چرا F-۳۵ با یک موتور ساخته شد؟
شرکت لاکهید مارتین یک جنگنده ساخت که قرار بود در خدمت سه شاخه ارتش آمریکا باشد و سپس تمام نسخههای آن را به یک موتور واحد مجهز کرد. در یک جنگنده معمولی، چنین تصمیمی شاید انتخابی ساده و منطقی به نظر برسد؛ اما در مورد F-35B ساخت لاکهید مارتین که باید از پرواز معمولی به برخاست کوتاه و فرود عمودی (STOVL) تغییر وضعیت دهد، این تصمیم در نگاه اول تقریباً غیرمنطقی به نظر میرسد.
بااینحال، تعداد موتورهای F-۳۵ تنها یک تصمیم مربوط به بخش پیشرانه نبود؛ بلکه به نحوه طراحی کل برنامه جنگنده ضربتی مشترک (Joint Strike Fighter) مربوط میشد؛ برنامهای که قرار بود قطعات، سامانهها، وزن و هزینه را میان نسخههای مختلف این جنگنده به اشتراک بگذارد.
به همین دلیل، سؤال جالبتر این نیست که آیا یک جنگنده نسل پنجم میتواند با یک موتور پرواز کند یا نه؛ بلکه این است که چرا برنامه جنگنده ضربتی مشترک از ابتدا چنین معماریای را پذیرفت. تلاش لاکهید مارتین برای ایجاد اشتراک میان نسخهها، نمونه آزمایشی که مفهوم فن بالابر متصل به محور موتور (Shaft-driven Lift Fan) را معرفی کرد و طراحی دشوار F-35B، همگی به یک تصمیم مشترک اشاره دارند؛ اما هرکدام محدودیتهای دیگری را نیز آشکار میکنند که مهندسان مجبور بودند آنها را حل کنند.
برنامه جنگنده ضربتی مشترک واقعاً چه چیزی میخواست؟
نقطه شروع این پروژه خود موتور نبود. اعلامیه برنامه لاکهید مارتین در سال ۲۰۰۲، مقرونبهصرفه بودن و میزان بالای اشتراک قطعات و سامانهها میان سه نسخه F-۳۵ را یکی از اهداف اصلی پروژه معرفی کرد.
این نیاز، طراحان را به سمت نوعی از معماری سوق داد که بتواند برای F-35A نیروی هوایی آمریکا، F-35C نیروی دریایی آمریکا و F-35B تفنگداران دریایی آمریکا مورد استفاده قرار گیرد؛ بدون اینکه این سه نسخه در عمل سه هواپیمای کاملاً جداگانه با یک نام مشترک باشند.
پیشرانه نیز بخشی از همین معادله اشتراک بود. استفاده از موتورهای متفاوت برای هر نسخه، اشتراک طراحی را دشوارتر میکرد؛ اما فشار اصلی روی F-35B بود، زیرا این هواپیما باید سامانه پیشرانهای را در خود جای میداد که توانایی برخاست کوتاه و فرود عمودی را داشته باشد.
بنابراین راهحل موردنظر باید چیزی فراتر از تأمین نیروی رانش برای یک جنگنده معمولی ارائه میداد؛ این سامانه باید درون بدنهای قرار میگرفت که از ابتدا برای اشتراک سامانهها طراحی شده بود و همزمان باید از یک روش کاملاً متفاوت برای فرود پشتیبانی میکرد.
به همین دلیل، آرایش تکموتوره F-۳۵ را نباید صرفاً تصمیمی برای کاهش وزن ناشی از حذف یک موتور دانست. این انتخاب بخشی از تلاش گستردهتر برای ایجاد سه هواپیما با یک برنامه مهندسی و اقتصادی مشترک بود.
موتور F135 ساخت Pratt & Whitney به موتور مشترک هر سه نسخه F-۳۵ تبدیل شد و برای برنامه جنگنده ضربتی مشترک یک مزیت بسیار ارزشمند ایجاد کرد: یک موتور واحد در قلب F-35A، F-35B و F-35C.
اما سؤال بعدی این است که سامانه غیرمعمول برخاست عمودی F-35B از کجا آمد و چرا رسیدن به هدف استفاده از یک موتور مشترک را تا این اندازه دشوار کرد؟
چرا F135 به موتور مشترک F-۳۵ تبدیل شد؟
تاریخچه طراحی لاکهید مارتین نشان میدهد که این مسیر به یک طرح مفهومی اولیه با نام داخلی ۲۲۰-۲ بازمیگردد؛ طرحی که مفهوم فن بالابر متصل به محور موتور را معرفی کرد. طبق توضیح لاکهید مارتین، این فناوری یک دستاورد مهندسی بیسابقه بود که به این شرکت کمک کرد در مرحله ساخت نمونه آزمایشی رقابت JSF پیروز شود.
