمكن القول إن YF120 قام بعمل أفضل. ومع ذلك، يفتخر كتيب برات آند ويتني بما يلي: “يعد محرك برات آند ويتني F119 أول محرك مقاتل من الجيل الخامس في العالم. تجمع الطائرة F119 بين تقنيات التخفي وأداء الدفع الموجه لتوفير قدرة غير مسبوقة على المناورة والقدرة على البقاء مع نسبة دفع إلى وزن عالية“.

ويضيف “إن القدرة على العمل بشكل أسرع من الصوت مع احتراق لاحق – فائق السرعة – يمنح الطائرة F-22 أداءً قتاليًا استثنائيًا دون المساس بنطاق المهمةتطورت طائرة F119 لتصبح واحدة من أقوى المحركات النفاثة المقاتلة على الإطلاق. وعندما انتقلت القوات الجوية إلى تطوير طائرة F-35، اختارت محرك F135 المشتق من محرك F119، بدلاً من المحرك الجديد كليًا. وتدعي الشركة أن محرك F119 قد حقق أفضل سجل أمان في فئته منذ طرحه. حريق المحرك الذي دمر طائرة F-22 على المدرج.

ويمكن رؤية تميز F119 أيضًا في مشتقتها طائرة F135، تعمل على تشغيل طائرة F-35. في حين أن الطائرة F-35 تحصل على تغطية صحفية واسعة النطاق لأي حادث مؤسف، فإن سجل سلامة المحرك رائع. في حين أن الطائرة F-22 هي طائرة ذات محركين (قادرة على الهبوط بمحرك واحد)، فإن الطائرة F-35 ذات محرك واحد، مما يعني أن خسارتها ستكون كارثية بشكل لا يمكن تعويضه. ومع ذلك، لم يكن هناك سوى طائرتين مؤكدتين من طراز F-35 فقدتا في حوادث مؤسفة فقط بسبب عطل في محرك F135 أثناء الطيران، على الرغم من أن عدد الطائرات الآن أكبر بعشر مرات من طراز F-22. كلاهما كانا أثناء الإقلاع والهبوط.

تظل طائرة F-22 هي الطائرة الخارقة الأعلى

الائتمان: القوات الجوية الأمريكية

Supercruising يطير بسرعة فوق Mach 1 بدون احتراق لاحق. في حين أن الطائرة F-15 Eagle الأقدم قد تتمتع بنفس السرعة القصوى أو أعلى قليلاً على الارتفاع، ربما حوالي 2.5 ماخ، إلا أنها محدودة باستخدام الوقود. لتحقيق سرعات تفوق سرعة الصوت، يحتاج النسر إلى تشغيل الحارقات اللاحقة، مما يؤدي بشكل أساسي إلى تفريغ الوقود في المحركات. وهذا ينهار نطاقه ويجعله غير عملي لأي شيء أكثر من مجرد انفجار.

يظل Supercruising نادي النخبة، حيث تحلق Eurofighter Typhoon أيضًا بسرعة فائقة تبلغ حوالي 1.3 ماخ. يُعتقد أن رافال تتخلف عن التايفون إلى حد ما في رحلة فائقة السرعة، لكنها لا تزال قادرة على القيام بذلك. يُعتقد على نطاق واسع أن الطائرة الصينية J-20 هي طراد فائق. في حين أن الطائرة الروسية Su-57 يجب أن تكون قادرة على القيام بذلك، إلا أن الطائرة يجب أن تكون أفضل في الطيران الفائق عندما تستقبل في النهاية طائرتها المتأخرة Saturn AL-51 (المعروفة أيضًا باسم “Izdeliye 30”).

من المعتقد أن الطائرات المقاتلة من الجيل التالي سوف تتضاعف في مجال الطيران الفائق، على الرغم من أنه لا يُعرف سوى القليل عنها. في عام 2025، أصدرت القوات الجوية رسمًا بيانيًا يوضح الطائرة F-15EX بنصف قطر قتالي يبلغ 690 ميلًا بحريًا، والطائرة F-22 بقطر قتالي 590 ميلًا بحريًا، والطائرة F-35A بمدى 670 ميلًا بحريًا. والأهم من ذلك، أنها تدرج الطائرة F-47 على أنها ذات نصف قطر قتالي يزيد عن 1000 ميل بحري. تم إدراج طائرات FQ-42 وF-44 CCA ذاتية القيادة على أنها تتمتع بمدى يصل إلى أكثر من 700 ميل بحري.

العودة إلى YF120 قبل وقته

الائتمان: القوات الجوية الأمريكية

وبعد حوالي 40 عامًا، تعود القوات الجوية إلى تصميم الدورة التكيفية الذي قدمته YF120 للجيل التالي من طائرات F-47. وهنا التاريخ يعيد نفسه مرة أخرى. لقد اختارت القوات الجوية بالفعل طائرة Boeing F-47 بدلاً من شركتي Northrop Grumman وLockheed Martin، لكنها لم تعلن علنًا عن المحرك الذي سيشغل الطائرة F-47.

وتقوم برات آند ويتني وجنرال إلكتريك أيروسبيس (جنرال إلكتريك سابقًا) الآن بتطوير اثنين محركات الدورة التكيفية كجزء من برنامج الجيل القادم للدفع التكيفي (NGAP).. تعمل شركة Pratt & Whitney على تطوير XA103، بينما تعمل GE Aerospace على XA102/XA100. وهي تشتمل على مركبات مصفوفة سيراميكية مقاومة للحرارة، وتكون في فئة 45000 رطل، ولتوفير الطاقة الكهربائية والسعة الحرارية التي تتطلبها أجهزة الاستشعار المتقدمة وأنظمة الحرب الإلكترونية وغيرها من الأجهزة الإلكترونية الموجودة على متن الطائرة.

يتعين على هذه المحركات أيضًا أن تتعامل مع الإدارة الحرارية المتقدمة للجيل التالي من الإلكترونيات الشاملة التي يجب أن تمتلكها طائرات الجيل السادس. يقال إن القوات الجوية تعمل على تطوير إصدارات موسعة من محركات الدورة التكيفية لطائراتها القتالية التعاونية. وسوف تحتاج أيضًا إلى تشغيل العديد من الأجهزة الإلكترونية، وإدارة الحرارة، والقدرة على العمل لمسافات طويلة دون التزود بالوقود. بشكل منفصل، يُعتقد أن شركة رولز رويس تقود الجهود المبذولة لتطوير محرك دورة تكيفي لبرنامج الطائرات المقاتلة من الجيل السادس الذي تقوده المملكة المتحدة (مع اليابان وإيطاليا) GCAP/Tempest.