بهجای اضافهکردن یک موتور دوم که فقط برای ایجاد نیروی بالابر عمودی استفاده شود، هواپیما میتوانست از موتور اصلی بهعنوان منبع نیرو استفاده کند و یک فن بالابر را که در بخش جلویی موتور قرار داشت، بهصورت مکانیکی به آن متصل کند.
این طراحی اجازه میداد یک موتور واحد هم پرواز معمولی را تأمین کند و هم سامانه برخاست و فرود عمودی را فعال نگه دارد؛ بدون اینکه معماری پیشرانه مشترک میان نسخههای مختلف از بین برود. این ساختار اهمیت زیادی دارد، زیرا فن بالابر بهصورت مکانیکی به موتور اصلی هواپیما متصل است؛ بنابراین سامانه پیشرانه باید چندین وظیفه را در یک ساختار یکپارچه انجام دهد.
بخش خروجی عقب موتور، مسیر رانش معمولی در پرواز را تأمین میکند، درحالیکه فن بالابر هنگام عملیات STOVL نیروی عمودی ایجاد میکند. این طراحی با یک بدهبستان مهندسی بزرگ همراه بود. موتور F135 باید هم توان کافی برای یک جنگنده نسل پنجم را فراهم میکرد و هم فشارهای مکانیکی و حرارتی ناشی از سامانه STOVL در F-35B را تحمل میکرد.
به همین دلیل، موتور F135 به یکی از مهمترین بخشهایی تبدیل شد که کل معماری پیشرانه نسخه B حول آن شکل گرفت. این نتیجه، راهکاری است که فلسفه استفاده از یک موتور واحد را حفظ میکند، اما در مقایسه با آرایش پیشرانه یک جنگنده معمولی، پیچیدگی مکانیکی بسیار بیشتری ایجاد میکند.
در طول پرواز معمولی، موتور F135 تقریباً مانند موتورهای دیگر نسخههای F-۳۵ عمل میکند و گازهای خروجی خود را به سمت عقب هدایت میکند تا نیروی رانش رو به جلو ایجاد شود. اما زمانی که هواپیما وارد حالت STOVL (برخاست کوتاه و فرود عمودی) میشود، ساختار سامانه پیشرانه تغییر میکند.
دربهای اطراف فن بالابر و نازل عقب باز میشوند، سامانه انتقال نیرو فعال میشود و فن بالابر شروع به دریافت توان مکانیکی از موتور میکند. همزمان، ماژول چرخان سهیاتاقانه، نازل خروجی عقب را حدود ۹۵ درجه به سمت پایین میچرخاند. دو منبع ایجاد نیروی بالابر در کنار یکدیگر کار میکنند و نیازی به استفاده از یک موتور جداگانه برای برخاست عمودی وجود ندارد.
همانطور که پیشتر بررسی شده، هواپیمای Harrier ساخت BAe، نسل قبلی F-35B، در مقایسه طراحی سادهتری داشت: یک موتور Rolls-Royce Pegasus که گازهای خروجی را از طریق چهار نازل چرخان تغییر جهت میداد و یک جریان متمرکز و بسیار داغ ایجاد میکرد؛ جریانی که بهدلیل شدت بالا میتوانست به سطوح آمادهنشده آسیب بزند و مدت زمان پرواز معلق ایمن هواپیما را محدود کند.
چرا یک موتور F-35B نیروی پرواز عمودی را تأمین میکند؟
ساختار مبتنی بر محور انتقال نیرو در F-35B به این دلیل کارآمد است که موتور هواپیما هنگام ورود به حالت معلق، دیگر مجبور نیست نقش یک موتور جنگنده معمولی را کنار بگذارد. در عوض، معماری پیشرانه توان موجود موتور را به سامانههایی که برای پرواز عمودی موردنیاز هستند، منتقل میکند.
فن بالابر که در جلوی موتور قرار دارد، نیروی رانش عمودی ایجاد میکند، درحالیکه سامانه خروجی عقب همچنان مدیریت رانش موتور را برعهده دارد. به این ترتیب، هواپیما میتواند بدون حمل یک موتور دوم اختصاصی، میان حالتهای مختلف پرواز جابهجا شود.
برنامه آزمایشی F-35B شامل مجموعهای از آزمایشها بود که بهتدریج دشوارتر شدند. گراهام تاملینسون، خلبان آزمایشی، نخستین فرود عمودی رسمی این برنامه را در ۱۸ مارس ۲۰۱۰ در پایگاه هوایی نیروی دریایی پاتوکسنت ریور/فرودگاه تراپنل فیلد انجام داد؛ پس از اینکه هواپیما را به مدت یک دقیقه کامل در ارتفاع ۱۵۰ فوتی (حدود ۴۵ متر) در حالت معلق نگه داشت.
سه ماه بعد، یک فروند F-35B توانست از سرعت صوت عبور کند و تا اکتبر ۲۰۱۱، یک F-35B عملیات فرود عمودی روی یک ناو تهاجمی آبیخاکی نیروی تفنگداران دریایی آمریکا را انجام داد.
این دستاوردها نشان دادند که معماری تکموتوره تنها یک ایده نظری نیست؛ بلکه همان موتور و سامانه بالابر یکپارچه میتوانند نیازهای کاملاً متفاوت عملیاتی F-35B را برآورده کنند.
اما اثبات امکانپذیری این سامانه تنها یکی از چالشها بود. سؤال دشوارتر این بود که آیا هواپیما میتواند تمام این تجهیزات را حمل کند و همچنان به اهداف وزنی تعیینشده برسد؟ همین مسئله تیم برنامه جنگنده ضربتی مشترک را مجبور کرد یکی از مهمترین بازطراحیهای تاریخ توسعه F-35B را انجام دهد.
چرا موتور دوم بهسادگی بهعنوان یک گزینه کنار گذاشته نشد؟
برنامه از ابتدا حاشیه وزن زیادی در اختیار نداشت که بتوان آن را صرف اضافهکردن یک موتور دوم کرد. پس از بررسی اولیه طراحی، مهندسان لاکهید مارتین متوجه شدند وزن پیشبینیشده واقعی F-35B با اهداف تعیینشده مطابقت ندارد.
تیم توسعه به مدت شش ماه روند طراحی را متوقف کرد و یک بازطراحی گسترده در F-35B انجام داد؛ بازطراحیای که لاکهید مارتین آن را یک تغییر اساسی در طراحی هواپیما توصیف میکند.
مشکل اصلی، همان هواپیمایی بود که روی کاغذ وجود داشت: وزن به حدی افزایش یافته بود که مهندسان مجبور بودند ابتدا حاشیه وزنی ایجاد کنند، نه اینکه یک سامانه پیشرانه بزرگ دیگر به آن اضافه کنند.
همانطور که در مقایسه تفاوتهای کابین و سامانه کنترل پرواز F-۳۵ و F-۲۲ بررسی شده، پیچیدگی سامانه STOVL تنها به فن بالابر محدود نمیشود. ستونهای غلتشی (Roll Posts) تعبیهشده در هر بال، که با هوای برداشتشده از موتور اصلی تغذیه میشوند، کنترل پایداری جانبی را فراهم میکنند و به خلبان اجازه میدهند هنگام انتقال دشوار میان نیروی بالابر آیرودینامیکی و نیروی بالابر عمودی جت، هواپیما را متعادل نگه دارد.
این بازطراحی برای پاسخ به سؤال درباره موتور دوم اهمیت زیادی دارد؛ زیرا اضافهکردن یک موتور دیگر به فضای بیشتر، سازه جدید، کانالهای انتقال هوا، سامانههای کنترلی، تغییرات سیستم سوخترسانی، دسترسی تعمیراتی و وزن اضافی نیاز داشت و همزمان معماری اطراف هواپیما را نیز تغییر میداد.
F-35B در همان شرایط موجود نیز باید فن بالابر و سامانه انتقال مکانیکی آن را در بدنهای با محدودیت شدید فضا جای میداد. در چنین شرایطی، تلاش ششماهه برای کاهش وزن نشان میدهد که این هواپیما تا چه اندازه فضای طراحی محدودی برای پذیرش یک مفهوم پیشرانه کاملاً متفاوت داشت.
این بازطراحی همچنین نشان میدهد که تصمیم استفاده از موتور واحد را نمیتوان تنها یک مصالحه برای F-35B دانست. کاهش وزن حاصل از این تغییرات، برای نسخههای F-35A و F-35C نیز مفید بود و ایده اصلی برنامه را تقویت کرد: اینکه سه نسخه مختلف F-۳۵ باید همچنان بخشهایی از یک برنامه مشترک باقی بمانند.
پس از تثبیت این معماری مشترک، پیامدهای تصمیم پیشرانه بسیار فراتر از نسخه STOVL رفت و بر نحوه ارتقا و توسعه آینده خانواده F-۳۵ نیز تأثیر گذاشت.
انتخاب موتور واحد امروز برای F-۳۵ چه معنایی دارد؟
پیامد امروزی این تصمیم، بیشتر به معماری طراحی هواپیما مربوط میشود. سامانههای مشترک F-۳۵، فضای داخلی، ساختارهای خنککننده و معماری پیشرانه آن، همگی براساس این فرض توسعه یافتند که یک موتور، منبع اصلی توان هواپیما خواهد بود.
این موضوع به آن معناست که تغییرات آینده باید در چارچوب بدنهای انجام شوند که فضای داخلی و وزن قابلاستفاده آن از قبل با دقت تخصیص داده شده است؛ نه اینکه از ابتدا با حاشیههای وزنی خالی آغاز شود که شاید یک جنگنده دوموتوره فرضی در اختیار میداشت.
برای برنامه F-۳۵، این موضوع با تکامل سامانههای مأموریتی اهمیت بیشتری پیدا میکند. حسگرهای بیشتر، تجهیزات مأموریتی پیشرفتهتر و نیازهای روزافزون به توان الکتریکی و ظرفیت خنککنندگی، همگی برای منابع موجود در همان معماری هواپیما رقابت میکنند.
نکته اصلی این است که هر قابلیت جدید باید بدون از بین بردن تصمیمهای طراحی اولیهای که باعث شدند نسخههای A، B و C از یک پایه مشترک بهره ببرند، در هواپیما ادغام شود. این موضوع دوباره ما را به سؤال اصلی بازمیگرداند. استفاده از یک موتور واحد، یک مشکل در سطح برنامه را با تقویت اشتراک میان نسخهها حل کرد؛ اما هر تغییر آینده باید پیامدهای همین تصمیم را نیز بپذیرد.
بنابراین مسئله اصلی دیگر این نیست که آیا لاکهید مارتین میتوانست از ابتدا یک F-۳۵ دوموتوره بسازد یا نه؛ بلکه این است که آیا معماری انتخابشده در آن زمان، همچنان حاشیه کافی برای نیازهای عملیاتی و توسعههای آینده هواپیما در سالهای پیشرو دارد یا خیر.
تصمیم تکموتوره بودن F-۳۵ باید چه چیزی را ثابت کند؟
پیامد گستردهتر این است که معماری تکموتوره F-۳۵ دیگر کمتر به این مربوط میشود که هواپیما برای چه مأموریتی طراحی شده بود؛ بلکه بیشتر به این سؤال مربوط است که این معماری تا چه اندازه میتواند قابلیتهای جدید را در خود جای دهد.
جنگنده ضربتی مشترک براساس یک بدنه واحد و سامانههای مشترک ساخته شد؛ بنابراین ارزش حفظ یک آرایش پیشرانه واحد در سراسر برنامه، به این بستگی دارد که آیا این طراحی میتواند فضای کافی برای تکامل آینده داشته باشد یا نه؛ بدون اینکه دوباره همان فشار وزنیای ایجاد شود که زمانی F-35B را مجبور به بازطراحی اساسی کرد.
آزمون اصلی، برنامههای نوسازی آینده خواهد بود. هر ارتقای جدید باید درون بدنه فعلی جای بگیرد و همزمان توان الکتریکی بیشتر، خنککنندگی بهتر، حسگرهای پیشرفتهتر یا قابلیتهای مأموریتی جدید را فراهم کند؛ بدون اینکه معماری واحد میان F-35A، F-35B و F-35C را تضعیف کند.
بازطراحی ششماهه F-35B همچنان معیار مهمی برای این موضوع محسوب میشود: زمانی که وزن و فضای داخلی در مرحله توسعه به یک مشکل جدی تبدیل شد، راهحل اضافهکردن فضای بیشتر برای یک معماری پیشرانه کاملاً متفاوت نبود؛ بلکه هواپیما براساس محدودیتهای موجود دوباره طراحی شد.
در نهایت، یک نکته مهم در مسیر تکامل F-۳۵ باقی میماند: آیا بستههای ارتقای آینده میتوانند بدون ایجاد بحران جدید در زمینه وزن، فضای داخلی یا ظرفیت سامانهها، همچنان قابلیتهای بیشتری به هواپیما اضافه کنند یا نه.
اگر پاسخ مثبت باشد، تصمیم استفاده از یک موتور واحد دیگر صرفاً یک مصالحهای که برنامه F-۳۵ دههها مجبور به دفاع از آن بوده نخواهد بود؛ بلکه بهعنوان همان انتخاب معماری دیده خواهد شد که اجازه داد سه هواپیمای بسیار متفاوت، در قالب یک خانواده واحد باقی بمانند.
